SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK

Átírás

1 SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK INTEGRITÁSÁNAK NAK MEGÍTÉLÉSÉHEZ ME Koncsik Zsuzsanna, tanárseg rsegéd Kuzsella LászlL szló,, egyetemi adjunktus Lukács János, J egyetemi tanár Marosné Berkes Mária, M egyetemi docens Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és s Informatikai Kar Mechanikai Technológiai Tanszék 6. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Szakmai Szeminárium (6. AGY) Cegléd, június j

2 SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK INTEGRITÁSÁNAK NAK MEGÍTÉLÉSÉHEZ Bevezetés Rugalmassági gi modulus (E) meghatároz rozás rostirányban tömörített tett bükk b faanyagon anyagon Törési szívóss sság (K Ic ) vizsgálatok ötvözetlen szerkezeti acélon és hőálló acélon Fáradásos repedésterjed sterjedési si sebesség g (da/( da/dndn ΔK Paris-Erdogan együtthat tthatók) vizsgálatok ausztenites acélon és fekete-feh fehér r hegesztett kötésekenk Koptató vizsgálatok (kikopott térfogat, t súrls rlódási együtthat ttható,, uralkodó kopási mechanizmus) kerámia nanokompozitokon on Dinamikus törési t szívóss sság (K Id ) vizsgálatok kerámi mián Összegzés

3 BEVEZETÉS Az élettartam gazdálkod lkodás s műszaki m dimenziója TERHELÉS GEOMETRIA ANYAGI MÉRŐSZÁMOK MECHANIKAI MODELL DÖNTÉSI KRITÉRIUM(OK) SZÁMÍTÁSI ELJÁRÁS RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLAT DÖNTÉS, NYILATKOZAT KÖVETELMÉNYEK ADATOK, INFORMÁCIÓK EREDMÉNYEK

4 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Kihívás, specialitások, sok, feladatok Kihívás: : statikus és s dinamikus rugalmassági gi modulus meghatároz rozás roncsolásmentes smentes módon Specialitások sok: hangterjedési sebesség g mérésre m visszavezetett rugalmassági gi modulus meghatároz rozás mechanikusan gerjesztett longitudinális lis-,, hajlító- és s torziós hullámok sajátfrekvenci tfrekvenciájának nak meghatároz rozása FFT (gyors Fourier transzformáci ció) ) segíts tségével Feladatok: speciális tulajdonságú,, rostirányban tömörített t tett bükk b faanyag (Fagus( Sylvatica L.) merevségének jellemzése a különböző módon meghatározott rugalmassági gi modulus értékek összehasonlításasa statikus rugalmassági gi modulus meghatároz rozása dinamikus rugalmassági gi modulus alapján

5 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Vizsgálati módszerek Dinamikus rugalmassági gi modulus meghatároz rozása hangterjedési sebességb gből Elvi összeállítás F F adó vevő mintadarab E du Elméleti leti hátth ttér v 2 hang L t távolság hang 2 Távolság adó és vevő között Gyakorlati megvalósítás

6 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Hangterjedési sebességb gből l meghatározott dinamikus rugalmassági gi modulusok hosszirányban Egyenlet Det. koef y = A + B*x + C*x^2 Érték Szórás A B C E du, GPa % 5% 10% 15% 20% 25% Tömörítés mértéke

7 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Hangterjedési sebességb gből l meghatározott dinamikus rugalmassági gi modulusok sugár és s húrirh rirányban

8 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Vizsgálati módszerek Rugalmassági gi modulus meghatároz rozása longitudinális lis hullám m sajátfrekvenci tfrekvenciájából: : a mérés s elvi összeállítása Detektált jel, a lecsengő hullám FFT Fourier transzformáltja

9 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Vizsgálati módszerek A mérés m s egyszerű, gyakorlati összeállítása, megvalósítása sa számítógép mikrofon vizsgált anyag

10 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Longitudinális hullámok sajátfrekvenci tfrekvenciájából l meghatározott dinamikus rugalmassági gi modulusok

11 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Csavaró hullámok sajátfrekvenci tfrekvenciájából l meghatározott dinamikus rugalmassági gi modulusok

12 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Hajlító hullámok sajátfrekvenci tfrekvenciájából l meghatározott dinamikus rugalmassági gi modulusok Egyenlet Det. koef y = A + B*x + C*x^2 Érték Szórás A B C E db ASTM, GPa % 5% 10% 15% 20% 25% Tömörítés mértéke

13 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Statikus hajlítódiagramok

14 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Hárompontos hajlítóvizsg vizsgálatbólból meghatározott statikus rugalmassági gi modulusok

15 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények A különbk nböző módon meghatározott rugalmassági gi modulusok eredményeinek összehasonlításasa

16 RUGALMASSÁGI GI MODULUS MEGHATÁROZ ROZÁS Eredmények Korreláci ció a statikus és a hangterjedési sebességb gből meghatározott rugalmassági gi modulusok ok között

17 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, sok, feladatok Kihívás: : a szüks kséges anyagminőség g adatok meghatároz rozása kis méretm retű próbatestekb batestekből álló és s kis elemszámú vizsgálati mintákb kból Specialitások sok: húzó terhelésű,, hengeres, bemetszett (Crack( Round Bar = CRB) próbatest alkalmazási kényszerek növelt hőmérsh rséklet (260( C, 410 C) Feladatok: CRB próbatestek alkalmazhatóságának igazolása K Ic, illetve K Q törési szívóss sság értékek meghatároz rozásárara a K Ic, illetve a K Q értékek számítására szolgáló össze- függések összehasonlításasa a meghatározott törési t szívóss sság értékek összevetése se egymással

18 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények Anyagminőségekgek és s vizsgálati hőmérsh rsékletek Anyagminőség ötvözetlen szerkezeti acél hőálló acél Vizsgálati csoport Névleges vizsgálati hőmérséklet, klet, C Group_ Group_ Group_ szakítóvizsg vizsgálat törési szívóss sság vizsgálat

19 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények Vizsgálati elrendezés

20 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények Próbatest a törési t szívóss sság g vizsgálat latához típus: : húzóh terhelésű,, hengeres, bemetszett (Cracked Round Bar = CRB) méretek: d 0 = 6 mm D = 8 mm r = 0,07-0,25 0,25 mm előfáraszt rasztás s után:

21 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Vizsgálati csoport A szakítóvizsg vizsgálatok eredményei Névleges vizsgálati hőmérséklet, C Próbatestek száma, darab R eh ötvözetlen szerkezeti acél R el R p0,2 R m N/mm 2 Group_ ,0 258,0 443,0 Group_ ,0 193,0 381, ,0 410,0 hőálló acél Group_ ,5 297,5 470,0 Group_ ,0 231,7 390,7 Group_ ,0 381,0 Group_ ,0 402,5

22 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Törési szívóss sság g vizsgálatok: erő elmozdulás s diagramok Group_1_41_260 Group_1_42_260 Group_1_13_410 Group_1_14_410 Group_2_2.1_410 Group_2_2.2_410 Group_2_2.5_410 Erő, F, N ,5 1 1,5 2 2,5 Dugattyú út, mm

23 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Összefüggések a feszülts ltségintenzitási tényezt nyező számításához Dieter (D) F D K I 1,27 1, 72 3/ 2 D d Benthem-Koiter (B-K) K I Kovcsik-Morozov (K-M) F d 2s K I Y ; D D D d Y 2 3 d d d d d a 1 0,5 0,375 0,3639 0,731 2 D D D D D d D 0,7978 2s ; d 2s 1 1 d 2s 1 d 1 Romaniv-Nikiforcsin (R-N) F 2 D d K I 3 d D 0, 801d d D d D 0,8012 2s D 1 3 d d d D 4 1 2

24 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Feszülts ltségintenzitási tényezt nyező függvények 50 Feszültségintenzitási tényező, K I, MPam 1/ ? D = 8 mm, F = N 1,0 1,5 2,0 2,5 Repedésméret, a, mm Dieter Benthem-Koiter Kovcsik-Morozov: s = 0,1 mm Kovcsik-Morozov: s = 0,2 mm Kovcsik-Morozov: s = 0,4 mm Romaniv-Nikiforcsin Nilsson

25 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Aszimmetrikus repedések az előfáraszt rasztás s során ötvözetlen szerkezeti acél Group_1, próbatest: 1_41 hőálló acél Group_2, próbatest: 2_2.5

26 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Vizsgálati csoport A törési t szívóss sság g vizsgálatok eredményei Névleges vizsgálati hőmérséklet, C A próbatest jele ötvözetlen szerkezeti acél K Q, MPam 1/2 D B-K K-M R-N Group_ _41 22,8 22,5 29,6 21, _42 19,7 19,5 24,9 18,6 hőálló acél Group_ _13 27,5 27,2 38,0 26, _14 26,8 26,7 41,5 25,8 Group_ _2.1 22,6 22,4 24,0 21, _2.2 23,0 22,8 24,6 21, _2.5 23,9 23,5 28,1 22,5

27 TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Következtetések A húzóh terhelésű,, hengeres, bemetszett (Crack Round Bar = CRB) próbatestek használhatók törési szívóss sság g vizsgálatokhoz. Mindegyik bemutatott összefüggés s alkalmas a törési t szívóss sság értékének meghatároz rozására; közülük k a Kovcsik-Morozov összefüg- gés a legérz rzékenyebb az aszimmetrikus előfárasztott repedések jelenlétére re. A vizsgálatok során n csak egyezményes törési szívóss sság (K Q ) értékeket sikerült meg- határozni rozni,, amelynek alapvető oka a kis be- metszés átmérőjű próbatestben keresendő.

28 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, sok, feladatok Kihívás: : fáradf radásos repedésterjed sterjedési si sebesség vizsgálatok végzv gzése növelt n hőmérsh rsékleteken (100 C és s 290 C; 296 C és s 325 C) C),, korrózi ziós s közegekbenk Specialitások sok: furatos CT próbatest alkalmazási kényszerek a stabil repedésterjed sterjedés, s, illetve repedéstompul stompulás tanulmá- nyozása sa,, a fárasztf rasztás s közben k (100 C és s 290 C), 3 órás, az ismétl tlődő igénybev nybevétel maximumával egyező nagyságú statikus terhelés s közbeiktatk zbeiktatásával a hőmérsh rséklet-változás s befolyásol soló hatásának tanulmányo nyozása,, a hőmérsh rséklet két k t névleges n hőmérsh rséklet (296 C és 325 C) ) között, k négyn gy-szög g függvf ggvény szerint törtt rténő változtatásával Feladatok: furatos CT próbatestek alkalmazhatóságának igazolása fáradásos repedésterjed sterjedési si sebesség g vizsgálatok végzv gzése különböző anyagminőségeken geken

29 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A furatos CT próbatestek geometriája szikraforgácsolt furatok a korrózi ziós s közeg k injektálására a fűtőpatron f furata

30 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A próbatest elüls lső oldala vizsgálat közbenk sűrített levegős hűtés fűtőpatron próbatest szétny tnyílásmérő szigetelő elem

31 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A próbatest hátsh tsó oldala vizsgálat közbenk fűtőpatron sűrített levegős hűtés próbatest termoelem szigetelő elem

32 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A korróziós közeg injektálása szikraforgácsolt furatok

33 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Eredmények Kinetikai diagramok: 08H18N10T ausztenites acél (ASTM 321) 1,0E-02 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-03 1,0E-04 FCG1_100 FCG2_300_100_100 FCG6_100 FCG7_100_3h FCG4_300 FCG2_300_100_300 FCG5_290 FCG3_290 FCG8_290_3h 1,0E Feszültségintenzitási tényező tartománya, DELTA K, MPam 1/2

34 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Eredmények COD értéke a közbeiktatott k statikus terhelés s alatt 0,6 0,5 Repedésszétnyílás, COD, mm 0,4 0,3 0,2 0,1 0 FCG7_100_3h FCG8_290_3h Vizsgálati idő a közbeiktatott statikus terhelés kezdetétől, s

35 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Eredmények A közbeiktatott k statikus terheléssel vizsgált próbatestek FCG7_100_3h FCG8_29 290_3h

36 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Eredmények Kinetikai diagramok: 22K ötvözetlen acélb lból, l, SzV-10H16N25AM6 ausztenites párnarétegből és s töltt ltőrétegekből álló K-varrat 1,0E-02 Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dn, mm/ciklus 1,0E-03 1,0E-04 FCG2_296 FCG7_296 FCG3_325 FCG4_325 FCG5_296_325 FCG6_296_325 FCG1_szoba 1,0E A feszültségintenzitási tényező tartománya, DELTA K, MPam 1/2

37 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Eredmények A hőmérsh rséklet-változással vizsgált próbatestek FCG5_296_325 FCG5_296_325

38 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Eredmények A fáradásos repedésterjedési vizsgálatok eredményei 5 A Paris-Erdogan összefüggés kitevője, n H18N10T_100 08H18N10T_100_3h 08H18N10T_290, H18N10T_290_3h 22K+SzV-10H16N25AM6_23 22K+SzV-10H16N25AM6_296, K+SzV-10H16N25AM6_296/ _275_R=0,5_levegő [Matocha-Siegl] 321_275_R=0,5 [Matocha-Siegl] A Paris-Erdogan összefüggés álandója, lgc

39 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Következtetések A próbatestbe integrált fűtőpatronnal f kialakított,, furatos CT próbatestek alkalmasak fáradásos repedésterjed sterjedési si sebesség vizsgá- latok elvégz gzésére, növelt n hőmérsh rsékleten és korrózi ziós s közegben. k A furatok befolyásol soló hatásának teljesebb feltérk rképezése, az átlagol tlagolás alkalmazhatóságának igazolása, további elemzéseket (péld ldául VEM) és s vizsgálatokat igényel.

40 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Következtetések A fáradf radásos repedésterjed sterjedés s folyamatába közbeiktatott statikus terhelés s ideje (3 óra) alatt az alacsonyabb névleges n hőmérsh rsékleten (100 C) nem következett k be sem stabil repedésterjed sterjedés, s, sem repedéscs scsúcs tompulás,, a magasabb névleges n hőmérsh rsékleten (300 C) azonban igen. A 08H18N10T ausztenites korrózi zióálló acél alapanyag fáradf radásos repedésterjed sterjedéssel ssel szembeni ellenáll llása a két k t névleges n vizsgá- lati hőmérsékleten (100 C és s 300 C) eltérő.

41 FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJED STERJEDÉSI SI SEBESSÉG G VIZSGÁLATOK Következtetések A fizikailag szimulált lt K-varratos K hegesztett kötés s (22K ötvözetlen acél l SzV-10H16N25AM6 hegesztő hozaganyag), amelyben a repedés az ötvözetlen acél és s az ausztenites réteg között haladt, fáradf radásos repedésterjed sterjedéssel ssel szembeni ellenáll llása a két k t névleges n vizsgálati hőmérsékleten (295 C és s 325 C) nem eltérő. A hőmérsh rséklet változv ltozása (hőmérs rsékleti lép-l csők) a fáradf radásos repedésterjed sterjedés s során n a repedésterjed sterjedéssel ssel szembeni ellenáll llást érdemben nem befolyásolja.

42 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, sok, feladatok Kihívás: : nagy kopásáll llóságú anyagok súrls rlódási és kopási jellemzőinek meghatároz rozása Specialitások sok: nagy kopásáll llóságú, új j fejlesztésű,, kerámia nanokompozitok vizsgálata a kopási tényezt nyező meghatároz rozásának módszere m a koptatott felület let morfológiai jellemzése a kopási mechanizmus azonosítása sa Feladatok: különböző összetételű kerámia minták pin-on on-disc kopás- vizsgálat latának elvégz gzése a kopásvizsg svizsgálat elemzése a kikopott térfogatt a súrls rlódási együtthat ttható a felület let morfológi giájának és összetételének változv ltozása az uralkodó kopási mechanizmus azonosítása sa

43 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A vizsgálati próbatestek összetétele tele és geometriája Próba Si 3 N 4 * [tf%] Y 2 O 3 [tf%] Al 2 O 3 [tf%] Típusa Másodlagos fázis Mennyisége [tf%] Szemcsemérete [μm] Sűrűség [g/cm 3 ] G1 93,1 4,9 - grafit 2 < 25 3,246 G2 90,3 4,7 - grafit 5 < 25 3,239 G3 85,5 4,5 - grafit 10 < 25 2,494 G4 85,5 4,5 - grafit 10 < 71 2,822 G5 85,5 4,5 - grafit 10 < 125 3,141 G6 85,5 4,5 - grafit 10 >125 3,09 MONO ,372 CNT MWCNT 3-3,305 Gyártó Szlovák Tudományos Akadémia, Szervetlen Kémiai Intézet, Pozsony MTA, MFAKI, Budapest Gyártástechnológia Meleg sajtolás, T=1750 C, p=30 MPa p=0,2 bar nitrogén túlnyomás Két lépéses gáznyomásos szinterelés, T=1700 C; t=3h; p=20 MPa Si 3 N 4 /SiC/grafit kerámia kompozitok d= 50 mm, v=2 mm tárcsák Monolitikus és CNT-Si 3 N 4 kompozitok 4,9mm x 3,2mm x 49,1mm (EN 843-1)

44 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A vizsgálati próbatestek másodlagos alkotóelemei A másodlagos m fázis f (grafit) morfológi giája és s szemcsemérete, a Si 3 N 4 /SiC/grafit kerámia kompozitokban 200 µm 200 µm A másodlagos m fázis f (CNT) morfológi giája, a CNT-Si 3 N 4 kerámia kompozitokban 200 µm 200 µm (Sajgalik 2006) (Cs. Balázsi: Current Applied Physics 6 (2006) p )

45 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények 1. Pin-on-disc kopásvizsgálat Mérési paraméterek Ellentest: d = 6 mm SiC golyó Terhelés: F N = 5 N, 10 N, 15 N Teljes csúszási úthossz: s = 100 m Csúszási sugár: r = 1,2 mm Csúszási sebesség: v =0,01 m/s Hőmérséklet: szobahőmérséklet Relatív páratartalom: ~ 50 % Kenőanyag alkalmazása nélkül Vizsgálati körülmk lmények Nagy hőmérsékletű tribometer (Miskolci Egyetem Polimermérnöki Tanszék) 2. Profilométer 3. SEM elemzések Kopást stényező származtat rmaztatása Kopási mechanizmus elemzése

46 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Eredmények A kopási tényezt nyező számítása sa Mérési módszer Kopási tömegmérés Mért jellemző Tömeg csökkenés (g, mg) Kikopott térfogat (mm 3, m 3 ) Kopásnyom méretváltozása (mm, m) Kopási együtthat ttható,, k erő, N kopási úthossz, m elnyelt energia, Nm g N -1 mm 3 N-1 mm N -1 g m -1 mm 3 m-1 mm m -1 g Nm -1 mm 3 Nm-1 mm Nm -1

47 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Eredmények A kikopott térfogat t és s a kopási tényezt nyező számítása sa V W = A W l l s N V W = kikopott térfogatt [mm 3 ] A W = kikopott felület let [mm 2 ] l = kopásnyom hossza [mm] N = ciklusok száma s = súrlódási úthossz [m] R 4 w t 5 k V k = kop W s F N kopási tényezt nyező [mm 3 /Nm] V W = kikopott térfogatt [mm 3 ] s = súrlódási úthossz [m] F = N terhelőerő [N] kopásnyom

48 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Eredmények Tribológiai eredmények: kikopott térfogatt

49 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Eredmények Tribológiai eredmények: súrls rlódási együtthat ttható Súrlódási együttható 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 G1 0, Ciklusok száma 5N 15N Súrlódási együttható 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 G5 5N 15N 0, Ciklusok száma Súrlódási együttható 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 5 N 0,2 Monolitikus Si 3 N 4 0,1 CNT-Si 3 N 4 0, Ciklusok száma A súrls rlódási együtthat ttható értékek 0,26 0,58 között k változnakv A csúsz szási si úthossz növekedn vekedésével vel nőn a súrls rlódási együtthat ttható értéke, a legtöbb esetben megjelenik az állandósult állapot A monolitikus és s CNT tartalmú minták k súrls rlódási együtthat tthatóinak értéke nem tér t r el szignifikánsan nsan

50 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Eredmények Tribológiai eredmények: uralkodó kopási mechanizmus 1. Rideg törés t által kontrollált lt kopási mechanizmus / abrazív v kopás s 5 N terhelőer erő esetén G4 minta 5 N kopásnyom G1 minta 5 N kopásnyom Grafit kitöredez redezés s a kopásnyomban Kitöredez redezés Kopási törmelék 50μm 2. Képlékeny alakváltoz ltozás által kontrollált lt kopási mechanizmus 10 N és 15 N terhelőer erő esetén G4minta10N kopásnyom Képlékenyen alakváltozott ltozott rétegek a kopásnyomban és s a grafit kitöredez redezések körül G2 minta 15 N kopásnyom Oxid elkent réteg r keletkezett a kopásnyomban

51 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK A jövőj CETR UNMT-1 1 többfunkcit bbfunkciós s moduláris felületvizsg letvizsgáló berendezés s alkalmazása Tribológiai modul Felületelemző / Nanoanalyser modul Erőmérő cella AFM tűt Tárgyasztal Szerszám m befogó 350 C-ig fűthető kemence, benne tárgyasztal Optikai mikroszkóp

52 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK A jövőj lineáris körmozgás Mozgás típusa egyirányú, de mindkét irányban indítható kétirányú egyirányú, de mindkét irányban indítható köríven alternáló csiga vonal CETR UNMT-1 1 tribológiai modul Vizsgálati sebesség mm/s. 0, rpm Hőmérséklet szobahőmérséklet/növelt hőmérséklet, max. 350 C Normál irányú erő 5 mn - max. 100 N (kenőanyag alkalmazása nélkül), ill. max. 200 N (kenőanyaggal) Szerszámok - golyók (rozsdame ntes acél, krómacél, réz, zafír, volfrámkarbid) - hengeres pin, (rozsdame ntes acél) - Vickersfej súrlódási erő súrlódási együtthat ttható érintkezési pont hőmérsh rséklete elektromos érintkezési ellenáll llás nyomaték nyomás és s hőmérsh rséklet eloszlás s a felületen leten és s mindezen fizikai paraméterek időbeli változv ltozása a csúsz szási si úthossz, vagy a választott időtartam alatt

53 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK A jövőj CETR UNMT-1 1 felületelemz letelemző modul Felületi leti tulajdonságok meghatároz rozása Mérendő jellemző nanokeménys nység nanokarc lokális lis rugalmassági gi modulus Terhelőer erő maximum 0,1 N Szerszám gyémánt nanoindenter, Berkovich fej A vizsgálatok kimeneti paraméterei nanokeménység értékek GPa értéktartományban bevonatok/ evonatok/nanorétegek kritikus/átszakad tszakadási si terhelése szubsztrát hatást stól l független f modulusmérés felületi leti rugalmassági gi modulus értékek GPa tartományban keménység és s rugalmassági gi modulus térképek Szubsztrát hatástól független modulusmérés (N. Gitis, th International Conference Coatings in Manufacturing Engineering)

54 KOPTATÓ VIZSGÁLATOK A jövőj CETR UNMT-1 1 felületelemz letelemző modul Képalkotás s a felületr letről Üzemmód Letapogatott felület let Letapogatási erő Letapogatási frekvencia Szkennelt kép felbontása félig érintkező, tapogató µm z irány nyú max.. tűelmozdult elmozdulás: 1,5 nm 10 µn 15 khz xy: : 10 nm z: : 1 nm Karc morfológia elemzése Nano keménységmérés lenyomatok elemzése Felületi érdességi paraméterek meghatározása

55 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, sok, feladatok Kihívás: műszaki kerámi miák k dinamikus törési t szívósságának meghatároz rozása különfk nféle módszerekkel, m az eljárások összehasonlításasa Specialitások sok: újszerű vizsgálati módszer: m műszerezett m ütővizsgálat újszerű kiegész szítő technika: elektro-emisszi emissziós törési idő meghatároz rozás újszerű vizsgálati elv: törésmechanikai jellemző meghatá- rozása bemetszetlen próbatesten Feladatok: a kerámi miák K Id értékének számítására szolgáló összefüggések és s vizsgálati módszerek m összehasonlításasa a fraktográfiai fiai módszerm alkalmazhatóságának igazolása a dinamikus törési szívóss sság g meghatároz rozásárara a mért törési szívóss sság értékek összevetése se és s a különfk nféle módszerek alkalmazhatóságának összehasonlításasa

56 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények Módszer: műszerezett ütővizsgálat Berendezés: CEAST 25/15/2 (Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék,, AnyagvizsgA nyagvizsgáló Laboratóriu rium) A mérőrendszer részei Nyúlásmérő EE kondenzátor

57 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények Vizsgálati anyag (gyárt rtó: : MTA MFAKI): összetétel: tel: 90% Si 3 N 4 ; 4% Al 2 O 3 ; 6% Y 2 O 3 gyárt rtási eljárás: kétlk tlépcsős s gáznyomg znyomású szinterelés Próbatestek batestek: geometria: négyszn gyszög g keresztmetszetű hasáb névleges méretek: m 4,9 mm x 3,2 mm x 49 mm mérési sorozatok: bemetszetlen (A1 és s B pozíci ció) bemetszett (a/w=0,5; A2 pozíci ció) Poz.. A1 és s A2: L S = 40 mm Poz.. B: L S = 38 mm

58 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények Az alkalmazott kalapács ütési energiája Vizsgálati hőmérsh rséklet 22 C ± 3 C Vizsgálati közegk Vizsgálati sorozat bemetszetlen bemetszett Pozíci ció 2 J levegő v 1 = 2,88 m/s v 2 = 2,10 m/s v 3 = 0,78 m/s A1 B A2

59 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmk lmények A t F törési idő meghatározása elektro-emissziós technika! Alapelve: a törés s pillanatában: a mikroszerke- zeti változások miatt a környezk rnyező elektromos mező megváltozik fémes anyagoknál: mindig fellépő jelenség polimerek és s kerámi miák k esetében: csak bizonyos anyagoknál Az alkalmazás s feltételei: telei: a technika t (eszköz) z) rendelkezésre állása megfelelő,, azaz "elektromosan aktív" anyagminőség EE kondenzátor R C E

60 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK A vizsgv izsgálat informáci ció tartalma F-t t diagram F max Erő, kn Diagram : erő-id idő (F-t ) erő-elmozdul elmozdulás s (F-s( ) F max : az instabil repedésterjed sterjedés kezdetéhez tartozó erő Force, Erő, kn 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,4 t, ms 1 vt () v t Ftdt () F-s s diagram 0-0,2-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 s, mm E max t f t () () s t m t0 t0 s max v t dt KV E max K Id R TPB,d E d s max t f : ütési energia : maximális törési t energia : dinamikus törési t szívóss sság : dinamikus hajlítószil szilárdság : dinamikus Young modulus : maximális behajlás : teljes törési t idő

61 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Elméleti leti hátth ttér A K Id dinamikus törési t szívóss sság meghatároz rozásának lehetőségei kerámi miáknál Műszerezett ütővizsgálattal kvázistatikus összefüggéssel ütési válaszgv laszgörbe módszerrelm dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerrelm Fraktográfiai módszerrel m törtt rténő becslés kvázistatikus egyenletből l származtathat rmaztatható empirikus összefüggés s alapján

62 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Elméleti leti hátth ttér Kvázistatikus összefüggés A K Id törési szívóss sság g meghatároz rozása kvázistatikus összefüggéssel Az alkalmazhatóság g feltétele: tele: a tönkremeneteli t folyamat kvázi zi-statikus jellegű legyen (ekkor: F max az instabil repedésterjed sterjedés kezdetéhez tartozó erő) csak bizonyos terhelési sebességhat ghatárig (a jelentős erő-oszcill oszcillációk k miatt) Számítás s [ISO/DIN 15732, ASTM C ]: 1/2 a F L 3 a/ W 3/2 max S KId g W B W 3/2 2 1 a/ W F max a maximális terhelőer erő a a kezdeti repedéshossz L S, B, W geometriai paraméterek g(a/w) geometriai függvf ggvény

63 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Elméleti leti hátth ttér Ütési válaszgv laszgörbe módszerm Az ütési válaszgv laszgörbe módszer m Az alkalmaza lkalmazás feltétele: tele: előzetesen meghatározott mester-görbe rbe megléte az adott anyagminőségre gre a törési t idő ismerete Számítás [Kobayashi et al , 1987]: K Rv t Id 0 R egy adott gép g compliance-re vonatkozó konstans v 0 az ütési sebesség t F, s 50 t" = f (t ( ) az időparam paraméter, amely t segíts tségével megadható: 2 t tf 1 0,62 a0 / W 0,5 4,8 a0 / W 0,5 10 K Id, MNm -3/2 v = 3,7 m/s v = 2,88 m/s v = 1,66 m/s v = 0,7 m/s 5

64 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Elméleti leti hátth ttér Dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerm A dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerm Alkalmazhatóságának feltétele: tele: a törési t idő ismerete Számítás s [Böhme[ 1990, 1995, 2001]: K K k Id qs I dyn 3 E L Y a / W K v t k t t S 0 dyn Id 3/2 * 0 F F 2 W CS 1 Cm / CS E a próbatest rugalmassági gi modulusa L S a támaszkt maszköz Y(a 0 /W)) geometriai függvf ggvény a 0 a kezdeti repedéshossz W a próbatest vastagsága ga C S* dimenzió nélküli li próbatest compliance C m gép compliance C S bemetszett próbatest compliance v 0 ütési sebesség t F törési idő k dyn dinamikus kulcsfüggv ggvény ha 0 < t F < 9,2W / c 1, akkor k dyn = f (c 1, t F, W) ha t F > 9,2W / c 1, akkor k dyn = 1 c 1 a longitudinális lis hullámok terjedési sebessége a próbatestben

65 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Elméleti leti hátth ttér Fraktográfiai módszer Fraktográfiai módszerm Alkalmazási sajátoss tosságai: bemetszetlen (!) próbatest a hiba: meglévő,, valós s anyagfolytonossági gi hiba (pórus, repedés) a kiért rtékelés s alapja: a Griffith elmélet let Számítás s [ASTM C a, ENV 843-6:200x]: K Ic Y a f 1/2 σ f a törési t feszülts ltség g (meghatároz rozása: az A1 és s B pozíci ciójú, bemetszetlen próbatesteken) Y a hibaalak tényezt nyező a a törés t s kiinduló hibahelyének jellemző mérete

66 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Kvázi zi-statikus összefüggés A kvázi-statikus összefüggés alkalmazásának problémája Bemetszetlen, v = 0,776 m/s Bemetszetlen, v = 2,875 m/s 1 0,8 Próbatest Próbatest: jele: ,8 Próbatest: jele: Erő, Force, kn kn Force, kn 0,6 0,4 0,2 0-0,1-0,2 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Force, Erő, kn kn Force, kn 0,6 0,4 0,2 0-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7-0,2-0,4 t, ms -0,4 t, ms t, ms t, ms Erő, Force, kn kn Force, kn 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0-0,02-0,04 Bemetszett, v = 0,776 m/s F max = F i,u Próbatest Próbatest: jele: ,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 t, ms t, ms Force, Erő, kn kn 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Bemetszett, v = 2,875 m/s F max = F i,u Próbatest Próbatest: jele: ,1-0,2-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 t, ms t, ms

67 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Törési idő Az anyag elektro-emisszi emissziós (EE) aktivitásának vizsgálata Kapcsolat az EE-jel és s az F-t diagram közöttk Bemetszetlen próbatest, v = 0,78 m/s Bemetszett próbatest, v = 0,78 m/s 0,6 F, kn 0,5 0,4 F-t EE-t 0,3 0,2 0,1 0-0,0002-0,0001-0,1 0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004-0,2 t, ms -0,3 t F 1,4 F, kn 1,2 1 F-t 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0, , ,2 0, , , , , , ,4 t, ms -0,6-0,8 EE-t -1-1,2-1,4 t F Az adott Si 3 N 4 kerámia mia: elektro-emisszi emissziós aktivit ivitást mutat, a törési t idő (t F ) meghatározhat rozható a dinamikus kulcs-görbe DKC módszer m alkalmazható

68 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerm A dinamikus kulcs-görbe (DKC( DKC) módszerrel meghatározott K Id értékek Vizsgált jellemzj ellemző Vizsgálati körülmk lmények: K Ic, MPa m 1/2 K Id, MPa m 1/2 Ütési sebesség, v,, m/s ~ 0 m/s 0,78 m/s 2,88 m/s a K Id meghatároz rozásakor: 6,81 4,51 3,00 próbatest: bemetszett 7,87 4,75 3,81 pozíció: : A2 7,51 3,60 2,05 a K Ic értékek: 7,55 4,73 2,07 bemetszetlen, azonos próbákon a gyárt rtó által mért adatok 3,03 Átlag, MPa m 7,43 4,40 2,79 Szórás, MPa m 1/2 0,45 0,54 0,74 Variancia együtthat ttható,, % 6,00 12,30 26,60 A DKC módszerrel m meghatározott dinamikus törési t szívóss sság g a sebesség g növeln velésével egyértelm rtelműen en csökken kken. Az z adott anyagra és s sebességekre a szakirodalommal egyező eredmény nyek.

69 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Fraktográfiai módszer A törés t s jellemző kiindulási pontjai: egyedi, felszínhez közeli k pórusokp c a c 2a 2a 2c ~5µm ~20µm ~20µm Az Y hiba alaktényez nyező és s az a hibaméret meghatároz rozása ASTM C b szerint Térfogati kiindulópontok Alak Y(c/a) Felszíni kiindulópontok Alak Kör,, c/a = 1 1,13 Félkör,, c/a = 1 Ellipszis zis,, c/a = 1,4 1,26 Félellipszis,, c/a = 1,4 Ellipszis zis,, c/a = 2 1,47 Félellipszis,, c/a = 2 Y(c/a) Közép: : 1,17 Felszín: : 1,29 Közép: : 1,39 Felszín: : 1,29 Közép: : 1,59 Felszín: : 1,24 Hosszú ellipszis zis,, c/a>>4 1,77 Hosszú ellipszis zis,, c/a>>4 Közép: : 1,99 Húzott felület ~20μ m

70 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények Fraktográfiai módszer v m/s 0,78 Pozíci ció és No. σ max 2c 2a Y c / a K Id, frak K Id átlag MPa μm μm MPa m 1/2 MPa m 1/2 A ,7 21,0 1,47 2,13 3,20 A ,0 41,0 1,59 2,00 3,94 A ,0 31,0 1,59 2,10 3,75 B ,0 53,0 1,59 1,77 3,36 2,10 B ,0 31,0 1,59 2,32 2,89 2,88 A fraktográfiai fiai módszerrel m meghatározott jellemzők hiba alaktényez nyező (Y); hibageometria (c/a); din. törési t szívóss sság g (K( Id A ,2 33,7 1,26 1,37 3,32 A ,3 10,7 1,77 3,67 2,24 A ,5 25,0 1,13 1,30 2,44 Id,frakt frakt.) 3,56 2,66 A dinamikus törési szívósság sebességfüggése a fraktográfiai módszernél is egyértelműen megfigyelhető!

71 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények A dinamikus kulcs-görbe (DKC) és a fraktográfiai módszerek grafikus összehasonlítása Statikus képlet DKC módszer Fraktográfia Stat.& DKC átlagok Stat.& Fraktog. átlagok Dinamikus kulcs-görbe módszer Fraktográfia Ütési sebesség, m/s

72 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Eredmények A dinamikus kulcs-görbe (DKC) és a fraktográfiai módszerek számszerű összehasonlítása Vizsgálati módszer Egyoldalon bemetszett próbatest vizsgálata Műszerezett ütővizsgálat Műszerezett ütővizsgálat Kiért rtékelési módszer Kvázistatikus összefüggés Dinamikus kulcs-görbe módszer Fraktográfia Jellemző K Ic K Id K Id Statisztikai jellemző Átlag, MPa m 1/2 7,43 Szórás, MPa m 1/2 0,45 Variancia együtthat ttható,, % 6,0 Adatok száma 4 Átlag, MPa m 1/2 Szórás, MPa m 1/2 Variancia együtthat ttható, % Ütési sebesség, v, m/s 0 0,78 2,10 2,88 4,40 2,79 1/2 0,54 0,74, % 12,3 26,6 Adatok száma 4 5 Átlag, MPa m 1/2 Szórás, MPa m 1/2 Variancia együtthat ttható, % 3,56 2,89 2,66 1/2 0,34, % 9,6 Adatok száma 4 1 3

73 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Megállap llapítások, következtetk vetkeztetések I. Műszerezett ütővizsgálat, bemetszett próbák A vizsgált Si 3 N 4 kerámia törés t s közben k elektro- emissziós aktivitást mutat.. Ez lehetőséget ad a t F törési idő meghatároz rozásárara nagy ütési sebességű vizsgálatok vagy bemetszett próbatestek esetén n is. A t F törési idő ismeretében a K Id dinamikus törési t szívóss sság g a dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerrel az adott kerámi miára meghatározhat rozható. A módszert m alkalmazva az ütési sebesség növelé- sével a K Id törési szívóss sság értékek csökken kkenését figyeltük meg. A mérési m eredmények a szakirodalommal jó egyezést mutatnak.

74 DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSS SSÁG G VIZSGÁLATOK Megállap llapítások, következtetk vetkeztetések II. Műszerezett ütővizsgálat, bemetszetlen próbák és fraktográfiai fiai módszer A fraktográfiai fiai elemzéssel kiegész szített műszerezett m ütővizsgálat alkalmas a K Id törési szívóss sság gyors és s egyszerű becslésére bemetszetlen Si 3 N 4 próbatestek batesteken. en. A fraktográfiai fiai módszerrel m bemetszetlen mintákra kapott eredmények mind a számszer mszerű értékek, mind a sebességf gfüggés s tekintetében jó egyezést mutattak a bemetszett próbákra DKC módszerrel m meghatáro ro- zott K Id értékekkel. A bemutatott új j mérési m módszer m alkalmas a költsé- ges és s hosszadalmas törésmechanikai t vizsgálatok mérőszámainak megbízhat zható ellenőrz rzésére. re.

75 ÖSSZEGZÉS A meghatározott anyagi mérőszámok megbízhat zhatóan an használhat lhatók az élettartam gazdálkod lkodás s feladatainak (tervezés, vagy üzemeltetés: műszaki-kritikai kritikai értékelés) megoldásában.

76 A kutató munka a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részekr szeként folytatódik, amely az Új Magyarország g Fejlesztési si Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszt rsfinanszírozásával valósul meg. 76/50

77 SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK INTEGRITÁSÁNAK NAK MEGÍTÉLÉSÉHEZ ME Köszönjük a figyelmet! 6. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Szakmai Szeminárium (6. AGY) Cegléd, június j