1 Mechanikai anyagvizsgálatok.

Átírás

1 1 Mecanikai anyagvizsgálatok. 1.1 Szakítóvizsgálat A vizsgálat elve: Az S kiinduló keresztmetszetű és L kezdeti osszúságú próbatestet egytengelyű úzó igénybevétellel adott sebesség mellett addig nyújtunk, ameddig be nem következik a szakadás. A vizsgálat során mérjük a terelés változását a darab nyúlásának függvényében. Egy jellegzetes szakító-próbatest képe látató az 1.1 ábraábrán. 1.1 ábra Egy engeres szakító-próbatest kialakítása A vizsgálat során regisztráljuk az összetartozó erő-elmozdulás értékeket. Egy lágyacélra jellemző szakítódiagramot mutat az 1. ábra, N m eh u el I. II. III. L, mm 1. ábra Egy jellegzetes szakító diagram

2 A diagram az alábbi szakaszokra bontató: I. Rugalmas alakváltozás A terelés megszűnése után a darab visszanyeri eredeti alakját. II. Egyenletes alakváltozás A képlékeny deformáció a mérőossz minden pontján azonos mértékű III. Kontrakció A képlékeny deformáció egy szűk tartományra korlátozódik. A 1.3 ábra mutatja az egyes szakaszokoz tartozó próbatest geometriákat. 1.3 ábra A deformálódott próbatest alakja az egyes jellegzetes szakaszokban Szabványos mérőszámok eszültségi jellemzők Alsó folyásatár: N R el 1.1 el S mm első folyásatár: N R eh 1. eh S mm A képletekben S a próbatest eredeti keresztmetszete, az egyes erők értelmezését a 1.4 ábra mutatja.

3 3 eh el 1.4 ábra A folyásatár értelmezéséez tartozó erők Terelt állapotban mért egyezményes folyásatár: R p. p. S N mm Az p. erő értelmezését az 1.5 ábra mutatja. 1.3 l l 1. % l 1 l 1.5 ábra Az p. erő értelmezése Névleges folyásatár: R t.5 S t.5 N mm Az t. 5 erő értelmezését a 1.6 ábra mutatja. 1.4

4 4 l l.5% l l 1.6 ábra Az t. 5 erő értelmezése Tereletlent állapotban mért egyezményes folyásatár: R r. S r. N mm Az r. erő értelmezését a 1.7 ábra mutatja. 1.5 l l.5% l 3 l 1.7 ábra Az r. erő értelmezése Szakítószilárdság Az N R m 1.6 m S mm Rm erő értelmezését a 1.8 ábra mutatja.

5 5, N m eh u el I. II. III. L, mm Alakváltozási jellemzők Százalékos keresztmetszet-csökkenés: S Z 1.8 ábra Az m erő értelmezése Su % S Aol S a próbatest eredeti, Su a próbatest törés utáni keresztmetszete. Százalékos szakadási nyúlás: Jelölésük: Lu L A 1 % a L = 5 d L 1.8 Lu L A % a L = 1 d L 1.9 Mecanikai jellemzők Mérnöki rendszer eszültségek: Lu L A8 1 % a L = 8 mm L M N S mm

6 6 Alakváltozások: l l S 1 aol l egy tetszőlegesen rövidre választott l S 1.1. mérőossz pillanatnyi, míg l ugyanannak eredeti ossza és S a próbatest pillanatnyi keresztmetszete Valódi rendszer eszültségek: S N mm 1.13 Alakváltozások: l S ln ln l S ajlagos törési munka: W c u M d u d J cm Az integrálok a 1.9 ábra alapján értelmezetőek. - u - eszültség e m W m-u - u W e W e-m alakváltozás 1.9 ábra A fajlagos törési munka értelmezése A fajlagos törési munka közelítő megatározására szolgál az alábbi összefüggés: W c R m u J u cm

7 7 Kérdések: Definiálja az alsó folyásatár fogalmát, és dimenzióját. Definiálja a felső folyásatár fogalmát, és dimenzióját. Definiálja a szakítószilárdság fogalmát, és dimenzióját. Definiálja a kontrakció fogalmát. Definiáljon egy százalékos szakadási nyúlás fogalmat. Mekkora egy A 45% -os szakadási nyúlással rendelkező próbatest törés utáni mérőossza, a d = 1 mm volt? Mekkora egy A 38% -os szakadási nyúlással rendelkező próbatest 11.3 törés utáni mérőossza, a d = 1 mm volt? Definiálja a fajlagos törési munka fogalmát, és adja meg dimenzióját. 1. Keménységmérés Az anyag képlékeny alakváltozással, különösen valamely mérőszerszám beatolásával, szembeni ellenállását keménységnek nevezzük. A korai keménységmérő eljárások (18) a természetes ásványokon alapultak, még pedig azon a jelenségen, ogy a keményebb anyag karcolta a lágyabbat. Ezt a tulajdonságot sorba rakva az un. Mos skála adódik, amelynek tetején a gyémánt találató (keménység indexe 1), míg a skála alján a zsírkő elyezkedik el (keménység indexe 1). A bázisnak választott ásványokkal elvégezve a karcolási tesztet az adott anyag viszonylag egyszerűen besorolató volt két ásvány közé (az egyik ásványt az adott anyag már nem karcolta, a Mos skálán alatta elelyezkedő ásványt pedig már igen). A pontosabb mennyiségi vizsgálatok a későbbiek során alakultak ki, amelyek során adott geometriájú (nagy keménységű) mérőtest definiált körülmények között (erőatás, sebesség, időtartam) a mérendő anyagból készült próbatest felületébe kell nyomni. A mérőtest által okozott képlékeny alakváltozás nyomát lemérve, egyszerű összefüggéssel megatározató a keménységre jellemző számérték, amely relatív mennyiség, ami azt jelenti, ogy pontosan csak az azonos eljárással megatározott mennyiségek asonlítatók össze. A többi mecanikai anyagvizsgálatoz képest a keménységmérő eljárásokat többször asználjuk mivel Egyszerű, viszonylag olcsó eljárásokról van szó és a próbatest előkészítése nem igényel különleges módszert. Alapvetően roncsolásmentes eljárásokról van szó, mivel a keménységmérés minimális felületi nyomot agy a darabok felületén. Más mecanikai tulajdonságok is leszármaztatatók a keménységmérési adatokból. A keménységmérő eljárásokat az alábbiak szerint csoportosítatjuk: Statikus mérések: Brinell, Vickers, Knoop, Rockwell eljárások Dinamikus mérések: Poldi kalapács, szkleroszkóp, duroszkóp alkalmazása Különleges mérések: Műszerezett mérés

8 Statikus mérések Brinell eljárás A keménységmérés során keményfémből készített golyót kell erővel a próbatest előkészített és síknak tekintető felületébe nyomni (1.1 ábra). A mérőszerszám által okozott lenyomatról feltételezető, ogy egy gömbsüveg. A Brinell-keménységmérés mérőszáma a terelőerő és a lenyomat felületének a ányadosa HBW (1.17) D aol D- golyóátmérő, - gömbsüveg magassága. Mivel a fenti keménységdefiníció megfogalmazásakor a geometriai adatokat mm-ben az terelőerőt kp-ban mérték (ma N-ban) az azóta eltelt időszakban óriási adatmennyiség almozódott fel, és azért ogy a régebben és a ma mért adatok könnyen összevetetők legyenek a fenti képlet ma asználatos alakja.1.4 HBW D D D D d (1.18) aol d - a lenyomatátmérő mm-ben.. A vizsgálattal foglalkozó szabványok pontos előírást tartalmaznak a mérésez asznált golyók méretére (1-1 mm), a terelő erőre (9.87N kn), a vizsgálat időtartamára a próbatest minimális vastagságára vonatkozóan. Ezeket az adatokat könyvünk nem tartalmazza. D d 1.1 ábra Brinell mérés elrendezése 1.11 ábra Vickers mérés elrendezése A Brinell mérés során azonos anyag vizsgálatakor is különböző számértéket kapatunk eredményül. Jellegzetes a terelőerőnek a mérés eredményére gyakorolt atása.(1.1 ábra). Egy megadott átmérőjű golyóval különböző nagyságú erővel végezve a kísérleteket, a kapott lenyomatok és a terelő erő közötti kapcsolat

9 9 n ad (1.19) alakban adódik, amelyet Meyer-féle atványtörvénynek nevezünk. Az a és n paraméterek, anyagtól függő állandók. A kísérleti eredmények alapján n értéke különböző anyagokra különböző és általában közé adódik. Az erő kifejezését az (1.18) egyenletbe elyettesítve az alábbi egyenletet kapjuk HBW D D.4 n D a (1.) amiből nyilvánvaló, ogy az érték nem esik ki az egyenletből, teát a keménység értéke az erőtől függő érték. Amiatt, ogy egyértelmű legyen a keménység megadása a számértéket a HBW/ D golyóátmérő [mm]/ terelőerő [kp] / t terelés időtartama [sec] követi. A többi eljárással összeasonlítva a Brinell módszernél keletkezik a legnagyobb (mély és széles) lenyomat. Ennek megfelelően a mérési eredmény mintegy átlagolja a lenyomat alatt elelyezkedő anyag keménységét. Tipikusan öntöttvasak, színes-és könnyűfémek valamint ötvözeteik, továbbá lágyacélok vizsgálatára alkalmazzák. 6 5 Cr-Ni acél HBW 4 3 Acél 1 Alumínium terelés kn 1.1 ábra A Brinell keménység értékének változása a terelőerő függvényében Mivel a keményfémet szúrószerszámként viszonylag nem régóta asználják és nagyon sok elyen még acélgolyót is alkalmaznak, ezért ebben az esetben a Brinell mérőszámot HBS-sel jelöljük (S - steel, acél). Vickers eljárás A Vickers eljárásnál (1.11 ábra) alkalmazott szúrószerszám gyémántgúla, amelynek lapszöge 136-os.A keménység mérőszámának definíciója asonlít a Brinell keménységéez és számszerű értékét a következő összefüggés adja HV A d (1.1)

10 1 aol - terelő erő N - ban, A-lenyomat felület mm -ben, d - lenyomat átlója mm-ben ( d d1 d / ). A Brinell keménységméréssel összeasonlítva a Vickers eljárás során alkalmazott terelőerő jóval kisebb (9.81 N N), mint a másik eljárásnál, ennek megfelelően a lenyomat is kisebb. Emiatt a lenyomat leolvasásáoz 5-1 szoros nagyítású mikroszkópra van szükség, és a mérés előtt gondosan elő kell készíteni a felületet. A Meyer törvény a Vickers mérés esetén is érvényes, csak a golyóátmérő elyett a lenyomatátlót kell a képletbe elyettesíteni. Mivel az n kitevő nagyon közel van a kettőöz, emiatt a Vickers keménységi érték gyakorlatilag független a terelő erőtől. A pontos keménységmegadásoz a számértéket követően a HV/terelőerő [kp]/mérési időtartam [sec] adatokra van szükség. Ez az eljárás a Brinell keménységgel szemben, sokkal inkább a vizsgált anyagi környezet lokális jellemzőjét szolgáltatja. Mindenféle anyagminőségez asználató. A fentiekez képest még kisebb terelőerő tartományokban (1.961 < 49.3 N és.987 < N) kialakították, az un. mikrokeménység mérést, amellyel az anyag mikroszerkezeti jellemzői atározatók meg (pl. szemcse keménység, egymás melletti eltérő fázisok keménysége) illetve nagyon vékony réteg mecanikai tulajdonsága vizsgálató. Mikrokeménység mérésnél a keménység érték mellett fontos megadni az alkalmazott terelés nagyságát, HV jelet követően kp-ban, valamint a mérési időtartam értékét sec-ben kifejezve ábra Knoop mérés elrendezése 1.14 ábra Rockwell mérőtestek Knoop eljárás Egy másik mikrokeménységmérő eljárás a Knoop keménységmérés, amelynél szintén gyémánt gúlát asználnak. A mérőelem alakja az 1.13 ábrán látató. A gúla élei páronként 13 és kal ajlanak egymásoz. A lenyomat vetülete egy olyan rombusz, amelynek osszabbik átlója 7.11-szer nagyobb, mint a rövidebbé. A keménységi mérőszámot változatlanul a terelő erő/lenyomat felület definíciónak megfelelően atározzuk meg HK A l (1.) aol - terelő erő N - ban, A-lenyomat felület mm -ben, l - lenyomat osszabbik átlója mmben. A mérésnél alkalmazott maximális erő 9.87 N. A keménységi mérőszám megadását követően a HK jelet valamint a terelő erőt kp-ban és a mérési időtartamot sec-ban kifejezve kell megadni. A megbízató mérés a felület gondos előkészítését kívánja meg. A Vickers és Knoop mikrokeménységmérő eljárásokat összeasonlítva a következők állapítatók adott terelés és anyag esetén: a Vickers mérőtest kb kétszer mélyebbre atol az anyagba mint a Knoop mérőtest

11 11 a Vickers lenyomat átlójának ossza a kb. armada a Knoop lenyomat nagy átlójának a Vickers eljárás kevésbé érzékeny a próbatest felületi minőségére, mint a Knoop eljárás a Vickers eljárás jobban érzékeny a mérési ibákra, mint a Knoop eljárás a Knopp eljárás alkalmasabb nagyon kemény, rideg anyagok vizsgálatára (pl. kerámia, üveg) mint a Vickers eljárás a Knopp eljárás alkalmasabb elnyújtott mikroszerkezeti jellemzőkkel (szemcse, szövetelem) rendelkező anyag vizsgálatára, mint a Vickers eljárás. Rockwell eljárás A Rockwell eljárás a mérés egyszerűségével tűnik ki a többi eljárás közül. Nincs szükség a felületi lenyomat geometriájának megatározására, a szúrószerszám beatolási mélysége van közvetlenül kapcsolatba ozva a keménységi számmal. A próbatest felületi előkészítésével kapcsolatban kisebbek a követelmények, mint az előző eljárásoknál volt. A mérőelem kétfajta kialakítású (1.14 ábra). Az egyik 1 -os csúcsszögű gyémántkúp, a másik edzett acél vagy keményfém golyó, amelynek átmérője az eljárás típusától függ. Mindegyik eljárás az előtereléssel kezdődik ( ) ami biztosítja, ogy a felületet nem kell gondosan megmunkálni, majd ezt követi a főterelés ( 1 ) ami a mérőelem további benyomódását okozza. A mérés utolsó fázisában a főterelést meg kell szüntetni, aminek következtében a mérőtest az előző pozíciójából visszarugózik (1.15 ábra). A benyomódási és visszarugózási folyamat egy a keménységre kalibrált mérőórával követető ábra Rockwell keménységmérés lefolytatásának elvi vázlata 1- a lenyomat mélysége az előterelésnél; - A lenyomat mélysége az 1 főterelésnél; 3- a rugalmas visszarugózás az 1 főterelés levétele után; 4- a maradó lenyomat mélysége; 5- a mintadarab felülete; 6- a mérés referencia síkja A Rockwell keménység mérőszáma a maradó benyomódás mélysége, mm-ben, vagy,1 mm-ben kifejezve. Ha a keménység mérőszámát a benyomódással kapcsolnánk közvetlenül össze, akkor a lágyabb anyag nagyobb mérőszámot eredményezne, mint a keményebb anyag és ez ellentétes lenne az eddigi keménységi mérőszámokkal. Ezért egy kellően megválasztott számból kell kivonni a benyomódás értékét aoz, ogy megfelelő mérőszámot kapjunk. A keménység értéke a benyomódást mérő óra megfelelő skáláján közvetlenül leolvasató. A különböző eljárások összefoglaló adatai a 1.1 táblázatban találatók. Keménységi jel 1.1 Táblázat Rockwell eljárások adatai Szúrószerszám Előterelés N őterelés N Keménység

12 1 HRA Gyémánt kúp 98,7 49,3 1. HRB Golyó 1,5875 mm 98,7 88,6 13. HRC Gyémánt kúp 98, HRD Gyémánt kúp 98,7 88,6 1. HRE Golyó 3,175 mm 98,7 88,6 13. HR Golyó 1,5875 mm 98,7 49,3 13. HRG Golyó 1,5875 mm 98, HRH Golyó 3,175 mm 98,7 49,3 13. HRK Golyó 3,175 mm 98, HR15N Gyémánt kúp 9,4 117,7 1.1 HR3N Gyémánt kúp 9,4 64,8 1.1 HR45N Gyémánt kúp 9,4 411,9 1.1 HR15T Golyó 1,5875 mm 9,4 117,7 1.1 HR3T Golyó 1,5875 mm 9,4 64,8 1.1 HR45T Golyó 1,5875 mm 9,4 411,9 1.1 A golyót asználó skáláknál acél golyó esetén S, míg keményfém golyó esetén W betűvel kell a keménységi jelet kiegészíteni. Az egyes Rockwell eljárások különböző alkalmazási területei a 1. táblázatban vannak összefoglalva. Eljárás HRA HRB HRC HRD HRE HR 1. táblázat Rockwell eljárások alkalmazási területei Alkalmazási terület Vékony acéllemezek, vékony kérgek, cementált rétegek Lágyacélok,réz és alumínium ötvözetek, temperöntvények Acélok, cementált acélok, titán ötvözetek, öntöttvasak, perlites temperötvények Vékony acéllemezek, cementált acélok, perlites temperötvények Öntöttvasak, alumínium és magnézium ötvözetek, csapágyfémek Lágy rézötvözetek, vékony, lágy lemezek

13 13 HRG HRH HRK HRN HRT oszforbronzok, berilliumbronzok, temperöntvények Alumínium, cink, ólom Csapágyfémek, nagyon lágy anyagok Ugyanaz mint az A,C és D skáláknál, de vékonyabb rétegekez Ugyanaz mint a B, és G skáláknál, de vékonyabb rétegekez 1.. Dinamikus mérések Gyors, lökésszerű erőatással végzett méréseket ivjuk dinamikus eljárásoknak. Az egyik csoportba tartozó eljárások alapvetően nem különböznek a szúrókeménységi módszerektől, mivel ebben az esetbe is a benyomódás következtében létrejött képlékeny alakváltozásból atározzák meg a mérőszámot. Legelterjedtebben alkalmazzák a Brinell keménységmérésen alapuló Poldi eljárást. A mérés lényege, ogy a mérendő tárgy keménységét egy ismert keménységű etalonnal való összeasonlítás alapján atározzák meg oly módon, ogy azonos nagyságú erő at a próbatestre és az etalonra egyaránt. A mérés vázlata az 1.16 ábrán látató, aol a Poldi kalapács acélgolyót tartalmaz. A mérés kiértékelése az alábbi egyenlet alapján végezető el HB x d (1.3) e HBe d x aol HBx, HBe a próbatest és az etalon keménysége, dx, de a próbatest és az etalon lenyomatának átmérője ábra Poldi kalapács 1.17 ábra Szkleroszkóp 1.ejtősúly,.üvegcső, 3.libella, 4.próbatest A dinamikus keménységmérési eljárások másik csoportja a rugalmas visszaatás elvén alapul. Az egyik berendezés a szkleroszkóp (1.17 ábra) amelynek alkalmazása során egy gyémántfejjel ellátott kistömegű engert ejtenek a vizsgálandó darab felületére egy függőleges csőben. A cső falán látató skálán mérető a darabról visszapattant enger pozíciója. A szerszám gyakorlatilag nem agy nyomot a munkadarab felületén. A mérendő tárgy tömege jelentősen befolyásolja a mérés eredményét,. Minél kisebb a vizsgálandó darab tömege, annál nagyobb esély van arra, ogy a leeső szerszám rezgést keltsen a munkadarabban, csökkentve a

14 14 visszapattanás energiáját. Ezért alapvetően nagytömegű tárgyak vizsgálatára alkalmazzák ez az eljárást. A duroszkóp mérési elrendezése látató a 1.18 ábrán. A vizsgálat kezdetén a mérőkalapács a felső pozícióban elyezkedik el, adott elyzeti energiával rendelkezve. A kalapácsot a mérendő darab felületére ejtve, a visszapattanás szöge jellemzi az anyag keménységét. A próbadarab tömege és a vizsgált felület érdessége befolyásolja a mérés eredményét ábra Duroszkóp 1. mérőkalapács,. doboz, 3. próbatest, 4. mutató 1..3 Különleges mérések Műszerezett keménységmérés Az eddig ismertetett eljárások során a mérőszerszám és az anyag kölcsönatásának folyamata elyett csak a folyamat végeredményét elemeztük, mivel az eljárások nem adtak leetőséget a folyamat vizsgálatára. Az utóbbi évtizedekben kifejlesztettek olyan eljárásokat, amelyeknél az erő-benyomódás folyamatos regisztrálását leet elvégezni, és amely alapján komplexebb mérőszámokat atározatók meg. A műszerezett keménységvizsgálatnál villamos erőmérő cellával és útadóval folyamatosan mérik a terelő erőt () valamint az anyagba beatoló szúrószerszám rugalmas elmozdulását () és az így kapott adatokat számítógépes adatgyűjtő és feldolgozó rendszer segítségével kiértékelik. Egy jellegzetes erő benyomódási mélység diagram látató az 1.19 ábrán. A terelés alacsony szintje ( mn, N ) és a benyomódás kis értéke (nm) nagyon pontos regisztrálást igényel, és emiatt az eljárás eddig főleg laboratóriumi körülmények között asználató.

15 15 Erő N = p terelés teermentesítés =a(- ) m benyomódási mélység nm 1.19 ábra Erő-benyomódási mélység görbe műszerezett keménységmérésnél A görbe kiértékelése a mérési eredmény analitikus feldolgozásán alapul A terelés és teermentesítés egyenletei az alábbi alakban íratók fel. m p, a (1.4) aol, p és a, m a görbék illesztésére szolgáló paraméterek, a nanoindenter benyomódási mélysége teermentesített állapotban. A teermentesítési görbe kezdeti szakaszáoz ( max ) kapcsolató a vizsgált anyag rugalmassági modulusza. tan max aol A- a lenyomat felülete, egyenlettel számítató vi r E r A (1.5) Er redukált rugalmassági modulusz, amelynek értéke az alábbi (1.6) E E E i E és a próbatest, Ei és i a próbatest illetve az indenter rugalmas paraméterei. Az anyag keménysége, asonlóan a szúrókeménység definíciós egyenletéez az alábbi módon atározató meg. max H (1.7) A