Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

Átírás

1 Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Fémek szerkezete és tulajdonságai Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet

2 Vázlat Bevezetés Fémek alaptulajdonságai Mechanika Fémek terhelés alatti alakváltozása Deformáció Deformáció mechanizmus Összefoglalás Deformáció alaptípusai és jellegzetességei A fémek derormációjának mechanizmusa, diszlokáció, kontinuum mechanika Diszlokációk kölcsönhatásai és annak következményei 2

3 Bevezetés Csoportosítás, technológia Kiindulási anyag Alaptulajdonságok A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok Szerkezet Feldolgozás, Technológia Optimális tulajdonságok Az anyagok alaptulajdonságainak jellegzetességei Fémek Termék Beavatkozási Ellenőrzési Mérhető lehetőség lehetőség mennyiség 3

4 Bevezetés Fémek alaptulajdonságainak elhelyezkedése Nagy merevség, szívósság, sűrűség és vezetőképesség 4

5 Fémek A fémek legfontosabb tulajdonságai Szobahőmérsékleten szilárd anyagok Kivétel: Hg, Ga, Na Kiválóan alakíthatók A mechanizmus azonban nem triviális Jó elektromos vezetők Vajon mi okozza ezt a tulajdonságot? Jó hővezetők A tulajdonságok mindig az anyag felépítésétől és atomi jellegétől függ. De hogyan? 5

6 Fémek alakíthatósága Alapok Egy alkatrész elkészítéséhez a fémet alakítani kell Melegalakítás (T > T m /2) Öntés, présöntés, hideg-meleg hengerelés, kovácsolás Hidegalakítás (T < T m /2) Húzás, összenyomás, csavarás, hajlítás, forgácsolás Az alakváltozás sebessége széles határok között változik Technológia l vt v 1 10 v 10 t l t l l s o o o Hőmérséklet, munkamennyiség, ciklusszám??? A tulajdonságok függnek a megmunkálás folyamatától is nem csak a kialakított szerkezettől Rába teherautó hátsó tengelyhíd eleme

7 Fémek alakváltozása Feszültség megnyúlás görbe KÉPLÉKENY Nagy deformáció Összetett görbe Kettős folyáshatár (Cottrell felhő) RIDEG Kis deformáció Nagy merevség 7

8 Fémek deformációja Rugalmas nyújtás Jellemző paraméterek l lo F l 1 F E A l E A F A o E, o o o l l o l lo F l 1 F G A l G A, o o o A deformáció hangsebességgel (hullámszerűen) terjed a mintában A rácspontokban lévő atomok nem mozgathatók egyedileg A rugalmas állandó a rácspotenciáltól függ F A o G l l o Potenciális energia, U 0 E~ df dr E Távolság, r u 2 L r0 cr 8

9 Fémek tulajdonságai Merevség olvadáspont Mindkét mennyiség az fémrács atomjai között ható erő függvénye E ~ T m!!! 9

10 Fémek deformációja Anelasztikus deformáció Általában a rugalmas deformáció mellett fellép anelasztikus deformáció is Állandó deformáció mellett E t = σ t ε 0 Deformáció, E modulus σ feszültség ε 0 deformáció Kismértékű csökkenés (E) Feszültség, 0 Idő, t t 10

11 Fémek deformációja Anelasztikus deformáció Reális anyag állandó feszültség mellett Ideálisan rugalmas (a) Anelasztikus (b) Viszkoelasztikus (c) Lineáris Feszültség, D t = 1 E t D érzékenység = ε t σ 0 Deformáció, c) Kúszás b) a) a a k k Idő, t 11

12 Fémek deformációja Képlékeny deformáció Nagy terhelés mellett Maradó alakváltozás Fémek alakítási görbéje Fűtéscsövek deformációja Távvezeték problémája Acél: jó kúszási ellenállás, de rossz vezető Alumínium: jó vezető, de rossz mechanikai szilárdság Megoldás: Acélsodronyon körbetekercselt alumínium 12

13 Fémek deformációja A klasszikus egyenletek határa Elasztikus tulajdonságok (Hook törvény) Anelasztikus, relaxációs folyamatok Leírhatók klasszikus egyenletekkel (kontinuum mechanika, rácselmélet) Az egyenletek jól visszaadják a kísérleti adatokat Képlékeny alakváltozás Bonyolult Elmélet nem teljesen tisztázott Mechanizmus? Hőfejlődés (esetenként)? Egyedi jelenségek 13

14 Alakváltozás fémekben Elméleti szilárdság A fématomok egyensúlyi távolságának megváltoztatása σ = Eε 2σ = E 0,25r 0 r 0 = E 4 σ = E 8 A rácspotenciálból számítva σ E 15 14

15 Alakváltozás fémekben Kristálysíkok nyírása A legegyszerűbb mechanizmus τ = A sin 2π b x, τ A 2π b x = G x a A = G 2π b a G 2π τ max = G 2π τ mért ~ τ max Óriási különbség az elmélet és gyakorlat között Más mechanizmus kell diszlokációk Orován, Polányi és Taylor

16 Diszlokációk fogalma Rácshibák Éldiszlokáció Burgers vektor diszlokáció vonala Roesler, J., Harders, H., Baeker, M.: Mechanical behavior of engineering materials: Metals, Ceramics, Polymers and Composites. Springer, Berlin,

17 Diszlokációk fogalma Rácshibák Csavardiszlokáció Burgers vektor diszlokáció vonala Roesler, J., Harders, H., Baeker, M.: Mechanical behavior of engineering materials: Metals, Ceramics, Polymers and Composites. Springer, Berlin,

18 Diszlokációk mozgása Képlékeny alakváltozás mechanizmusa Kristálysíkok elmozdulása a diszlokációk mentén Roesler, J., Harders, H., Baeker, M.: Mechanical behavior of engineering materials: Metals, Ceramics, Polymers and Composites. Springer, Berlin,

19 Diszlokációk megfigyelése Diszlokációk okozta csúszási lépcsők (Si, SiC) 19

20 Diszlokációk megfigyelése HRTEM TiAl Source: Beverly Inkson, PhD Thesis, University of Cambridge,

21 Diszlokációk megfigyelése Atomi felbontású kép 21

22 Diszlokációk leírása A csószósík definíciója n bl Éldiszlokáció Csavardiszlokáció bl0 bl0 Burgers vektor megmaradási tétel A diszlokáció vonala zárt görbe lehet, vagy a felszínen végződhet Egy csomópontban felhasadhat b 1 +b 2 = b3 Torzulás a rácsban deformációs, illetve feszültségteret hoz létre. Kölcsönhatások 22

23 Diszlokációk leírása Lehetőségek és problémák A diszlokációk matematikai kezelése Diszkrét rácsmodell alkalmazása Nehézkes, nagyon bonyolult Csak abban az esetben alkalmazható, ha szigorúan periodikus rendet tételezünk fel A diszlokáció mint hibahely pont ezt rontja el Kontimuum modell (folytonos anyag) Elveszik a rácsállandó A Burgers vektort utólag kell figyelembe venni Szingularitások jelennek meg Másik megközelítés 23

24 Kontinuum mechanika Bevezetés Elmozdulás ux, y, z u r Egy merev test elmozdulása mindig leírható egy eltolási és forgatási vektorral Deformációt okoz bármely olyan elmozdulás, ahol két pont közötti távolság megváltozik Két szomszédos pont közötti távolság megváltozása dl dl ij dx idx j j1 i1 ij 1 2 u x i j u x i j 24

25 Kontinuum mechanika Deformációs tenzor A tér különböző irányaiban felírható a deformáció ε xx xy xz yx yy yz zx zy zz Az egyes elemek fizikai jelentése A vegyes index a nyírásokat jelöli u u u u 2 x x x u1 x x u1 x 11 x relatív hosszváltozás 1 uy 1 ux y u x x 1 x 2 y x 2 y 2 y 25

26 Kontinuum mechanika Relatív térfogatváltozás A deformáció során a térfogat is megváltozik A deformáció hatására feszültségek ébrednek Feszültség tenzor Vegyes index: nyírás Azonos index: húzás nyomás Általánosított Hooke törvény 3 3 C ik iklm lm l1 m1 C rugalmas állandók tenzora (tartalmazza a szimmetriaviszonyokat) V V σ Homogén izotróp anyag: λ, μ xx xy xz yx yy yz zx zy zz 3 2 ik ll ik ik l1 26

27 Kontimuum mechanika Egyéb paraméterek Poisson szám (harántösszehúzódás) Kompresszibilitás K T h l, h l 0 1, 2 1 V 1 V, KS V p V p T S 3, K A rugalmas állandók közötti összefüggések E 3 2. G E, E 27

28 Kontinuum mechanika Testekre ható külső és belő erők Külső erők Térfogati erők Gravitációs Elektromos Mágneses Belső erők A deformáció hatására fellépő belső feszültségekből származó erő divσf 0 A belső feszültségekből és térfogati erők összege bármely tetszőleges térfogatra zérus Határfeltételek Kis méretű testeken elhanyagolhatóan kicsik, de Hidak, nagy fémszerkezetek esetében nem xx xy xz f x 0 x y z yx yy yz f x 0 x y z zx zy zz f x 0 x y z 28

29 Diszlokációk a kontinuumban Határfeltételekkel definiáljuk a diszlokációkat A Hooke törvény definiálható és a diszlokáció feszültségtere számítható Megjósolható a diszlokációk kölcsönhatása és annak eredménye 29

30 Diszlokációk feszültségtere Számítás Végtelen hosszú diszlokáció Csavardiszlokáció xz xz yz yz b cos 2 r b sin 2 r b sin 2 r b cos 2 r xx Éldiszlokáció b 2 1 yy xy sin 2 cos 2 b sin cos r zz b 1 r sin r b cos cos r 30

31 Diszlokációk feszültségtere Éldiszlokáció normált σ xx komponens 31

32 Diszlokációk feszültségtere Éldiszlokáció normált σ xy komponens 32

33 Diszlokációk mozgása Mozgás leírása a kontinuumban Petch-Koehler erő Mindig merőleges a diszlokációra df σb ˆ dl F σb ˆ l Csavardiszlokáció Pl.: csavardiszlokáció b l 0,0,,, ,0,,,, b σ l σb b Éldiszlokáció b l,0,0,, b σ l σb b 0,0,,,, F σbl bl i bl j F σbl bl i bl j

34 Diszlokációk mozgásformái Csúszó (glide) nyírófeszültség Kúszó (climb) húzó, vagy nyomófeszültség Csúszás gyors Kúszás (creep) lassú (diffúziókontroll) 34

35 Diszlokációk mozgása Peach-Koehler erő következménye A diszlokáció alakja a terhelés alatt 35

36 Diszlokációk mozgása Sokszorozódás Frank-Read forrás Si Al 36

37 Diszlokációk kölcsönhatása Alapok Csavardiszlokációk Burgers vektor iránya Azonos előjelűek taszítás Ellenkező előjelűek vonzás Éldiszlokációk A kölcsonhatás függ a bezárt szögtől F~ ± μ b 1b 2 r F~ ± μ b 1b 2 r g θ Egyéb rácshibák Diszlokáció zónái 37

38 Diszlokációk kölcsönhatása Következmények Kölcsönhatás atomokkal Cottrell felhő Akadályozza a diszlokációk mozgását (kettős folyáshatár) Egymással Alakítási keményedés Tulajdonságok változtatása Szemcsehatárral Feldolgozás szerkezetmódosítás tulajdonságok 38