2. a tárgy előadója Dr. Bitay Enikő

Átírás

1 ANYAGISMERET 2. a tárgy előadója Dr. Bitay Enikő egyetemi docens Mechatronika I. 391, Művelettervezés I Sapientia EMTE, Marosvásárhely, 230-es előadóterem szeptember :00-11:50

2 Tematika Anyagismeret és mérnöki tudományok. A fémes anyagok jellemző fizikai, kémiai, szilárdsági és technológiai tulajdonságai. Anyagvizsgálat (metallografiai, szilárdsági, technológiai vizsgálatok) 4 óra

3 Az anyagok mechanikai tulajdonságainak vizsgálata

4 Visszatekintés

5 Anyagok típusai Fémek (acél, rozsdamentes, szerszám, öntöttvas, alumínium, nikkel, nemesfémek, stb.) Műanyagok (plasztomerek, duromerek, elasztomerek, természetes, habok, stb.) Kerámiák (üvegek, cement, tégla, grafit, gyémánt, alumínium-oxid, szilícium-karbid, stb.) Kompozitok (szálerősítéses műanyagok, GFRP, CFRP, beton, méhsejt szerkezet, stb.)

6 Anyagok tulajdonságai: fizikai - elektromos vezetőképesség, hővezető képesség, mágnesesség kémiai normálpotenciál mechanikai tulajdonságok - szerkezeti anyagok esetén döntően a mechanikai igénybevétel elviselésére való alkalmasság

7 Anyagvizsgálat mit, miért? Mechanikai anyagvizsgálat Anyagszerkezet vizsgálata

8 Mechanikai anyagvizsgálat módszerei Szakítóvizsgálat statikus, roncsolásos Keménységmérés statikus, roncsolásos Kúszásvizsgálat statikus, roncsolásos Ütővizsgálat dinamikus Fáradás ismétlődő Törésmechanikai vizsgálatok statikus, dinamikus vagy ismétlődő

9 Mechanikai vizsgálatok

10 Szakítóvizsgálat Célja: az anyagok egytengelyű húzó igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása egy szabványosan kialakított próbatestet egytengelyű igénybevétellel a szabványban előírt sebességgel szakadásig terhelnek, és közben mérik a próbatest által felvett erőt és a megnyúlást.

11 A szakítóvizsgálat elve Mechanikus vagy hidraulikus terhelés erőmérő cella álló befogó Próbatest finom útadó Durva útadó (jeltáv) (befogó fej) mozgó befogó v = állandó

12 Szakítópróbatest Arányos próbatest Lo = 5 d o Lo = 10 d o

13 Szakítópróbatest Menetes befogás Lemez próbatestek Betonacél

14 Lágyacél szakítódiagramja A I. a rugalmas alakváltozás szakasza. σ = E.ε (Hook törvény), ahol σ - feszültség, E - rugalmassági modulus, ε - alakváltozás.

15 Lágyacél szakítódiagramja II.a. folyási szakasz a folyási szakasz az F eh erőnél kezdődik maradó alakváltozás megindulása

16 Lágyacél szakítódiagramja II.b. egyenletes alakváltozás szakasza. próbatest minden keresztmetszete egyenletesen alakváltózik. keményedés jelensége

17 Lágyacél szakítódiagramja. III. kontrakciós szakasz a próbatest alakváltozása egy meghatározott téfogatrészre korlátozódik

18

19 A szakadás folyamata

20 Folyáshatár R eh = F S eh o A maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség Mértékegysége: N/mm 2

21 Egyezményes folyáshatár A terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár : R p 0,2 = F S p0,2 o [N/mm 2 ] adott maradó alakváltozáshoz tartozó feszültség

22 Finomnyúlásmérés

23 Korszerű szakítógép

24

25 Szakítóvizsgálat nagy hőmérsékleten

26 Az acél viselkedése magasabb hőmérsékleten

27 Nyomóvizsgálat Nyomószilárdság: R v = F S v o

28 Példák a nyomóvizsgálatra

29 Hajlító vizsgálat Nyomott oldal Húzott oldal

30 Meghatározható mérőszám Hajlító szilárdság Jele: R mh Mértékegysége: N/mm 2 ahol M a maximális hajlítónyomaték a K a keresztmetszeti tényező, ami kör keresztmetszet esetén négyszög keresztemetszetre Rmh = M K F l M = 4 K = d 32 3 π a b K = 6 2

31 Hajlító vizsgálat

32 Keménység A keménység szilárd anyagok jellemzője és egyfajta "eredő" tulajdonság, vagyis az anyag adott állapotát eredményező technológiai műveletek eredményessége is minősíthető vele, ill. arányos a rugalmassággal, a szilárdsággal, a kopásállósággal, fordítottan arányos a képlékenységgel, a szívóssággal, a csillapító-képességgel. A keménység azzal az ellenállással jellemezhető, amit a szilárd anyagok kifejtenek a beléjük hatoló, ill. velük kölcsönhatásba kerülő keményebb vizsgálószerszámmal szemben. Ez a megfogalmazás utal a keménységmérés lehetőségeire, de a keménység konkrét definícióját nem adja meg, ugyanis annyiféle keménység definiálható, ahányféle vizsgálati módszer létezik.

33 Keménységmérés a mérés gyors, egyszerű a darabon "roncsolásmentesen" elvégezhető az eredményekből egyéb anyagjellemzőkre is következtethetünk a technológiai folyamatba beilleszthető

34 Keménységmérő módszerek szúró (statikus) keménységmérés: a vizsgálandó anyagnál jóval keményebb, ún. szúrószerszámot nyomnak alkalmasan megválasztott terhelőerővel az anyagba, és a létrejövő lenyomat területéből, vagy a benyomódás mélységéből származtatják a keménységi értéket; ejtő (dinamikus) keménységmérés: a vizsgálandó anyagra ejtett mérőtest visszapattanási magasságából határozható meg a rugalmas ütközés elnyelt energiájával összefüggő keménységi mérőszám; rezgő keménységmérés: a vizsgálandó anyagra szorított rezgőfej rezgésben tartásához szükséges energia méréséből fejezhető ki az anyag rezgéscsillapító-képességével (rugalmatlanságának mértékével) összefüggő keménységadat.

35 Brinell-keménységmérés egy edzett, polírozott acélgolyót nyomnak meghatározott ideig a vizsgálandó anyagfelületbe, és a keménységet (Hardness) a terhelés és a létrejött gömbsüveg lenyomat felületének hányadosa adja

36 Brinell-keménységmérés A keménységet (Hardness) a terhelés és a létrejött gömbsüveg lenyomat felületének hányadosa adja: F F 2 F HB = = = D π h D D d D D D d D π ( ) π ahol F a terhelőerő, D a golyóátmérő, h a benyomódás mélysége, d a lenyomat átmérője a keménységmérőgép mikroszkópjával mérve. A keménységet nem kell számítani, mert az a géphez mellékelt táblázatokból kiolvasható F, D és d függvényében. Hagyományos és köztudatba "berögzült" kp/mm 2 mértékegységű keménység-értékeket az SI bevezetésével nem szorozták meg "g"-vel, hanem azokat mértékegység nélküli számként kell kezelni (pl. HB 350)

37 Brinell-keménységmérés

38 A Brinell keménység értelmezése Brinell keménységen az F terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosát értjük. Jele: HB. A gömbsüveg felülete Dπh. Ezzel a keménység számértéke: F HB = D. π.h A keménység mértékegység nélküli szám! HB = A 0,102 F = D π 0,102 2F ( D ) 2 2 D d

39 Poldi-keménységmérés A Poldi-féle kalapács használatakor a D = 10 mm átmérőjű edzett acélgolyót az ütő tüskére mért erős, határozott ütéssel a vizsgálandó anyagba nyomjuk. Az ütés erejének ill. energiájának ismerete nem szükséges, mert ugyanaz az ütés egy másik lenyomatot is létrehoz az ismert keménységű összehasonlító (szabványos) etalon pálcán. A munkadarabon és a pálcán keletkezett lenyomatok átmérőit mérőlupéval kell leolvasni, tizedmilliméter pontossággal. Ha d 1 az ismert HB 1 keménységű etalon pálcán létrehozott lenyomat átmérője és d 2 az ismeretlen HB 2 keménységű anyagon keletkezetté, akkor a keresett keménység: 2 2 D D d1 HB2 = HB1 2 2 D D d2 A keménységet a kalapácshoz mellékelt táblázatokból lehet kiolvasni, ahol a keménységértékek felett szereplő számok a szakítószilárdság tájékoztató értékei kg/mm 2 -ben.

40 Vickers-keménységmérés Vickers-módszernél a szúrószerszám 136 -os csúcsszögű négyzet alapú gyémántgúla, mellyel a létrehozott lenyomat felülete már arányosnak tekinthető a terhelés nagyságával, tehát az szabadon megválasztható. Lehetőség van mikroszkópon egyes fázisok ún. mikrokeménységének mérésére grammos terhelésekkel, vékony rétegek, ill. munkadarabok helyi keménységének meghatározására 1 kg-nál kisebb terhelésekkel, az általában szokásos 10 és 30 kg értékű (ill. ezeknél nagyobb) terheléssel végzett normál keménységmérés mellett. Mivel a gyémánt a legkeményebb ismert anyag, így univerzálisan minden anyag keménysége mérhető vele. A keménység definíciója: HV = F = S F d 2 sin 68 o F = 1854, d 2 2 ahol F a terhelőerő, S a lenyomat felülete, d = (d 1 + d 2 )/2 a lenyomat-átlók számtani közepe.

41 Vickers-keménységmérő

42 Vickers keménység mérőszáma A Vickers keménység a Brinellhez hasonlóan a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosa. A lenyomat felületének meghatározásához a terhelés megszüntetése után a négyzet alakú lenyomat átlóit (d) mérjük. F HV = 0,102 1,854 2 d

43 Vickers keménység mérőszáma

44 Rockwell-keménységmérés HRB keménység 1/16" átmérőjű, 850 HVnál nagyobb keménységű acélgolyóval mérhető, 10 kg elő- és 90 kg főterhelés mellett. A 0,002 mm-es egységekben mért - főterhelés hatására létrejött maradó benyomódás (e) alapján a keménység: e HRB= 130 ; 0,002 HRC keménység 120 -os csúcsszögű gyémántkúppal mérhető, 10 kg elő- és 140 kg főterhelés mellett. A 0,002 mm-es egységekben mért - főterhelés hatására létrejött maradó benyomódás (e) alapján a keménység: e HRC = , Sem a HRB, sem a HRC keménységmérésnél nincs szükség számolásra, a készülékbe épített mérőóraszerű műszer a műveletet "automatikusan" elvégzi.

45 Rockwell-keménységmérő

46 A Rockwell keménységmérés elve

47

48

49 Brinell Vickers - Rockwel A Brinell, Vickers és a Rockwel keménységmérési módszereket egymással összehasonlítva, alkalmazási területüket a következőként jelölhetjük meg. Pontos laboratóriumi mérésekre a Vickers vizsgálat, nagyobb felületek átlagkeménységének meghatározására Brinell keménységmérése a leginkább alkalmazható. Üzemi mérések kielégítő pontossággal Rockwel módszerrel végezhetők.

50 Shore-féle ejtő keménységmérés A szkleroszkópos méréskor egy lekerekített gyémántcsúcsos, adott tömegű (2,5 g; 20 g) ejtőkalapácsot meghatározott h magasságból (10"=254 mm; 4,5"=114 mm) függőlegesen a mérendő tárgyra ejtve, a kalapács visszapattanási magasságát kell leolvasni. Duroszkóp esetében a gyémántbetét egy ingakalapács fejére van erősítve, ami meghatározott magasságból a munkadarabra sújt, majd a visszapattanása során egy elforduló mutatót vonszol magával, mely a kilendülés szélső pontján marad, s a mutató előtt elhelyezett skálán leolvasható a mért érték.

51 Hordozható keménységmérő

52 A különböző anyagok keménységi értékei

53 Szívós rideg viselkedés Törésmechanika

54 Hidak pl Kína vasúti híd 1938 Németország új autópálya híd Belgium hegesztett híd 50 db 25 mm széles 2 m hosszú repedés 1951 Kanada 4 db 50 m-es nyílás a folyóba szakadt Ridegtörési esetek

55 Ridegtörési esetek Tartályok 1919 Boston melaszos tartály 1944 USA -162 C -os földgáz tartály 1944 New York 20 m átmérőjű H 2 tartály 20 darabra 1950 Répcelak

56 Ridegtörési Hajók 1946-ig 4694 hajóból minden 5. Liberty 1100 darabból 400 sérült, 16 db kettétört esetek

57 A katasztrófákban közös volt -a nagyméretű szerkezetek (tárolt energia) -előzetes alakváltozás nélkül törtek, - a terhelés jóval a megengedett terhelés alatti - a repedés nagysebességgel terjedt, - a katasztrófák minden esetben hidegben következtek be, - az anyagok a hagyományos vizsgálatok (R eh, R m, A, Z, HB) szerint megfeleltek.

58 Konklúzió - nagy méretű, - hidegben üzemelő, - dinamikusan igénybevett szerkezetek

59 Szívós - Rideg viselkedés Különbség: - képlékeny alakváltozás -energia

60

61 Szerkezeti anyagok hidegszívóssága A törési folyamatok két jellegzetes formája: Képlékeny törés: képlékeny alakváltozás mellett jön létre, a szerkezeti anyag egyes részeinek a maximális csúsztatófeszültség síkjain történő elmozdulásával. Elősegíti az egytengelyű húzó vagy a többtengelyű nyomó feszültségi állapot, a sima felület, az anyag szívós jellege, a kis igénybevételi sebesség és a nagy(obb) hőmérséklet. A töretet makroszkopikusan törést megelőző kontrakció vagy expanzió, matt gödrös felület, mikroszkopikusan üregképződés és transzkrisztallin (szemcsén áthaladó) repedésterjedés jellemzi. Ridegtörés: gyakorlatilag alakváltozás nélkül következik be, a szerkezeti anyag összetartó erőinek a maximális húzófeszültségre merőleges síkok mentén történő legyőzésével. Létrejöttét elősegíti a többtengelyű húzó feszültségi állapot, a felület egyenetlenségei, hirtelen méretváltozások okozta helyi feszültségcsúcsok, az anyag rideg jellege, a nagy (dinamikus) igénybevételi sebesség ill. annak nagy ismétlődési száma és a kis(ebb) hőmérséklet. A töretet makroszkopikusan kontrakció vagy expanzió hiánya, fényes, kristályosan csillogó felület, mikroszkopikusan hasadási lépcsők és interkrisztallin (szemcseközi) repedésterjedés jellemzi. A felületen középpontos köbös rácsú fémekre a képlékeny, a hexagonálisokra a ridegtörés jellemzőbb. A térben középpontos köbös kristályrácsú fémek, sőt több polimer, ill. kerámia esetében egy átmeneti hőmérséklet fölött a képlékeny, az alatt a ridegtörés dominál. A (hideg)szívósság (főként a ridegtöréssel szembeni ellenállás) elsősorban a makroszerkezettől (felületminőség, folytonossági hiányok), a szubmikroszerkezettől (rácsszerkezet, ötvözők, szennyezők), a feszültségállapot jellegétől, az igénybevételi sebességtől és a hőmérséklettől függ. Az első kettő anyag- (és részben technológia-) jellemző, az utóbbi három állapottényező.

62 Hidegszívóssági vizsgálatok A teljes törési folyamatot vizsgáló Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatnál középen (egyoldalon) V-bemetszéssel ellátott, két végén alátámasztott, 10x10x55 mm befoglaló méretű próbatestet a bemetszéssel átellenes oldalról az ütőmű L sugarú körpályán mozgó, H 1 magasságból indítható, m tömegű ingájának egy ütésével meghajlítják ill. eltörik, majd meghatározzák a felhasznált energiát (KV) a fel nem használt energiával arányos H 2 magasságra történő továbblendülésből: KV = m g (H 1 -H 2 ) = m g L (cos β - cos α) [J] Az inga tengelyén lévő mutató a továbblendülés szögével (β) elfordul, így a próbatest törésére felhasznált energia, az ún. ütőmunka egy alkalmasan elkészített skáláról Az anyagok többségének ütőmunkája a hőmérséklet függvényében úgy változik, hogy a rideg és képlékeny állapot között van egy átmeneti szakasz, melyben kijelölhető kritikus átmeneti hőmérséklet (Transition Temperature) (TTKV) az anyagok ridegtörési hajlamának rangsorolására alkalmas. Ezt vagy a görbe inflexiójához rendelik, vagy megadott ütőmunka-értékhez. A töretek felületének makro- és mikroszkópikus morfológiai elemzésével foglalkozó fraktográfia a törés rideg avagy képlékeny jellegéről tájékoztat. Az ütvehajlító vizsgálati próbatesteken a képlékenység (szívósság) mértékét kifejező laterális expanzió (keresztirányú szélesedés) is mérhető. közvetlenül leolvasható. Az így kapott mérőszám jól használható információ, mivel általánosan (nemzetközi szabványokban) elfogadott feltételek mellett határozható meg. A vizsgálat információértékét befolyásolja a próbatest és a bemetszés geometriája, az inga által leadható energia (100 vagy 300 J a szokásos) és az ütési végsebesség is, ami általában 5-7 m/s. Ezért csak az azonos körülmények között végzett vizsgálati eredmények hasonlíthatók össze egymással. Nem szabványos méretű próbatest esetén KCV [J/cm 2 ] fajlagos ütőmunkát lehet meghatározni a tényleges törött keresztmetszetre vonatkoztatva. Az ütvehajlító vizsgálat gyors és egyszerű módja az anyagok ridegtörési hajlamának kimutatására a hőmérséklet, mint rideg vagy szívós anyag-állapotot befolyásoló állapottényező hatásán keresztül.

63 Ami a Titanic című filmből kimaradt! (hajólemez hidegszívósságára ill. ridegtörési hajlamára vonatkozó vizsgálati eredmények) +2 C-os tengervíz +2 C-os tengervíz

64 Charpy vizsgálat 1901

65 Charpy vizsgálat A meghatározott felső helyzetből induló inga egyetlen ütéssel eltöri a pálya legalsó pontján támasztókkal rögzített bemetszett próbatestet. A vizsgálat alapján megállapítják a próbatest eltöréséhez szüksége fajlagos munkát. Jelöljük az ingának az ütőfej tömegközpontjára redukált tömegét mr-rel, a tömegközpont induló magasságát h2-vel. A próbatest eltöréséhez felhasznált mechanikai munka: K = mr g (H1 h2) (J). A törési munkának Jouleben kifejezett értékét az inga tengelyére erősített mutató a túllendülésnek megfelelően mutatja. Ennek a munkának a fajlagos értékét, az eltört keresztmetszet (S0) 1 mm2-ére eső részét használják anyagjellemzőül és fajlagos ütőmunkának nevezik.

66 Charpy vizsgálat A próbatest 10x10x55 mm méretű és 2 mm mély V (vagy U alakú) bemetszéssel A fajlagos ütőmunkát a bemetszés alakjától (1.8 ábra) függően KCV-vel, vagy KCU-val jelölik. A V bemetszésű próbatest fajlagos ütőmunkája: KCV = m r g ( h h ) S ` 1 2, J cm 2 Megjegyezzük, hogy az ütőpróba elsősorban ellenőrző vizsgálat. Ennek alapján nem állapítható meg olyan anyagjellemző, melyet a tervező a szilárdsági számításokhoz közvetlenül felhasználhat.

67 Charpy vizsgálat A kísérlet során a próbatest eltöréséhez szükséges energia az ütőmunka K = G r (h o -h 1 ) [J]

68 Ütvehajlító vizsgálat továbblendülés rideg- és képlékeny töretű próbatestek indítás

69 Állapothatározók Hőmérséklet - környezeti, hűtés, melegítés Alakváltozási sebesség -ütőgép geometria, tömeg Feszültségállapot - bemetszés alakja

70 Az anyagok viselkedése a hőmérséklet függvényében L.k.k.. T.k.k. T.k.k. rideg szívós Nagy szilárdságú anyagok

71 Szerkezeti anyagok kopásállósága A kopás szilárd testek felületén bekövetkező anyagveszteség, amelyet szilárd, cseppfolyós, vagy légnemű közeggel való érintkezés és relatív elmozdulás (azaz két anyag közötti interakció) okoz. A relatív elmozdulásnak négy alapformája különböztethető meg: csúszás, gördülés, lökés és áramlás, melyek külön-külön, vagy kombináltan is jelentkezhetnek. A tribológiai igénybevétellel összefüggő kopási folyamatot sok paraméter befolyásolja, így az előidézett kopás, ill. az ezzel szembeni kopásállóság rendszerjellemző, azaz minden folyamat-"résztvevő" hatásának eredője. A kopás létrejötte szorosan összefügg az egymáson elmozduló testek között fellépő súrlódással, amit befolyásol az érintkező felületeket összenyomó erő, a felület makroszerkezete, az érintkező testek felületi rétegének anyagi minősége ill. tulajdonságai, az alkalmazott kenőanyag és kenési mód. A szilárd testek felületi tulajdonságai eltérnek az anyag belsejére jellemző "térfogati" tulajdonságoktól. Ez abban is megnyilvánul, hogy a felszíni atomok kötésszerkezete nem szimmetrikus, ill. energiaszintjük magasabb, ezért reakcióképesebbek, megkötnek a környezetükből gáz-, víz-, ill. szerves- és szervetlen anyagrészecskéket.

72 A kopás következtében fellépő anyaglehordás, a kopási mechanizmus formái: Adhéziós vagy hegedéses kopás: egymással súrlódó - viszonylag kis sebességgel elmozduló - testek esetén, nagy felületi nyomás hatására, elsősorban fémes anyagok között, folyadékkenés vagy oxidhártya hiányában jön létre. Maga az adhézió a súrlódó felületek határrétegében fellépő tapadó kötés, amely a testek egymáson való elmozdulásakor elnyíródik és következményeként a felületről részecskék szakadnak ki. Ez a hidegen vagy melegen (kisebb vagy nagyobb hőmérsékleten) bekövetkező kopás viszonylag lokalizált, a felület egyes részein intenzív, máshol alig tapasztalható. Abrazív kopás: a keményebb felület kiálló csúcsai elmozduláskor mélyedéseket, barázdákat, karcolásokat hoznak létre a lágyabb felületben, mikroforgácsok leválasztásával, vagy a két súrlódó felület közé viszonylag apró szemcséjű, kemény, csiszoló hatású szennyezőanyag kerül, ami karcolva a felület(ek)et, anyaglehordást eredményez. Az ilyen kopási folyamatot hasznosítják is az ún. abrazív megmunkálási eljárásoknál, mint pl. köszörülés, csiszolás. A kavitáció olyan eróziós folyamat, amelyet áramló folyadékokban - gőzbuborékok keletkezésével, majd összeroppanásával keltett - nyomáshullámok váltanak ki. Fáradásos kopás: a váltakozó (ciklikus) terhelés hatására a felületi réteg kifárad, mikrorepedések keletkeznek benne, amelyek növekedése a réteg lepattogzását, gödrösödését, pittingesedését, vagy a réteg felbomlását okozza. Kialakulását elősegíti a felület alatt (annak közelében) ébredő, felülettel párhuzamos váltakozó nyíró feszültség, pl. gördülő súrlódással működő alkatrészeken. Tribokémiai kopás: a tribológiai (súrlódó-koptató) igénybevétellel egyidejűleg kémiai reakció is fellép az alap- és az ellentest között, a köztes anyag vagy a környezet hatására. Az egyik esetben a kenőanyag bomlástermékei és/vagy adalékanyagai támadják meg az egymáson elmozduló felületeket. A másik eset kis amplitúdójú alternáló (rezgő) mozgás hatására, oxigén vagy más reakcióképes gáz jelenlétében jön létre, ha az érintkező felületek közül legalább az egyik fémes. Gyakran tapasztalható ez a kopási forma zsugorkötéssel, csavarokkal, ékekkel, csapszegekkel összekötött, illesztett rezgő elemeknél.

73 Köszönöm a megtisztelő figyelmet!