Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2015/16. Törés. Dr. Krállics György

Átírás

1 Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2015/16 Törés Dr. Krállics György

2 Az előadás során megismerjük az állapottényezők hatását; a törések alapvető fajtáit, mechanikai és fraktográfiai jellemzőit; a lineárisan rugalmas, illetve a képlékeny törésmechanika elméletét; a törésmechanikai tervezés koncepcióját. 2

3 Bevezetés Törés: az anyagban folytonossági hiány jön létre, amitől darabokra eshet szét. Törés folyamata: Repedés keletkezése; Repedés terjedése és a törés létrejötte. Képlékeny (szívós) törés: a törést megelőzően jelentős mértékű képlékeny alakváltozás lép fel. Ridegtörés: hirtelen bekövetkező jelenség, minimális képlékeny alakváltozás előzi meg. A kis hőmérséklet, a bonyolult, húzó feszültségi állapot és a nagy terhelési sebesség elősegíti a ridegtörés fellépését. Repedés mindig van az anyagban, legfeljebb nem tudjuk kimutatni. 3

4 Káresetek 2700 db Liberty típusú hegesztett hajó gyártása a második világháború során. 400 db-on törés jelentkezett, amelyből 90 komolynak számított. 10 hajó kettétörött. A hegesztett kötések rossz minőségű (félig-csillapított) acélból készültek, repedésszerű hibákat tartalmaztak (anyaghiba). A törések feszültséggyűjtő helyekből indultak ki (konstrukciós hiba). Az acélok szívóssága kicsi volt, az utólagos Charpy vizsgálat ezt mutatta. 4

5 5

6 Repedés keletkezése az üzemelés során Időleges túlterhelés, illetve környezeti tényezők hatása Korróziós fáradás Feszültségkorrózió Hidrogén okozta elridegedés Hőmérséklet és mechanikai terhelés együttes hatása, kúszási repedés Hősokk okozta repedés. Repedések kimutatása: roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerekkel. 6

7 Repedés keletkezése a gyártás során Öntészet: pórusok, lunkerek, zárványok, melegrepedések keletkezhetnek a technológiai paraméterektől függően. Melegalakítás: az alakváltozási képesség csökken, pl. szemcsehatármenti kiválásoknál. Ausztenit szemcsehatár károsodása anizotrop szerkezet következtében. Hidegalakítás: az alakváltozó képesség kimerülése miatt. Hidrogén hatására bekövetkező repedés, pelyhesedés. Hőkezelés: edzési repedés. Hegesztés: meleg- és hidegrepedés, relaxációs repedés. Forgácsolás: életlen szerszám vagy túl nagy terhelés esetén. 7

8 A szerkezeti anyagaink tönkremenetelének két szélsőséges típusa a ridegtörés illetve a szívós (képlékeny) törés. A rideg illetve képlékeny viselkedést az adott anyagon végzett szakítóvizsgálat is jól szemlélteti

9 Feszültség Szívós törés I. Jelentős mértékű képlékeny alakváltozás a törés előtt. Alakváltozás 9

10 Szívós törés mechanikai sémája szakításnál θ sin cos 10

11 Károsodás: üreg kontrakció keletkezés Szívós törés II. üreg növekedés és összenövés felület elnyírása törés σ Acél töretfelülete mm mm Második fázisú részecskék, elősegítik üregek keletkezését. 11

12 Ridegtörés A töretfelület merőleges a húzás tengelyére. Kontrakció nem lép fel az alakítás során. Nincs makroszkopikus képlékeny alakváltozás. A töretfelület átmetszi a szemcséket. 12

13 A ridegtörés mechanikai sémája szakításnál 13

14 Állapottényezők Az anyag szívós (képlékeny) vagy rideg viselkedése az anyagnak nem tulajdonsága, hanem állapota, és annak szerkezetén kívül az állapottényezők befolyásolják. Feszültségi állapot A többtengelyű húzófeszültségek a rideg állapot felé, a többtengelyű nyomófeszültségek a képlékeny állapot felé viszik el az anyag viselkedését. Hőmérséklet Növekvő hőmérséklet hatására az anyag képlékenyebben, csökkenő hőmérséklet esetén ridegebben viselkedik. Igénybevétel sebessége Növekvő sebesség hatására az anyag ridegebben, csökkenő sebesség esetén képlékenyebben viselkedik. 14

15 Feszültségi állapot hatása Rugalmas megoldás k k Kt Névleges feszültség F n A Maximális feszültség max n k formatényező max n

16 Diagram α k meghatározására 16

17 A feszültségi állapot ridegítő hatása

18 t törési alakváltozás T=áll. áll. Határgörbe zömítés csavarás szakítás k eq eq

19 Bemetszés feszültségkoncentrációs hatása σ név σ y max 2c k y max név k 1 2 c σ név 19

20 Az alakváltozási sebesség hatása Acél statikus és dinamikus szakítása v l 1 s A sebesség növekedése kontrakció mentes szakadást eredményez (v k ) v k m 0 d / d d

21 A hőmérséklet hatása F F T<<T 20 T 20 =20 o C L L A hőmérséklet növekedésével az anyag alakváltozó képessége növekszik, a szilárdsági mérőszámok csökkennek. A hőmérséklet csökkenésével az alakváltozó képesség csökken és egy adott hőmérsékleten teljesen kimerül. Ekkor a fajlagos törési munka zérus lesz. Ezzel párhuzamosan a szilárdsági mérőszámok nőnek.

22 A hőmérséklet és a bemetszés érzékenység együttes vizsgálata Charpy-féle ütvehajlító vizsgálat KV [J] -70 o C -20 o C 90 o C 20 o C Hőmérséklet

23 Töretfelületek vizsgálata Ridegtörés: a törési energia új felületek képződésére fordítódik, a törés pedig: I. Transzkrisztallin, vagy II. Interkrisztallin lehet. Szívós törés: a törési energia képlékeny alakváltozásra és új felületek képződésére fordítódik. Üregek keletkezése, növekedése és összenövése a jellemző. 23

24 Transzkrisztallin (hasadásos) törés A repedés a szemcséken keresztül, meghatározott atomsíkokon terjed. 24

25 Interkrisztallin törés A törés a szemcsék között, a szemcsehatárokon történik. 25

26 Szívós törés A töretfelület gödrös, tompa fényű. A törést a csúsztatófeszültségek hatására bekövetkező elnyíródás okozza. Üregek összenövése Üregek képződése második fázis körül 26

27 Ridegtörés diszlokációs értelmezése Repedés keletkezésének feltétele: képlékeny alakváltozás. Képlékeny alakváltozáskor megnő a diszlokációsűrűség, ami üregeket, repedéseket eredményez. t.k.k a 2 a x 1 11 z Cottrell-féle hasadási diszlokáció 101 y 101 a 2 σ σ a 2 σ σ Hasadási sík a001 27

28 Repedés folyamata Repedés keletkezése Repedést tartalmazó szerkezeti elem Repedés megindulása (statikus v. dinamikus) Repedésterjedés Instabil Stabil Lassú repedésterjedés Repedés megáll Ridegtörés Szívós törés Fáradásos, kúszási törés 28

29 Repedésterjedés fajtái Stabil repedésterjedés: állandó energiát fogyaszt, a repedés csúcsa előtt üregek keletkeznek, majd egyesülnek. Instabil repedésterjedés: állandó energiafelszabadulás közben megy végbe nagy sebességgel, így makroszkopikusan ridegtörést okoz. Fokozatos repedésterjedés: a stabil repedésterjedés hosszabb időtartamra kiterjedő változata, jellemző a fáradásos törés, a kúszás és a feszültségkorrózió okozta törés esetében. 29

30 Törésmechanikai elméletek a) b) c) d) a) Lineáris rugalmas alakváltozás b) Kis területre korlátozódó képlékeny alakváltozás c) Rugalmas képlékeny alakváltozás d) Képlékeny alakváltozás az egész testben 30

31 Terhelési módok I. II. III. 31

32 A törés energetikai modellje 2E k 1.) krit, E rugalmassági modulusz, k fajlagos rugalmas felületi energia a l repedés hossz 2E k 2.) krit, v Poisson tényező, Griffith elmélet 2 a 1 2E p 1 k / p 3.) krit, p fajlagos képlékeny felületi energia a, Orowan elmélet k 4.) krit p 2E a p w f k p Törési energia w f k 1. Rugalmas test, sík feszültségi állapot, 2. Rugalmas test sík alakváltozási állapot, Rugalmas-képlékeny test sík feszültségi állapot 32

33 Feszültségintenzitási elmélet Egy általános alakú test belsejében lévő repedés csúcsánál kialakuló feszültségmező 1 I II III ij KI fij KII fij KIII fij 2 r ahol K I, K II, K III feszültségintenzitási tényezők a különböző terhelési módoknál, f I, f II, f III dimenziónélküli függvények. ij ij ij I. terhési módra σ yy r ij K I 2 r f ij 33

34 xx yy xy K I 2 r K I 2 r K I 2 r 3 cos 1sin sin cos 1sin sin cos sin sin Síkbeli feszültségi állapotban σ z =0, Síkbeli alakváltozási állapotban z x y Instabil repedésterjedéskor K I = K c. Ha ez a repedésterjedés síkbeli alakváltozási állapotban lép fel, akkor K I = K Ic, amely anyagjellemző (törési. szivósság). 34

35 K I Feszültségintenzitási tényező a a a a sec W W W W, K a I 2 4 K I / W=200 mm W=200 mm a 35

36 Képlékeny zóna meghatározása repedés KI 1 cos 1sin 2 r 2 2 KI 2 cos 1sin 2 r 2 2 0, sík feszültség , sík alakváltozás r r p p 2 1 K I 3 4 R e 2 2 I eq cos sin sík feszültségi állapot 1 K cos sin sík alakváltozási állapot 4 R e 2 R e 36

37 Kis képlékeny tartományú LRTM A képlékeny zóna síkbeli feszültségállapot esetén: 2 1 K I rp, 2 Re Síkbeli alakváltozási állapot esetén: 2 1 K I rp 6 Re A módosított repedéshosszal számolva a rugalmas anyagra vonatkozó törési elmélet alkalmazható: a a r egyenértékű p σ yy a a egy. r p R e 37

38 Képlékeny zóna változása a próbatest vastagsága mentén középső tartomány repedés felület 38

39 Feszültségintenzitási tényező korrekciója , 6, I I p e I p I I e I e K K Y a r R K Y a r K K Y a R K Y a Y R

40 Törésmechanikai méretezés Az adott szerkezetben repedés lehetséges! Azt kell megakadályozni, hogy a repedés instabilan terjedjen. I K Ic K Ic max Y a KI K Ic Szerkezettől és terheléstől függ Repedéssel rendelkező szerkezet vizsgálata K Anyagjellemző Y a f a Y a a K a krit Törésmechanikai anyagvizsgálat solve f, a Ic 40

41 Törési szivósság meghatározás K Q F Q 0 5 BW Y ( a / W ) a a a a a Y W W W W W 2 KQ ha a,( W a), B KQ K Ic acél 2.5, alumínium 4 R p0.2 41

42 A K c változása a falvastagság függvényében K cmax K c K Ic síkbeli alakváltozási állapot síkbeli feszültségi állapot falvastagság 42

43 Törésmechanikai ellenőrzés K Y a K a szerkezet működőképes I Ic Adott geometriájú és terhelésű tartály falában roncsolás mentes vizsgálattal megállapították hogy 2ax2b méretű elliptikus repedés van. A mértékadó feszültség: Szilárdsági számítással meghatározható a repedés csúcsánál a feszültség intenzitási tényező. pr 2 t 43

44 Különböző anyagok törési szívósság értékei Törési szivósság MPamm AlMg AlMgSi AlCuMg AlZnMgCu Rp 0,2 MPa Ötvözött nemesíthető acélok Ötvözött acélok 44

45 Törési szívósság különböző szövetszerkezet esetén NiCrMoV ötvözésű nemesíthető acél 45

46 Törési tipusok változása a hőmérséklet függvényében R m k 50 % R p0,2 Szívós töretfelület (Charpy) Rideg törés T k2 Kvázi-rideg törés T k1 Szívós törés K Y a Ic k k K Ic max 2a T * Hőmérséklet o C k

47 Fogalmak Törés fogalma Ridegtörés Szívóstörés Repedések a gyártás során Repedések a szerkezet üzemelése során Állapottényezők Ridegtörési felületek mikroszkópi jellemzői Szívóstörési felületek mikroszkópi jellemzői Ridegtörés diszlokációs elmélete Stabil repedésterjedés Instabil repedésterjedés Fokozatos repedésterjedés Terhelési esetek Feszültség intenzitási elmélet A K c falvastagság függése Törési szívósság Képlékeny zóna Törésmechanikai méretezés alapegyenlete Kritikus hőmérsékletek 47

48 A tananyag részletesen megtalálható William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction, 7th edition, 2006 Chapter 8 Failure pp. 48