Szerkezeti anyagok megmunkálhatósága és technológiai vizsgálata 1
Szerkezeti anyagok megmunkálhatósági jellemzői Az előállított szerkezeti anyagokat technológiai műveleteknek vetjük alá, ezért az anyagok kiválasztásánál azok szükséges ill. lehetséges technológiákkal való megmunkálhatóságára - technológiai tulajdonságaira - is tekintettel kell lenni. Az anyagok technológiai jellemzői sokszor nem adhatók meg számszerűen, képletek segítségével, sőt a technológiákra való alkalmasság megítélése általában sokváltozós probléma, így a technológiai vizsgálatok elsősorban adott feltételek mellett érvényes rangsor megállapítására - anyagok összehasonlítására - adnak módot. Az anyagok megmunkálhatóságát minősítő technológiai vizsgálatok jó része a technológia egyfajta - bizonyos szempontokat kiemelő - modellje, ill. bonyolult folyamatok helyettesítése egyszerűbben kivitelezhetővel. Anyagtechnológiák felosztása: az alakadó technológiák alkatrészek alapanyagokból vagy félkész termékekből kiinduló előállítására ill. megmunkálására, a kötő technológiák alkatrészek egyesítésére ill. szerelésére, a anyagszerkezet-változtató technológiák -az előző technológiák valamely szakaszán - az alkatrész anyaga szerkezetének és ezáltal tulajdonságainak módosítására irányulnak. 2
Anyagmegmunkálásra alkalmas technológia kiválasztásakor célszerű tekintettel lenni a korszerű fejlesztési irányzatokra ill. elvekre: near net shape technology, azaz olyan technológiát alkalmazni, mely a végső (kész) termékalakot minél kevesebb időráfordítással, minél pontosabban megközelítve képes produkálni, csökkentve a forgácsolás mennyiségi igényét; az előzővel szorosan összefüggő energy content minimalize, azaz minél kisebb fajlagos (tömeg- vagy térfogategységre vonatkoztatott) energiafelhasználással ezáltal kisebb környezetterheléssel gyártani; do it well first step, vagyis elsőre jót produkálni, megfelelő minőségirányítási feltételek biztosításával; material tayloring ill. inclusion tayloring (anyagill. zárványtervezés), azaz kihasználni a technológiákban rejlő anyagszerkezet-módosítási lehetőségeket (mechanikus ötvözés, pórusos szerkezet kialakítása), csökkentve a szükséges műveletek számát is. 3
Szerkezeti anyagok önthetősége Műanyag és üvegformázás Az önthetőség fogalma elsősorban megolvasztott fémes anyagokból gyártandó alakos (összetett formájú) öntvények anyagai szempontjából jelentős. A műanyagok ill. az ilyen bázisú kompozitok pépes állapotban történő (fröccs)öntési technológiái, valamint az üvegmasszák alakítása az amorf anyagok üvegesedési hőmérséklet feletti - a viszkozitás fokozatos csökkenése melletti - lágyulásán alapulnak, így egyfajta átmenetet képeznek az öntés és az alakítás között. A fém(ötvözet)ek önthetősége annál kedvezőbbnek ítélhető, minél kisebb az olvadáspontjuk (minél kisebb energia-felhasználással olvaszthatók), minél kisebb a viszkozitásuk (minél jobb a formakitöltő képességük), minél kisebb hőmérséklet-intervallumban dermednek meg (minél kisebb a zsugorodásuk), minél kevésbé reagálnak környezetükkel (kevésbé oxidálódó felületűek,...). Ezek szerint a viszonylag kis olvadáspontú színfémek, ill. az eutektikumok, valamint ezekhez közeli összetételű ötvözetek (pl. ólom-, ón-, cinkötvözetek; sárgarezek, bronzok; öntöttvasak,...) legkedvezőbbek öntészeti szempontból. Fontos önthetőségi követelmény, hogy az anyag megdermedése után repedés-, pórus- és zárványmentes legyen. 4
Precíziós öntéssel és hagyományos módszerrel öntött forgórész 5
Önthetőség vizsgálata A formakitöltő képesség megítélésére egy előírt keresztmetszetű, spirális öntőforma (Courty-féle kokilla) szolgál, melyben a beleöntött olvadék megdermedéséig kitöltődött spirál hosszát mérik cm-ben. Minél hosszabb utat tud az olvadék a kokilla spirál-csatornájában megtenni, annál jobb lesz a belőle készülő öntvény alakpontossága is a jó formaüreg-kitöltés révén. A vizsgálatot befolyásolja az öntési hőmérséklet, a kokilla hőmérséklete, továbbá az a magasság is, amelyről az öntés történik. Az öntéskori melegrepedékenység megítélését szolgálja olyan célpróbatest leöntése, ami a modellezendő technológiai eljáráshoz igazodva formázható. Az öntéskor utoljára dermedő vastag oszlop megszakadása vagy épen maradása jelzi a melegrepedékenységi hajlam mértékét. 6
Szerkezeti anyagok szinterelhetősége Belső makroszerkezet módosítás Szilárd porokból kiinduló szintereléses technológia jön szóba túl nagy olvadáspontú színfémek (pl. W, Mo); egymásban nem kellő mértékben oldódó fém, nemfém (és/vagy vegyület) komponensekből álló álötvözetek (pl. keményfémek, cermetek) és más szemcsés kompozitok; kristályos kerámia termékek (pl. műszaki finom-kerámiák); porózus szerkezetű fém- vagy kerámia termék (pl. fémszűrő, önkenő csapágy) előállításához, a szükséges külső makrogeometriát minél jobban megközelítve. Az előkészített, kívánt szemcsenagyságra beállított, sajtoláskönnyítő- ill. ötvöző-adalékkal összekevert, esetleg granulált anyagport a megfelelő alakot és méretet biztosító módon tömörítik, ill. sajtolják, majd oxidációt megakadályozó védőatmoszférában izzítják, zsugorítják. A pontos méretek, a felületi finomság és a porozitás beállítása érdekében még kalibráló sajtoló műveletekre is szükség lehet. Ha a porozitás nem igény, törekedni kell annak lehető legkisebb mértékére, ugyanis a porozitás csökkenti a szilárdságot, az elektromos vezetőképességet, a mágneses permeabilitást és különösen a szívósságot. Az álötvözetekben a keramikus alkotók (karbidok, nitridek) biztosítják a keménységet, míg a fémes alkotók (Co, Mo) a kötőanyag ill. a póruscsökkentés feladatát látják el. Mind a kemény fázisokkal, mind a kötőfázissal szemben támasztanak szinterelhetőségi követelményeket. 7
Vaspor és nikkel-bázisú szuperötvözet por scanning elektronmikroszkópos képe 8
Szinterelhetőség vizsgálata Egy anyag szinterelhetősége aszerint ítélhető meg, hogy a technológiai lépéseknek mennyire felel meg, azaz a szintereléses technológia műveletei kivitelezhetők-e. Rendszerint egyszerűbb geometriájú termékek előállítását célzó, a teljes technológiai folyamatot megvalósító technológiai vizsgálatokkal optimális paraméterek meghatározása a cél, elemezve az elvárt jellemző tulajdonság(ok): sűrűség, pórusosság, nyomószilárdság, hajlítószilárdság, keménység alakulását. Főként a sajtolási nyomás ill. méretváltozás, a zsugorítási hőmérséklet és idő legmegfelelőbb értékeit keresik ezen vizsgálatok keretében. A mikroszkópos vizsgálatok fontosak a szinterelt termékek porozitásának ill. gyártási hibáinak (ötvözőkiégés, fáziskiválások, elégtelen zsugorodás, szemcsedurvulás) kimutatásához. A hajlítóvizsgálat és a gyémánt szúrószerszámos keménységmérés is fontos a Finom- és durvapórusok keményfémben szinterelt termék, mechanikai tulajdonságainak, megfelelőségének megítéléséhez. 9
Szerkezeti anyagok alakíthatósága Az anyagok repedés és törésmentes alakíthatósága függ rácsszerkezetüktől ill. annak jellemzőitől. Jól alakíthatóak a felületen középpontos köbös térrácsú, nagy koordinációs számú anyagok. A képlékenyen alakító technológiák igen elterjedtek a fémek feldolgozásában, sőt előfordulnak egyes bioanyagok, a műanyagok, a lágy állapotba hozott üvegek megmunkálásában, de a többi keramikus anyagnál nem jöhetnek szóba. Az alakíthatóság fogalmát a feladat jellegétől függően értelmezik: Ha az alakítás erő- vagy munkaszükséglete a meghatározó, akkor az alakítási szilárdságot, ill. annak állapothatározóktól és technológiai paraméterektől való függését vizsgálják. Ilyen értelemben képlékenyen jól alakítható az az anyag, mely az állapothatározók (hőmérséklet: T, alakváltozási sebesség: ϕ, feszültségállapot: σ 1, σ 2, σ 3 ) és a technológiai paraméterek tág intervallumában kis erő- és munkaszükséglettel formálható. Ha repedés, törés nélkül elérhető legnagyobb alakítási mérték (megengedhető maximális alakváltozás) a megítélés alapja, akkor - az adott technológiára nézve - minél szélesebb állapothatározó- és technológiai paraméter-tartományt nagy alakváltozó képességgel átfogó anyag a kedvezőbb. 10
Alumínium lemezen alakíthatósági vizsgálat során képződött, a lemezhengerlés irányával párhuzamos repedés Előrefolyatás során keletkezett belső repedés kör keresztmetszetű rúdban 11
Alakíthatóság vizsgálata Az alakíthatóság mértékének megítéléséhez lemezalakításra vagy térfogatalakításra vonatkozó alakíthatósági határdiagramot (AHD) ill. folyásgörbét, felkeményedési görbét (alakítási mérték - alakítási szilárdság függvényt) határoznak meg méréssel. Technológiát modellező vizsgálatok: hajlítópróba, hajtogató vizsgálat, mélyhúzhatósági próba, kovácsolhatósági vagy zömíthetőségi vizsgálat, csövek alakíthatóságának minősítése: hajlítópróba, lapítópróba, peremező, tágítópróba, gyűrűszakító próba, nyomáspróba. 12
Szerkezeti anyagok forgácsolhatósága Általában jobban forgácsolhatónak azokat az anyagokat minősítik, melyek azonos forgácsolási hőmérséklet mellett nagy(obb) forgácsolási sebességgel munkálhatók meg, az ébredő erők viszonylag kicsik, a megmunkált felület minősége jó (a szerszám-kopás folyamata lassú, az éltartam nagy), a képződő forgács nem okoz műszaki problémákat (rezgés, szerszámtörés,...). A forgácsleválasztási folyamat, mint szerszám-munkadarab kölcsönhatás - mindkét szempontból értékelhető. A forgácsolószerszám (ill. annak anyaga) oldaláról az éltartamnak (forgácsoló-képességnek) van fontos szerepe, amit meghatároz a keménység és az attól függő kopásállóság. A forgácsolandó anyag oldaláról használják általánosan a forgácsolhatóság komplex fogalmát, mely jellemezhető: azzal a gazdaságosan termelékeny forgácsolási sebességgel, mely egy meghatározott éltartam és egyéb állandó feltételek (pl. hűtő- és kenőanyagok) mellett az anyag forgácsolásánál elérhető; az anyag adott feltételek mellett végzett megmunkálásánál ébredő forgácsolási erőkkel és a fellépő munkaszükséglettel; a megmunkált felület minőségével; a képződő forgács típusával; a forgácsolási hőmérséklettel 13
Folytonos és töredezett forgács képződése forgácsolás során 14
Forgácsolhatóság vizsgálata Az automata (felügyelet-nélküli vagy felügyeletszegény gyártást lehetővé tevő, minden programozott műveletet automatikusan végző forgácsológépekhez "igazított") acélokban az adagolt Mn, S, Pb, Bi olyan zárványokat képez, amelyek biztosítják a megfelelő - töredezett, hűtő-kenő folyadékkal elvezethető, rezgést és szerszámtörést nem okozó - forgácsok képződését. A munka- és anyagigényes forgácsolhatósági vizsgálatok keretében, különböző forgácsolási sebességek mellett a szerszáméltartamot (azt az időt, melyet a szerszám - az elfogadott kopáskritériumnak megfelelő kopásnagyság kialakulásáig - forgácsolásban eltölt) és/vagy a kialakuló forgácsolási hőmérsékletet határozzák meg. Gazdaságos forgácsolási sebességnek az tekinthető, melynek alkalmazása esetén a legkisebb költséggel, a lehető legnagyobb forgácsmennyiség távolítható el. Ezt sok tényező befolyásolja: a munkadarab és a szerszám anyaga, alakja, befogása; a forgácsolási eljárás; a forgács alakja és keresztmetszetének nagysága; a hűtő- és kenőanyag; a szerszámgép jellemzői; a megkívánt felületminőség. Túlságosan nagy forgácsolási sebesség nagyon rövid szerszámélettartamot eredményez. 15
Szerkezeti anyagok vághatósága Az alakító vágásnál a vágási felület tulajdonságai - a fellépő alakítási keményedés következtében - megváltoznak. A nyíró- és ékvágásra való alkalmasság az alakíthatósági szempontok mérlegelésével értékelhető, viszont a törővágás a rideg anyagok bemetszés (bekarcolás) utáni hajlító igénybevételével végezhető. A forgácsoló vágás során - a szerszám geometriájától függő mértékben - forgács keletkezik a vágás nyomvonalán. A vághatóság a forgácsolhatóság szempontjai szerint ítélhető meg. Termikus vágáskor a nagy hőmérsékletű láng, plazmaív vagy lézersugár a kijelölt nyomvonalon az anyagot elégeti, elolvasztja, vagy elgőzölögteti, így anyagveszteség keletkezik és a jelentős hőhatás a vágási felület tulajdonságait Az anyagok vághatóságát többek között összetételi, keménységi-ridegségi, gazdaságossági, termelékenységi és vágásgeometriai szempontokból lehet értékelni. Bizonyos eljárásokkal csak konvex idomok és egyenes élek vághatók, így a konkáv alakzatok vágásához más eljárást is igénybe kell venni. erősen befolyásol(hat)ja. Eróziós vágás során anyagveszteség keletkezik, de a vágási felület tulajdonságai kevésbé módosulnak. A vízsugaras-, az ultrahangos- és az elektroeróziós vágásnál nincsenek jellegzetes mechanikus vágóélek vagy termikus vágófejek, hanem különféle módokon (nagysebességű vízsugárral, ultrahangos rezgetéssel, elektromos szikrakisülésekkel) előidézett koptató (erodáló) hatás alakítja ki a vágási rést. 16
Hagyományos kivágással és finomkivágással készült vágási felület Vízsugaras vágással készített alkatrészek 17
Vághatóság vizsgálata A lángvágás, mint égető vágás feltételei: az anyag oxigénben elégethető legyen, a gyulladási (oxidációs) hőmérsékleten az égés (oxidáció) önmagától bekövetkezzék; az anyag gyulladási hőmérséklete az anyag olvadáspontjánál kisebb legyen, hogy e két érték közötti hőmérsékleten - az elégéskor fejlődő hő révén - az oxidáció tovább folytatódjék; az anyag képződő oxidjának (égéstermékének) olvadáspontja is kisebb legyen, mint az anyag olvadáspontja, hogy az égéstermékek hígfolyós állapotba hozhatók és könnyen eltávolíthatók (kifújhatók) legyenek a keletkező vágórésből; az anyag égéshője (az oxidáció reakcióhője) nagy, hővezetési tényezője kicsi legyen, hogy a vágórés gyorsan kialakuljon és keskeny maradjon. Ultrahangos vágással annál jobban vágható egy anyag, minél ridegebb. A rideg anyagok vághatóságát szerkezetük, szilárdságuk, rugalmassági jellemzőik és a váltakozó irányú (rezgéses) eróziót fokozó csiszolóanyaghoz (pl. bórkarbidhoz) viszonyított keménységük határozza meg. Keményfémek és edzett acélok esetében a hibák keletkezési veszélye jelentősen csökkenthető folyamatosan végzett friss csiszolóanyag-adagolással és kopástermék-eltávolítással. 18
Szerkezeti anyagok hegeszthetősége A hegeszthetőség nem általános érvényű, hanem a konkrét feltételek mellett értelmezhető és csak bizonyos fokú alkalmasságot jelent a hegesztendő alapanyag(ok), a kialakítandó kötés(ek) (ill. varratok), a hegesztő eljárás, a hegesztőanyag(ok), a hegesztési munkarend jellemzőinek figyelembe vételével. Az anyagok hegeszthetősége a létrehozott hegesztett kötések helyi tulajdonságainak és azok teljes gyártmányra kifejtett hatásainak a mindenkori követelményekkel való összhangja alapján ítélhető meg. Legnagyobb mennyiségben acélszerkezeteket hegesztenek, melyeknél az anyagok karbontartalma (C%), karbonegyenértéke (C e %), szennyező-tartalma (H 2 %, S %, P%), a hegesztési hőfolyamat hatására a kötésben kialakuló legnagyobb keménység (HV 10 ) maximálva, az ütőmunka (KV) mértékadó hőmérsékleten (T = +20 C, 0 C, -20 C, -30 C, -40 C, -50 C, -60 C...) mért értéke minimálva van a repedéssel, töréssel szembeni biztonság végett: C% 0,2%, C e % = C% + 1/6 Mn% + 1/5 (Cr% + Mo% + V%) + 1/15 (Ni% + Cu%) 0,45%, H 2 < 5 ml/100 g (varrat)fém, S 0,035%, P 0,035%, HV 10 350, KV(T) 27 J, 40 J vagy 60 J. 19
Repedésképződés hegesztési varratban Elektronsugaras hegesztéssel és volfrámelektródás semleges védőgázos ívhegesztéssel készült varrat 20
Hegeszthetőség vizsgálata A vizsgálatok a hegesztés kivitelezhetőségén túlmenően a kötés, ill. a varrat(ok) alapanyagokhoz képesti tulajdonságait és főként repedékenységét, töréssel szembeni biztonságát tesztelik: keménységmérés: rendszerint 10 kg terhelésű Vickerseljárással a hegesztett kötés keménységeloszlásának, legnagyobb keménységű helyének, legnagyobb keménységének meghatározása céljából; hajlítóvizsgálat: a húzott oldali varratzónában az első repedés megjelenéséig létrehozható hajlítási szög meghatározására; ütvehajlító vizsgálat: KV(T) mérése a hegesztett kötés hidegszívósságának, ridegtörési hajlamának, repedéskeletkezéssel- és terjedéssel szembeni viselkedésének vizsgálatára; repedésérzékenységi vizsgálatok: "merevített" szerkezeti környezetben készült varratokban a hegesztési hőfolyamat által előidézett változások, keletkez(het)ett repedések vizsgálatára. A 850 és 500 ºC közötti lehűlési idő, az anyagvastagság és a kötésalak figyelembe vételével meghatározható a minimálisan szükséges fajlagos hőbevitel (q eff /v). Ennél nagyobb hőbevitellel hegesztve a lehűlési idő nagyobb lesz, így a megengedettnél kisebb keménység várható a hőhatásövezetben. Abban az esetben, ha a szükséges hőbevitel alkalmazásának technológiai korlátja van (pl. fejfeletti vagy függőleges pozíciójú hegesztés), meg kell határozni az előmelegítési hőmérsékletet figyelembe véve azt, hogy a hőelvezetés 2D-s vagy 3D-s. 21
Szerkezeti anyagok forraszthatósága Egyéb fémolvadékkal megvalósuló kötési eljárás A forrasztandó munkadarabok között csak szűk forrasztási hézag lehet és különösen fontos a felületi oxidréteg és a felületen lévő zsír, olaj eltávolítása, mert ezek megakadályozzák a forraszanyag érintkezését az alapfémmel. A felmelegítés elősegíti az oxidréteg kialakulását. Az oxidréteg feloldására és az újraképződés megakadályozására folyasztószereket kell alkalmazni, amit a forrasztási hőmérséklethez igazodva kell megválasztani. A munkadaraboknak és a forraszanyagnak a forrasztási helyen megfelelő hőmérsékletűnek kell lenniük. A forraszthatóság - hasonlóan a hegeszthetőséghez - az alapanyag - forraszanyag - gyártmánykonstrukció - forrasztó eljárás - forrasztási munkarend összefüggés-rendszerében, a követelményeknek való megfelelés mértéke szerint értékelhető. Nagyon fontos a forraszanyag kellő nedvesítőképessége, ill. az összekötendő felületeken való szétterülése, a megfelelő felületminőségű (kellő érdességű, oxid- és szennyezőmentes) alapanyagok illesztési résébe való behatoló-képessége (nedves-kapilláris tulajdonsága) Mivel a forrasztandó anyagok érintkezési környezete nem kap nagymértékű alakítást és nem is olvad meg, így a kötést a forraszanyag megszilárdulása és a forrasztott anyagokkal alkotott adhéziós és/vagy diffúziós kapcsolat valósítja meg. A forraszanyag olvadási hőmérséklete és az ennek megfelelő forrasztási hőmérséklet alapján megkülönböztethető: 450 ºC alatti lágyforrasztás, 450 és 900 ºC közötti keményforrasztás és 900 ºC feletti forrasztóhegesztés. 22
Hullámforrasztással készített kötések pásztázó elektronmikroszkópos képe 23
Forraszthatóság vizsgálata A lágyforrasztás olyan helyeken alkalmazható, ahol a kötésnek nem kell nagy szilárdságúnak lennie, de a megfelelő tömörség és a jó áram- és hővezetőképesség feltétel. A keményforrasztás viszonylag nagy szilárdságot ad és a kötés nagyobb üzemi hőmérsékleten is alkalmazható. A forraszthatóság megítélése a hegeszthetőséghez (különösen a sajtoló hegesztések esetéhez) hasonlóan egyfajta optimalizálási feladat. Gyakori megoldás, hogy különböző anyag- és technológiai paraméter variációkkal kötés-sorozato(ka)t készítenek és ezeket a megcélzott tulajdonság(ok) szempontjából vizsgálják, ill. annak előírt értékéhez viszonyítanak. A figyelembe veendő változók száma rendszerint nagy, ezért célszerű az informatika numerikus optimalizálási módszereit igénybe venni a szignifikáns (jelentős hatású, lényeges) változók kiválasztásához és a technológiai kísérletek gazdaságos megtervezéséhez. Ezáltal viszonylag kis számú technológiai próbával a követelményeknek megfelelő (kvázi)optimumhoz lehet jutni. 24
Szerkezeti anyagok ragaszthatósága A ragaszthatóságot is a hegeszthetőséghez vagy a Ragasztással együtt vagy ragasztás helyett alkalmazható kötési eljárások A ragasztott kötés tulajdonságait a ragasztandó anyagpár felületállapota, illesztésük módja és résmérete, a ragasztó nedvesítő-képessége, ill. felületi feszültsége, a megszilárdult ragasztó egyedi tulajdonságai (pl. szilárdság, hőállóság), a kötési reakciót elősegítő esetleges hőkezelés határozza meg. A ragasztók zöme szerves vegyület, melyek fizikai úton (pl. oldószervesztéssel), vagy kémiai reakció által (pl. polimerizációval) szilárdulnak meg. A kötés adhéziósan, vagy esetenként a ragasztandó felület részbeni oldásával jön létre. forraszthatósághoz hasonló összefüggésrendszerben kell kezelni, a kívánalmaknak megfelelő kötés létrehozására törekedve. Nem kiemelkedő szilárdságú, hanem megcélzott teherbírású kötésekre van szükség. Ugyanis egyre terjednek az ún. szerelő, tehát bontható ragasztások is az oldhatatlanok mellett. Így követelményként felmerülhet a ragasztóanyag adott hőmérsékletű degradálódása, azaz a nagyszilárdságú kötések alapanyagok károsodása nélküli bonthatósága. A hidegragasztók szobahőmérsékleten is kikeményednek, de 100 C-ig terjedhető hőmérsékletintervallumban kötésük meggyorsítható. A melegragasztók kikeményítéséhez rendszerint 100 C-nál nagyobb hőmérséklet szükséges. 25
Ragasztóanyag tömítő funkcióval 26
Ragaszthatóság vizsgálata A ragaszthatóság megítélése a forraszthatóságéhoz hasonló optimalizálási feladat, amikor is az alkalmazott ragasztó technológiai tulajdonságait ellenőrzik vagy különböző ragasztók összehasonlítását végzik, ill. a szilárdulási, kötési idő letelte után a ragasztókötést minősítő vizsgálatokat hajtják végre. Ezekhez a szabványok előírják a próbadarabok alakját, méreteit, számát és specifikálják a vizsgálóeszközt is. A ragasztókötések jóságának vizsgálatai lehetnek roncsolással járók (a kötést meg-szüntetők) és roncsolásmentes módszerek. A roncsolásos vizsgálatok körébe tartoznak a kötéserősséget vizsgáló szilárdsági, statikus és dinamikus tartóssági ill. öregítési vizsgálatok. Ezek révén meghatározható a szakítószilárdság, a nyírószilárdság, a hasítószilárdság, a lefejtési szilárdság, a hajlítószilárdság, a statikus tapadószilárdság. 27
Szerkezeti anyagok hőkezelhetősége A hőkezelhetőség az anyag tulajdonságainak megváltoztatását célzó anyagszerkezet-változtató folyamatok feltételeinek való megfelelőséget minősíti. A hőkezelési cél elérése egyensúlyi irányba ható, vagy attól eltérő irányultságú anyagszerkezetváltozáson alapul, s e két változat más-más feltételek meglétét követeli meg. A legnagyobb mennyiségben felhasznált fémes anyagok a vasötvözetek, melyeknek hőkezelhetőségét az edzhetőségük és az átedzhetőségük jellemzi: Az edzhetőséget az edzéssel (A 3 hőmérséklet feletti izzítással ausztenitesítéssel majd a kritikusnál nagyobb sebességű hűtéssel) elérhető legnagyobb keménység minősíti, ami gyakorlatilag csak a karbontartalom függvénye. A képződő martenzit akkor eredményez jelentős keménységnövekedést (HRC 45), ha a C 0,25%, ami egyben az edzhetőség kritériumának is tekinthető az ausztenitesítés (T > A 3 ) és a gyors hűtés (v hűlés v krit ) mellett. Az átedzhetőség azt fejezi ki, hogy az edzéssel elérhető keménység (ill. azzal arányban a szövetszerkezet martenzittartalma adott karbontartalom mellett) milyen mértékben függ a lehűlési sebességtől, azaz a gyártmány hűtőközeggel érintkező felületétől a belseje (magja) felé mért távolságtól. 28
Eutektoidos acél lemezperlites egyensúlyi szövetszerkezete Eutektoidos acél martenzites szövetszerkezete edzés után Eutektoidos acél szferoidites (szemcsés perlites) szövetszerkezete edzést követő 700 C-os megeresztés után 29
Hőkezelhetőség vizsgálata Az acélok hőkezelhetősége az ún. Jominy-féle véglapedző próbával minősíthető, amiből meghatározott Jominy-görbe a vízhűtésű véglaptól mért távolság függvényében adja meg a keménységet. Mivel a próbatest egyik vége vízben, másik vége levegőn hűl le, a keménység változása tulajdonképpen a lehűlési sebesség függvényében látható a Jominy-görbén. A Jominy-görbe kezdőpontja az edzhetőséget jellemzi, azaz az edzéssel elérhető keménységet adja, ami a karbontartalom függvénye. A görbe inflexiós pontjának véglaptól mért távolsága az átedzhetőség mértékét érzékelteti, mely az ötvözöttséggel növekszik. Egyetlen acél méréssel meghatározott Jominy-görbéjével minősíthető. Egy szabványos acélminőségre melynek kémiai összetétele, azaz ötvöző- és szennyezőtartalma intervallummal (tűréssel, szórással) van megadva csak Jominy-sáv értelmezhető. Egy konkrét gyártmány adott pontjában előírt edzés utáni keménység ill. szövetszerkezet akkor valósítható meg, ha ott legalább olyan hűlési sebesség alakul ki, mint amilyen a szóban forgó keménységhez tartozó Jominy-távolságra jellemző. Ez a hűlési sebesség azonosság teszi lehetővé a Jominy-vizsgálat eredményeinek felhasználását hőkezelési technológia tervezéséhez, pl. keménységtraverzszerkesztéshez. Ez a kérdéses anyagból készítendő hengeres munkadarab keresztmetszete mentén várható keménységeloszlást mutatja, adott hűtőközeggel megvalósuló edzést követően. 30
Szerkezeti anyagok felületkezelhetősége Felületkezelő (felületi kérgesítő) eljárások révén megvalósítható a két fizikailag ellentétes tulajdonság a keménység (kopásállóság) és a szívósság (törésállóság) bizonyos fokú összhangja, hiszen ugyanazon anyagrész nem lehet egyszerre nagy keménységű és nagy szívósságú. Ezért a szívós vagy olyanná hőkezelt anyag felületi részeit tesszük keménnyé felületkezeléssel, mialatt a belső részek változatlanul szívósak maradnak. A felületkezelhetőség megítélésekor tekintettel kell lenni a felületi kérget létrehozó hatás által az alapanyagon ill. a kész terméken okozott változásokra. Ez utóbbi azért is fontos, mert a felületkezelés a legtöbb esetben a gyártmány előállításának befejező művelete. További lényeges jellemző a bevonat tapadási szilárdsága, porozitása, speciális követelményeknek (pl. korrózió-, kopás-, hőállóság) való megfelelősége, hiszen a legtöbb károsodási folyamat a felületről indul ki, tehát a felületkezelés károsodásállóságra ill. élettartamra gyakorolt hatása igen nagy. 31
Indukciósan felületedzett fogaskerék Többfázisú bevonatrendszer keményfém felületén, 2...10 µm rétegvastagságokkal 32
Felületkezelhetőség vizsgálata Hozaganyag nélküli felületkezeléseknél az anyag hidegalakíthatóságát (alakítási keményedését), edzhetőségét (allotróp átalakulásának hatásait), vagy átolvaszthatóságát (gyors dermesztéskori jellemzőit) kell vizsgálni. Hozaganyaggal történő felületkezeléseknél a fellépő fizikai hatások, kémiai reakciók, vagy metallurgiai folyamatok következményeit, ill. a kialakuló bevonatok alapanyaggal való adhéziós, diffúziós, vagy kohéziós kapcsolatát kell értékelni. Az utóbbi esetekben mikroszkópi vizsgálatokat, ill. tapadási szilárdság méréseket lehet végezni. A tapadási szilárdság vizsgálatának többféle elrendezése lehetséges, különböző próbatest-kialakításokkal. A felületkezelési rétegek igénybevételekkel szembeni ellenállóképességét a későbbiekben ismertetendő üzemeltetési vizsgálatokkal lehet minősíteni. Az alkalmazható eljárások közül egyre inkább előtérbe kerülnek az ún. nagy energiasűrűségű (nagy teljesítménysűrűségű) felületkezelések, melyeknek plazma-, elektron- és lézersugaras változatai egyaránt jól használhatók lokális (irányított), azaz csak az arra kijelölt felületrészekre korlátozandó kezelésekhez. 33
Szerkezeti anyagok károsodásállósága és üzemeltetési vizsgálatai 34
Anyagok károsodási formái Üzemeltetés során elhasználódási, károsodási folyamatok indulnak meg, melyek a gyártmány, termék élettartamát befolyásoló alak-, méret-, ill. szerkezet- és tulajdonságváltozásokat okoznak. Az üzemeltetés tárgyi és személyi feltételeitől egyaránt függ, hogy ezek a változások mikor (a tervezett élettartamon belül vagy kívül) érik-e el a kritikus (használhatóságot megkérdőjelező) értéket. A termék anyagát érő mechanikai-, termikus-, vegyi-, biológiai-, elektromos-, mágneses-, sugár- és hanghatások, igénybevételek által kiváltott elhasználódási formák közül: a rövid üzemelés során fellépő károsodási folyamatok nem lehetnek meghatározók egyetlen termék esetében sem, ezek megelőzése alapvető tervezési, gyártási, üzemeltetési és ellenőrzési (állapotfelügyeleti) feladat. a hosszabb üzemelés során fellép(het)ő károsodás-felhalmozódási folyamatok érint(het)ik a termék anyagának egészét (nem lokalizáltak), vagy egy résztartományát (lokalizáltak), miközben a biztonságos üzemeltetés szempontjából eredetileg helyesen megválasztott anyagtulajdonságok megváltoz(hat)nak. 35
A károsodás-felhalmozódási folyamatok vizsgálatával lehet az anyagok károsodásállóságát (károsodással szembeni ellenállását) megítélni, rangsorolni, ill. az ún. maradék-élettartamot (hátralévő üzemidőt) beszülni, ami - az anyagok megmunkálhatóságához hasonlóan - sok esetben nem jellemezhető konkrét mérőszámokkal, hanem a (rendszerint nagyszámú) befolyásoló tényezők segítségével határértékeket, kritériumokat lehet felállítani, tervezési, gyártási és üzemeltetési szempontokat lehet megadni. Az igazán korrekt károsodásállósági jellemzőket nem modell- (próbatest-) kísérletekből, hanem üzemszerű- (gyártmány-) vizsgálatokból lehet nyerni, egy-egy konkrét esetben. Bizonyos területeken (pl. energiaipar) elvileg mód nyílik regenerálási technológiák alkalmazására, melyek révén lehetőség van irreverzibilis (visszafordíthatatlan) anyagszerkezeti változásokat még nem szenvedett szerkezeti elemek (pl. erőművi főgőzvezeték) élettartamának jelentős meghosszabbítására, késleltetve az újak beépítésének szükségességét. Megfelelő időben (akár 10 5 üzemóra után is), megfelelő módon (ismételt fázisátalakulásokat előidéző többlépcsős regeneráló hőkezeléssel) a károsodási folyamat kezdeti szakaszán létrejött kedvezőtlen anyagszerkezeti változások jelentős része megszüntethető. Egy ilyen beavatkozás időpontjának meg kell előznie a mikrorepedések létrejöttét, azaz a folytonossági hiányok mérete nem haladhat meg egy határértéket (pl. 10-3 mm). 36
Szerkezeti anyagok kúszásállósága A kúszás (vagy tartós folyás) közel állandó feszültségen végbemenő folyamat, mely egy-egy anyagcsoportra jellemző hőmérséklet felett, az idő függvényében viszonylag jelentős alakváltozást hoz létre. Pl. a polimerek már szobahőmérsékleten, az alumíniumötvözetek 250 C felett, az acélok kb. 450 C felett hajlamosak kúszásra. A fémek kúszásállósága az újrakristályosodási hőmérsékletük növelésével (pl. acélnál Mo-ötvözéssel) és/vagy diszlokációmozgást gátló, az alapmátrixban nem oldódó kemény, diszperzen eloszló kiválások (pl. acélban V 4 C 3 ) létrehozásával javítható. A kerámiákban már igen kis mértékű kúszás is veszélyes mértékű sajátfeszültségeket kelthet, mivel azok nem tudnak leépülni (a nagy ridegség és a minimális alakváltozó-képesség miatt), hanem halmozódnak, ill. a külső terhelésből eredő feszültségekre szuperponálódnak (azokhoz hozzáadódnak). Ezért pl. a kristályhatármenti kúszást megakadályozó ötvözés, vagy más szóval dopolás javíthatja a kerámiák kúszásállóságát. A kúszást - mint termikusan aktivált folyamatot - jól jellemzi az alakváltozási sebessége, mely a hőmérsékletnek exponenciális, a feszültségnek hatványfüggvénye. A megengedhető feszültséget két megközelítésben szokás definiálni: kúszáshatár, azaz adott hőmérsékleten, adott idő alatt (pl. 10 5 óra) egy meghatározott (pl. 1%) alakváltozást létrehozó feszültség; idő(tartam)szilárdság, azaz adott hőmérsékleten, adott idő alatt törést rendszerint interkrisztallin repedésterjedést követően okozó feszültség. Kúszáshatár - mint méretezési jellemző - akkor használatos, ha az adott anyagból készülő alkatrész megengedhető alakváltozása korlátozott (pl. turbinalapát). Időtartamszilárdságra akkor méreteznek, ha az alakváltozás megengedhető, de a törést ki kell zárni (pl. erőművi gőz-csővezeték). 37
Reológiai vizsgálatok Kúszásvizsgálat során adott hőmérsékleten, állandó feszültséggel terhelt próbatest alakváltozását törésig regisztrálják az idő függvényében. A kúszásvizsgálatnak ill. a kúszási folyamatnak három jellegzetes szakasza különböztethető meg: Lassuló vagy primer kúszás: melynek során a létrejövő képlékeny alakváltozás a szerkezeti anyag keményedését idézi elő. Ennek hatása erősebb, mint az egyidejűleg végbemenő, szilárdságcsökkenést okozó folyamatoké, ezért a kúszás sebessége csökken. A kúszás ezen szakasza logaritmikus függvénnyel jellemezhető. Állandósult vagy szekunder kúszás: egyfajta dinamikus egyensúly áll fenn a keményedés és a szilárdságcsökkenés között. A megnyúlás az idővel lineáris arányban növekszik, amit a szemcsehatárok menti csúszás és a "diffúzióvezérelt" diszlokációmozgás hoz létre. Gyorsuló vagy tercier kúszás: amikor az anyagban végbemenő irreverzibilis (nem visszafordítható) változások és a valódi feszültség növekedése révén - helyi kontrakciók következményeként - a nyúlás gyorsan növekszik és töréshez vezet. Több feszültségszinten végzett vizsgálatok jellegzetes kúszásgörbéit közös diagramban ábrázolva olyan görbesereg adódik, melyből szerkesztéssel és interpolálással meghatározhatók a kúszásállósági jellemzők: pl. 10000 órás kúszáshatár és/vagy időszilárdság. 38
Relaxáció és vizsgálata A relaxációs (ernyedési) folyamat elején -a kúszással szemben - az alakváltozás teljesen rugalmas, majd az idő függvényében az alakváltozást előidéző feszültség csökken. A relaxáció (feszültségcsökkenés) sebessége az anyagminőségen túl függ a kezdeti feszültségtől és a hőmérséklettől. A polimerek már szobahőmérsékleten is jelentős mértékben relaxálnak, míg a fémek és a kerámiák relaxációját a nagyobb hőmérsékletek váltják ki. Jellegzetes, relaxációt mutató szerkezeti elemek pl. a feszített beton acélbetétjei, az ütközésig előfeszített rugók, a kifeszített hangszerhúrok, stb. Relaxáció miatt kell a nagyobb hőmérsékleten üzemelő fémszerkezetek feszített csavarkötéseit is rendszeresen utánhúzni. A relaxáció úgy is felfogható, mint rugalmas alakváltozás átalakulása maradó alakváltozássá az idő függvényében, ami fontos szerepet kap pl. a polimerek formázásában. Relaxáción alapulnak az anyagokban kialakult, belső sajátfeszültségeket mérséklő ún. feszültségcsökkentő hőkezelő eljárások is. A relaxáció vizsgálatánál adott hőmérsékleten, állandó alakváltozásra terhelt próbadarab feszültségének csökkenését regisztrálják az idő függvényében. Tulajdonképpen az figyelhető meg, hogy az alakváltozással beállított méret megtartásához szükséges feszültség hogyan változik. Az időnként tehermentesített próbatestek jellemző méretének mérése alapján relaxációs görbe szerkeszthető. 39
Szerkezeti anyagok melegszilárdsága A folyáshatár változását a hőmérséklet függvényében tekintve látható, hogy az csökken a hőmérséklet emelkedésével. Ezért a tartósan nagy(obb) hőfokon üzemelő gyártmányok tervezésénél az adott hőmérsékleten érvényes melegszilárdsággal (melegfolyáshatárral) kell számolni. Ha a hőmérséklet értéke megközelíti a kúszási folyamatokat aktivizáló határhőmérsékletet (pl. acéloknál a 350 400 C-ot), akkor már csak a kúszáshatár tekinthető mértékadó jellemzőnek. Ugyanis ezen hőmérséklet felett a terhelési időtartam erősen befolyásolja a szilárdsági értékeket. Jó melegszilárdságúnak a kis alakváltozóképességű, nagy kúszási határhőmérsékletű, szobahőmérsékleten is nagy szilárdsággal rendelkező anyagok tekinthetők. A megeresztésállóság a hőmérsékletváltozás (növekedés) következtében létrejövő szövetszerkezeti átalakulás és/vagy összetételmódosulás miatti kopásállóság-változás mértékét (melegkopás-állóságot) jellemzi. Az ún. megeresztési görbében a keménység (rendszerint HV vagy HRC) változása fejezi ki a kopásállóság változását. Egyes nemesíthető (szerszám-) acélokban a megeresztés hatására kiváló szekunder karbidok egy jellegzetes keménység-maximumot eredményeznek az 500 600 C-os hőmérséklettartományban, ami lehetővé teszi ilyen maximális hőmérsékleten való tartós alkalmazásukat. 40
Melegszilárdsági vizsgálatok A melegszilárdság - pontosabban a melegfolyáshatár - meghatározása szakítóvizsgálattal történik, de a vizsgálat időtartama alatt gondoskodni kell a próbatest egészének előírt hőmérsékleten való tartásáról, ill. a kicsi terhelésnövelési sebességről. Keménység mérése meleg állapotban Brinelleljárással végezhető, arra alkalmas készülékben melegítve a próbatestet. Az egyenletes hőmérséklet elektromos fűtéssel melegített olaj- (kb. 250 C-ig) vagy sófürdővel (kb. 250 C felett) érhető el. A fürdőt a belehelyezett próbatesttel ill. a szúrószerszámmal együtt kell felmelegíteni a vizsgálat hőmérsékletére. A terhelést lökés- és rezgésmentesen, egyenletesen kell átadni, majd a teljes értékének elérésekor három percig tartani. A megeresztésállóságot különböző hőmérsékleteken tartósan hőn tartott, majd lehűtött próbatesteken mért keménységek - ill. ezek alapján megszerkesztett megeresztési diagram - alapulvételével lehet megítélni. Kritériumként megadható egy határhőmérséklet, amelyen az előírt keménység még tartható, vagy egy minimális keménység, amit egy meghatározott hőmérsékleten biztosítani kell. 41
Szerkezeti anyagok fáradásállósága Az anyag(ki)fáradás ciklikusan ismétlődő igénybevétel(ek) hatására, lokális anyagszerkezetváltozás nyomán keletkező mikrorepedésből indul ki, szívós repedésterjedéssel folytatódik, majd (rideg)töréssel fejeződik be. A fáradást kiváltó feszültség időbeli változását szemléltetve egy σ m =σ közép középfeszültség "körül" ±σ a =0,5(σ max -σ min ) feszültségamplitúdó ingadozik (közel) periodikusan. A fáradt törés létrejötte tehát három szakaszra bontható. A halmozódó károsodások eredményeként A törésig elviselt N t ciklusszámot az alkalmazott (maximális) feszültség függvényében ábrázolva, minél nagyobb a feszültség, annál hamarabb következik be a törés. Ezekben a Wöhler-görbékben pl. acéloknál kijelölhető egy σ k feszültségérték, az ún. kifáradási határ, amelynél kisebb feszültséget alkalmazva az anyag fáradással nem megy tönkre, azaz elvben végtelen (gyakorlatban 10 7 -nél nagyobb) ciklusszámot is elvisel. Alumíniumnál, polimereknél nincs ilyen vízszintes aszimptota, ezért egy élettartam érték adható meg, ami az adott feszültségszinten a törésig elviselt ciklusok száma. mikrorepedés keletkezik (1. szakasz), ez az ismétlődő igénybevételek hatására szívósan (energiaközlés mellett) terjed (2. szakasz), végül a maradó keresztmetszet ridegen (energiafelszabadulás mellett) törik (3. szakasz). Egy anyag (ill. termék) fáradásállósága annál jobb, minél finomabb szemcséjű, minél kevésbé tartalmaz külső makroszerkezeti bemetszéseket, azaz feszültség-gyűjtő helyeket (lekerekítés nélküli sarkokat, hirtelen keresztmetszet-változásokat éles sarok kezdődő törés! ) és belső makroszerkezeti inhomogenitásokat (folytonossági hiányokat, anyagi heterogenitásokat), minél kedvezőbb a felületi feszültségállapota (pl. húzó helyett nyomó) és kisebb a felületi érdessége. 42
A feszültség az anyagban alakváltozást okoz, mely lehet tisztán rugalmas, vagy ha az amplitúdó nagyobb, akkor rugalmasképlékeny. Az előző esetben a törésig elviselt igénybevételi ciklusok száma (N t ) jóval nagyobb, mint az utóbbinál. Ezek szerint a fáradási folyamatoknak két alaptípusa van: Kis ciklusszámú (Coffin-Manson féle) fáradás (N t < 10 3 10 4 ), melynek során az igénybevétel a folyáshatár feletti (σ max R p0,2 ), ill. az alakváltozás rugalmas-képlékeny és a tönkremenetelt az anyag belsejében keletkező repedések kiterjedése jelenti. Ez fordulhat elő pl. az időnként leállított majd újraindított vegyipari vagy energiaipari nyomástartó edények (tartályok) és csővezetékek ún. feszültséggyűjtő helyein (keresztmetszet-változások, hegesztési csomópontok,...). Nagy ciklusszámú (Wöhler-féle) fáradás (N t >> 10 3 10 4 ), melynek során az igénybevétel a folyáshatárnál kisebb (σ max < R p0,2 ), ill. az alakváltozás általában rugalmas és a törést felületi elváltozásokból, hibákból, lokális feszültséggyűjtő (kismértékű képlékeny alakváltozást okozható) konstrukciós részletekből kiinduló repedésterjedés okozza. Ez jellemző pl. a legtöbb forgó gépalkatrész (tengely, csapágy, kerék,...) vagy kötélpálya sodronykötél huzalok fáradására. 43
belsőégésű motor főtengely (forgattyús tengely) fáradásos törése 44
Nagy ciklusszámú fárasztóvizsgálatok a) Egy anyag Wöhler-görbéjét (kifáradási határát, vagy adott feszültségszinthez tartozó élettartamát, azaz törési ciklusszámát) pl. az ún. forgó-hajlító fárasztóvizsgálattal lehet meghatározni, melynél a "tengelyként" funkcionáló próbatestet csapágyakba illesztik. A forgó próbatestre a középső csapágyak közvetítik a rájuk akasztott változtatható mennyiségű súlyokból származó terhelést. A forgatás és az állandó függesztési irányú súlyterhelés eredőjeként a próbatest semleges szálon kívüli anyagi pontjaiban a kialakuló feszültség iránya félfordulatonként meg fog változni, egy maximális (pozitív húzó) és egy minimális (negatív nyomó) b) Megbízhatóbb információkat ad a valós terhelést szimuláló, számítógép-vezérlésű fárasztógépeken végzett modell- vagy szerkezetfárasztás. Itt a valóságos terhelés-idő függvényt, mint előzetesen kimért és rögzített "programot játsszák le" a tényleges üzemidő változó terhelési szakaszainak megfelelően. c) Két különböző igénybevételnél meghatározott kifáradási határ és a folyáshatár ismeretében fáradási biztonsági diagram - Smith-diagram - szerkeszthető, a fáradásos törést kizáró megengedett középfeszültség (σ m ) és feszültségamplitúdó (2σ a = σ max -σ min ) érték-párosítások meghatározására. feszültség között minden értéket felvéve. Ilyen módon biztosítható a ciklikusan változó igénybevétel, közelítve a valós üzemeltetési körülményeket. Egy-egy σ i feszültségszinten (súlyterhelésnél) a próbatestet törésig "járatják", regisztrálva az igénybevételi ciklusok (N ti ) számát. Különböző σ i igénybevételű próbatestekből álló mérési sorozat eredményei alapján a görbe megszerkeszthető és a folyáshatárnál mindig kisebb kifáradási határ ill. az élettartam kijelölhető. Szokás ún. fáradási rátát is megadni, mely az N t = 2 10 6 10 7 igénybevételi számnál kijelölt kifáradási határ és a folyáshatár hányadosaként értelmezett mértékegység nélküli szám: f = σ k /R p0,2. 45
Kis ciklusszámú fárasztóvizsgálatok Kis ciklusszámú fárasztóvizsgálatok során az összetartozó λ alakváltozási-tartomány (1%-nál nagyobb nyúlásamplitúdó) törésig tartó ciklusszám (N t ) értékpárokat meghatározva, kettős logaritmikus koordináta-rendszerben megszerkeszthető az m és C anyagállandókkal felírt λ N tm = C egyenletű Coffin-Manson egyenes. Az m a károsodás intenzitásával, a C a valódi szakadási nyúlással függ össze. Az elfogadott gyakorlat szerint üzemszerűen pl. N meg = N t /20 ciklusszám engedhető meg kis ciklusszámú fáradás esetére. 46
Szerkezeti anyagok törésállósága A legtöbb szerkezeti anyagunkban előfordulnak folytonossági hiányok, köztük repedések. Szükség van olyan anyagjellemzőkre, amelyek a meglévő repedések törés nélküli elviselését minősítik. A repedések csúcsának környezetében a külső terhelő (átlag) feszültségtől (σ) jelentősen eltérő feszültségek ébrednek (síkbeli alakváltozási állapotot feltételezve): σ = σ π a f ( r, ϕ); σ = σ π a f ( r, ϕ); σ = ν ( σ + σ ). A képletekben a σ π a mennyiség jellemzi a "2a" méretű repedést tartalmazó anyag és a terhelés viszonyát. Ez az ún. feszültségintenzitási tényező (K), melynek mértékegysége MPa m 1/2 vagy N/mm 3/2. A repedés és a külső feszültség egymáshoz viszonyított orientációjától függően megkülönböztethető K I, K II és K III tényező. A repedésterjedés akkor következik be, ha K elér egy bizonyos Kc kritikus értéket, ami anyagjellemző. Mivel az "I" jelű terhelési eset a legveszélyesebb, ezért a K Ic ("ká-egy-cé") érték terjedt el anyagminősítési célra. Az üzemi hőmérsékletre érvényes K Ic ismeretében meghatározható az a kritikus repedésméret (2a), amelynél nagyobb jelenléte változatlan feltételek (pl. σ = R p0,2 / b) mellett töréshez vezet: K x 1 y 2 z x y Ic Rp02, 2 K = σ π a = π a 2a= b π R ahol "b" a méretezésnél alapul vett biztonsági tényező. A kapott "2a" értéket összehasonlítva a roncsolásmentes vizsgálatok eredményével, megítélhető az anyagban lévő repedés veszélyessége. Ic b, p02 2 Az összefüggések a nagyszilárdságú, kis képlékenységű, azaz ridegebb anyagokra (pl. kerámiák, üvegek, edzett szerszámacélok) érvényesek, mivel feltételeztük, hogy a szerkezeti anyag a törésig makroszkopikusan rugalmasan viselkedik (lineárisan rugalmas törésmechanika). A szívós(abb) anyagok repedéseinek csúcsán egy r pl jellemző méretű képlékeny (plasztikus) zóna található. Ha r pl / a > 0,2, akkor a repedéscsúcsnál jelentős a képlékeny alakváltozás, így a rugalmas-képlékeny törésmechanika COD- (Crack Opening Displacement repedésnyitó eltávolodás) koncepcióját kell alapul venni. E szerint repedésterjedés akkor következik be, ha a repedés tágulása a COD kritikus (hőmérsékletfüggő) értéket meghaladja. 47
Repedéskeletkezési-érzékenység vizsgálata Repedés keletkezési feltételei pl. bemetszés nélküli, vékony próbatesten vizsgálhatók hárompontos hajlító vizsgálattal. Regisztrálva az erő változását az idő (ill. a lehajlás) függvényében, meghatározható a maximális erőből (F max ) és az intenzív erőcsökkenés kezdeti értékéből (F 1 ) a σ max és a σ 1 feszültség. Ezekkel felírható a hajlítási paraméter = σ max - σ 1, mely a repedéskeletkezéssel szembeni ellenállás jellemzője. Továbbá képezhető az ún. repedéskeletkezési-érzékenység mérőszáma, mely a maximális feszültség és a hajlítási paraméter hányadosa: repedéskeletkezési-érzékenység = σ σ max σ max 1 Ebből következik, hogy minél kisebb a hajlítási paraméter, annál nagyobb az anyag repedéskeletkezésiérzékenysége. 48
Törésmechanikai vizsgálatok: K Ic és COD meghatározása A hárompontos hajlítóvizsgálat (TPB = Three Point Bending), vagy ún. kompakt próba (CT = Compact Test) forgácsolással kialakított - szabvány szerinti méretű és alakú - próbatestén a csúcsában nullánál nagyobb lekerekítési sugarú bemetszés ("műrepedés") is található, melyet vizsgálat előtt - folyáshatár alatti ismétlődő terheléssel - továbbrepesztenek (min. 1,25 mm-rel), hogy az gyakorlatilag nulla lekerekítési sugarú, valódi repedésben végződjön. A próbatestet nyúlás- (elmozdulás-) mérő bélyegekkel felszerelve, szakítógépben törésig terhelik, miközben regisztrálják az erő- és a bemetszés-szétnyílás kapcsolatát. A kapott görbéből meghatározható az F Q értéke. A próbatest jellemző méreteivel kiszámítható egy K Q feltételezett törési szívósság, mely akkor tekinthető az anyagra jellemző K Ic -nek, ha síkbeli alakváltozási állapotban volt a próbatest, egyébként más geometriájú próbatesttel kell a vizsgálatot megismételni. A képletekben f 1 (a/w) és f 2 (a/w) alkalmasan megválasztott hatványfüggvények. Ha nem teljesültek a síkbeli alakváltozási állapot kritériumai, a K Ic értékét az ún. kritikus J-integrál (J c ) kiszámításával lehet becsülni: K = E Ic J c A COD meghatározása szintén a TPB vizsgálattal történhet. Az erő-repedéskinyílás diagramot regisztrálva, a maximális erőhöz tartozó egyezményes repedéskinyílás (v c ) meghatározható. Hajlításnál a bemetszés, ill. a repedés szögelfordulással nyílik, így egy rotációs tényezővel (pl. n = 3) kell a semleges (nem nyúló és nem rövidülő) szál helyét kijelölni. Ezekkel és a próbatesten mérhető egyéb adatokkal COD számítható. 49
kompakt próba (CT = Compact Test) nyúlás- (elmozdulás-) mérő egységgel felszerelve 50
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. 51
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. 52