ANYAGISMERET 2. a tárgy előadója Dr. Bitay Enikő egyetemi docens Mechatronika I. 391, Művelettervezés I. 1091 Sapientia EMTE, Marosvásárhely, 230-es előadóterem 2009. szeptember 22. 10:00-11:50
Tematika 1. 1. Anyagismeret és mérnöki tudományok. A fémes anyagok jellemző fizikai, kémiai, szilárdsági és technológiai tulajdonságai. Anyagvizsgálat (metallografiai, szilárdsági, technológiai vizsgálatok) 4 óra
Az anyagok mechanikai tulajdonságainak vizsgálata
Visszatekintés
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.)
Anyagok tulajdonságai: fizikai - elektromos vezetőképesség, hővezető képesség, mágnesesség kémiai normálpotenciál mechanikai tulajdonságok - szerkezeti anyagok esetén döntően a mechanikai igénybevétel elviselésére való alkalmasság
Anyagvizsgálat mit, miért? Mechanikai anyagvizsgálat Anyagszerkezet vizsgálata
Mechanikai anyagvizsgálat módszerei Szakítóvizsgálat statikus, roncsolásos Keménységmérés statikus, roncsolásos Kúszásvizsgálat statikus, roncsolásos Ütővizsgálat dinamikus Fáradás ismétlődő Törésmechanikai vizsgálatok statikus, dinamikus vagy ismétlődő
Mechanikai vizsgálatok
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.
A szakítóvizsgálat elve Mechanikus vagy hidraulikus terhelés erőmérő cella álló befogó Próbatest finom útadó Durva útadó (jeltáv) (befogó fej) mozgó befogó v = állandó
Szakítópróbatest Arányos próbatest Lo = 5 d o Lo = 10 d o
Szakítópróbatest Menetes befogás Lemez próbatestek Betonacél
Lágyacél szakítódiagramja A I. a rugalmas alakváltozás szakasza. σ = E.ε (Hook törvény), ahol σ - feszültség, E - rugalmassági modulus, ε - alakváltozás.
Lágyacél szakítódiagramja II.a. folyási szakasz a folyási szakasz az F eh erőnél kezdődik maradó alakváltozás megindulása
Lágyacél szakítódiagramja II.b. egyenletes alakváltozás szakasza. próbatest minden keresztmetszete egyenletesen alakváltózik. keményedés jelensége
Lágyacél szakítódiagramja. III. kontrakciós szakasz a próbatest alakváltozása egy meghatározott téfogatrészre korlátozódik
A szakadás folyamata
Folyáshatár R eh = F S eh o A maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség Mértékegysége: N/mm 2
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
Finomnyúlásmérés
Korszerű szakítógép
Szakítóvizsgálat nagy hőmérsékleten
Az acél viselkedése magasabb hőmérsékleten
Nyomóvizsgálat Nyomószilárdság: R v = F S v o
Példák a nyomóvizsgálatra
Hajlító vizsgálat Nyomott oldal Húzott oldal
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
Hajlító vizsgálat
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.
Keménységmérés a mérés gyors, egyszerű a darabon "roncsolásmentesen" elvégezhető az eredményekből egyéb anyagjellemzőkre is következtethetünk a technológiai folyamatba beilleszthető
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.
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
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 2 2 2 2 π ( ) π 2 2 2 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)
Brinell-keménységmérés
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
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.
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.
Vickers-keménységmérő
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
Vickers keménység mérőszáma
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 = 100 0002, Sem a HRB, sem a HRC keménységmérésnél nincs szükség számolásra, a készülékbe épített mérőóraszerű műszer a műveletet "automatikusan" elvégzi.
Rockwell-keménységmérő
A Rockwell keménységmérés elve
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.
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.
Hordozható keménységmérő
A különböző anyagok keménységi értékei
Szívós rideg viselkedés Törésmechanika
Hidak pl. 1923 Kína vasúti híd 1938 Németország új autópálya híd 1930-40 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
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
Ridegtörési Hajók 1946-ig 4694 hajóból minden 5. Liberty 1100 darabból 400 sérült, 16 db kettétört esetek
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.
Konklúzió - nagy méretű, - hidegben üzemelő, - dinamikusan igénybevett szerkezetek
Szívós - Rideg viselkedés Különbség: - képlékeny alakváltozás -energia
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.
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.
Ami a Titanic című filmből kimaradt! (hajólemez hidegszívósságára ill. ridegtörési hajlamára vonatkozó vizsgálati eredmények) +2 C-os tengervíz +2 C-os tengervíz
Charpy vizsgálat 1901
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.
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.
Charpy vizsgálat A kísérlet során a próbatest eltöréséhez szükséges energia az ütőmunka K = G r (h o -h 1 ) [J]
Ütvehajlító vizsgálat továbblendülés rideg- és képlékeny töretű próbatestek indítás
Állapothatározók Hőmérséklet - környezeti, hűtés, melegítés Alakváltozási sebesség -ütőgép geometria, tömeg Feszültségállapot - bemetszés alakja
Az anyagok viselkedése a hőmérséklet függvényében L.k.k.. T.k.k. T.k.k. rideg szívós Nagy szilárdságú anyagok
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.
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.
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!