A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai Kalmár Emília ÓE Kandó MTI
Szerkezeti anyagok igénybevételei Az elemzés szükséges: A szerkezeti anyagok tulajdonságainak meghatározásához, A károsodási folyamatok megértéséhez, Ahhoz, hogy a megfelelő szerkezeti anyagot választhassuk ki az eszköz működési funkciójához.
A szerkezeti anyagok funkció által meghatározott igénybevételei: Térfogatra ható igénybevételek: - mechanikai igénybevételek, - termikus igénybevételek, - sugárfizikai igénybevételek, Felületre ható igénybevételek: - sugárfizikai igénybevételek (felületre hatók is), - kémiai igénybevételek, - biológiai igénybevételek, - tribológiai igénybevételek.
Térfogatra ható mechanikai igénybevételek: Húzás-nyomás, Nyírás, eltolás,csúszás, Hajlítás, Csavarás, torzió, Hidrosztatikai nyomás.
Húzás-nyomás: d 0 Δl/2 l 0 h ny nyúlás F A kontrakció k F A l l Húzó fesz. 0 d d 0
Nyírás, eltolás, csúszás: F w Nyíró feszültség F A υ Nyíró alakváltozás w tg l 0
Hajlítás: F/2 F Hajlító nyomaték: Behajlás: M max u Fl 4 h l 0 0 F/2 h MEMS kapcsoló poliszilíciumból (Micro-Electro-Mechanical System) ~ 5 μs
Csavarás, torzió: F φ Forgató nyomaték Torzió M Fr l 0 F Törési felület: A pont: a törés kiindulópontja körülötte fáradási zónák, jobbra a torziós törés befejező szakasza Torziós mező szemléltetése tenzorokkal
Hidrosztatikai nyomás: A nyomás minden oldalról p Kompresszió K V V 0
A szerkezeti anyagokra ható igénybevételek időbeli lefolyása Állandó: Igénybevételek: - statikus, - kúszási, Periódikusan változó (lengő), Sztochasztikusan változó. Az igénybevételek szinte mindig egymásra szuperponálódva, komplexen hatnak.
Statikus, tartós igénybevétel: ig.v. 1(t) t Minden bekapcsolás, ill. az ellentettje a kikapcsolás, feszültségmentesítés. Valóságban a jel erre a jelre, mely a készülék sajátja, szuperponálva jelenik meg.
Erőteljes, rövid ideig tartó igénybevétel: δ(t) ig.v. Valós igénybevétel Rövid ideig tartó nagy energia közlést jelent: pl.: ha leesik a készülék vagy hozzácsapódik valami. t
Periódikusan változó, lengő vagy lüktető igénybevétel: Az állandó amplitúdójú lengőterhelés valamilyen állandó előterhelésre szuperponálva jelenik meg.
Sztochasztikusan változó igénybevétel: ig.v. A véletlenszerűen változó igénybevétel állandó vagy változó előterhelésre ültetve hathat. t
A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai Jellemző paraméterek: Adott erő vagy feszültség hatására a vizsgált szerkezeti anyag (mechanikai igénybevételre terhelt anyagok) milyen alakváltozást szenved ill. milyen terhelés hatására törik el.
A szerkezeti anyagok alakváltozásai lehetnek: Reverzibilis: a terhelés megszűnik az alakváltozás is megszűnik időben: rugalmas azonnali, egyidejű, viszkorugalmas időben elhúzódó, Irreverzbilis: a terhelés megszűnik maradó alakváltozás (képlékeny viselkedés) időben: plasztikusság, viszkoplasztikusság, Törés: A szerkezeti anyag szétválása, folytonosságának megszakadása a repedések makroszkopikus tartományban való terjedése következtében. (rideg viselkedés)
A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai állapotfüggőek. Állapotváltozók: Hőmérséklet, Feszültségi állapot, Alakváltozás sebessége.
Rugalmasság: Lineárisan rugalmas: σ Húzás: σ = εe, Nyírás: Hook-törv. E=rug.modulus τ = γg Hidrosztatikai nyomás: β h = kk K=nyomási modulus G=csúsztató modulus ε Csekély alakváltozás (ε 0,01%) esetén minden szilárdtest rugalmas. A görbe alatti terület a befektetett alakítási energia veszteség nélkül visszanyerhető!
A rugalmassági állandók a kristályt felépítő atomok/ionok között ható erőkre jellemzők A köbös kristályú fémekben a rugalmassági állandók függetlenek az iránytól (izotróp), az alacsonyabb szimmetriájú kristályokban az anyagállandók tenzorok Az anyag olvadáspontja és a rugalmassági állandók között arányosság, eredete a vonzó és taszító erők természetében. emlékeztető A rugalmassági állandó a hőmérséklet növekedésével csökken.
Nem-lineárisan rugalmas: A terhelés megszűnte után az alakváltozási energia teljes mértékben felszabadul. pl.:gumi (kb.500% nyúlásig! Rugalmatlan: Rugalmatlan hiszterézis: nyúlásgörbék a terheléskor és a terhelés megszűnte után nem esnek egybe. pl.: vibrációs csillapításnál előnyös. Energiabevitel veszteség
Viszkorugalmasság: A viszkorugalmasság (viszkoelaszticitás) időtől függő, reverzibilis alakváltozás. Fogalom összevonás: - viszkózus viselkedés: nyúlás lineárisan függ az időtől irreverzibilis folyamat, - rugalmas (elasztikus) viselkedés: lineáris összefüggés van a feszültség és a nyúlás között. Jellemzői: E r = relaxációs modulus, a viszkorugalmas alakváltozással szembeni ellenállás mértéke, Τ = relaxációs idő, relaxációs alakváltozás sebességének mértéke.
Szilárdság és alakváltozás Szilárdság: a szerkezeti anyag vagy szerkezeti elem töréssel szemben támasztott ellenálló képessége. Függ: szerkezeti anyag (kémiai jellemzők, kötések, mikroszövet), szerkezeti elem geometriája (alak, érdesség, bemetszések), igénybevétel jellege, igénybevétel idő függvény, hőmérséklet, környezeti feltételek (pl.: korróziós közeg). Mechanikai-technológiai vizsgáló módszerekkel határozható meg.
Szakítóvizsgálat Az S 0 kiinduló keresztmetszetű és L 0 kezdeti hosszúságú próbatestet egytengelyű húzó igénybevétellel adott sebesség mellett addig nyújtunk, míg be nem következik a szakadás. A vizsgálat során mérjük a terhelés változását a darab nyúlásának a függvényében.
σ I Δ ε Szakítódiagram II III σ el alsó folyáshatár σ eh felső folyáshatár σ m.szakítószilárdság I Rugalmas alakváltozás: a terhelés megszűnése után a darab visszanyeri eredeti alakját. II Egyenletes alakváltozás: a képlékeny deformáció a mérőhossz minden egyes pontján azonos. A terhelés megszűnése után az egyenletes nyúlás egyenesével párhuzamosan tér vissza a 0 terhelésre, van visszamaradó deformáció (Δε). III Kontrakció: a képlékeny deformáció egy szűk tartományra korlátozódik.
A képlékenység vagy a ridegség nem csak az anyag, hanem annak állapotának a jellemzője. A mérésből meghatározhatóak még a következő mutatószámok: ε t teljes törési nyúlás, l lu l0 t l u törés utáni próbatest hossz, l0 l0 l 0...próbatest eredeti hossza. Z A A 0 Z kontrakció, ΔA legnagyobb keresztmetszet változás, A 0 kiinduló keresztmetszet. Ezekből a viszonyszámokból számolható vagy becsülhető: a szerkezeti elem méretezése, konstrukció terhelhetősége, a szerkezeti anyag képlékenységének megítélése az alakítás alatt.
A szerkezeti anyagok kúszása és terhelés alatti viselkedése Kúszás: Az állandó, tartós terhelés alatt jelentkező, a t időtől és a T hőmérséklettől függő alakváltozás. Ε =f(σ; t; T) Okai: A termikusan aktivált folyamatok (pl.: diszlokációs és kristályhatár mozgások). Ezek olyan hőmérsékleten lépnek fel, amely függ: Szerkezeti anyag fajtájától, T m olvadási hőmérséklettől, (T ü üvegesedési hőmérséklettől). pl: fémek: T ü >(0,3 0,4)T m, keramikus anyagok: T ü >(0,4 0,5)T m
Kúszási görbe: tartós terhelési görbe, időtől függő ε = f(t) alakváltozás, ha σ = const.; T = const. Szakaszai: I. Átmeneti v. primer kúszás szakasza kezdeti képlékeny alakváltozás, II. Állandó v. szekunder kúszás szakasza dinamikus egyensúly a keményedés és a szilárdság csökkenés között, III. Gyorsuló v. tercier kúszás szakasza kúszási megnyúlás gyors növekedése, irreverzibilis folyamatok kúszási törés
Kúszáshatár: Az a feszültség, amely adott hőmérsékleten (T) végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb maradó alakváltozást (σ T0,2 ). Időtartam-szilárdság: Az a feszültség, amely t idő alatt adott ε t maradó alakváltozást hoz létre.
A szerkezeti anyagok kúszási folyamatairól: A szerkezeti anyagok kúszása feszültségrelaxációval van összefüggésben, azaz valamely konstrukcióba előfeszítéssel bevitt feszültségek az anyag képlékeny megnyúlása nyomán idővel csökkennek. Emiatt pl. a fémszerkezetek csavarkötéseit 0,3T m feletti üzemi hőmérsékleten rendszeresen meg kell húzni!
A kúszás hatása turbinalapáton a lapát tönkremenetele
Kifáradás és kifáradási határ Kifáradás: A szerkezeti anyag változó ill. lengő igénybevétel mellett bekövetkező tönkremenetele. Mikroszkópikusan: Az ide-oda csúszkáló diszlokációs vonalak csúszási sávokká történő felhalmozódásából tevődik össze. Makroszkópikusan: Keményedés formájában jelentkezik. A próbatest felületén nyíródási jelenségek, repedések kiindulása lehet. A kiinduló keresztmetszet lecsökken erőszakos szakadás lép fel.
A szerkezeti anyag kifáradásának okai lehetnek: A hirtelen ébredő túlterhelés, A terhelő feszültség gyakori és nagy ingadozása, Az ismételt igénybevételek túl nagy száma, Feszültség koncentrációs helyek jelenléte, Hőmérséklet ingadozása, Korrózió, Az anyag belső feszültségeinek nagysága és eloszlása, Az anyag szerkezete, Többtengelyű feszültségi állapot.
Wöhler-görbe: feszültség lengő igénybevétel szám. Kísérleti úton határozzák meg. 0,2 < σ w /σ F <1,2 ahol σ w =kifáradási határ, σ F =folyási határ. A görbe acélra vonatkozik, tartós szilárdsággal rendelkezik: ha a terhelés σ w, akkor N. De pl.: a Cu, Al esetén a görbe asszimptotája a vízszintes tengely!
1998. június, Németország A baleset oka: a kerék repedése. Akkor még nem volt törésmechanikai előrejelzés, csak az átmérő csökkenést ellenőrizték. Boeing 707 Hawaii Oka: anyagfáradás csak 1 áldozat
Anyagkárosodás, anyagvédelem A szerkezeti anyagokat technikai alkalmazásuk során különböző hatások érik, melyek működésüket és élettartamukat károsan befolyásolják, ezek az anyagkárosodási folyamatok. Az anyagkárosodást okozhatják: A térfogatra ható igénybevételek: mechanikai, termikus, sugárfizikai, A felületre ható igénybevételek: sugárfizikai, kémiai, biológiai, tribológiai.
Az anyagkárosodások csoportosítása: törés, öregedés, korrózió, biológiai anyagkárosodás, kopás. A károsodási ismeretek célja: feltárni az anyagkárosodások okait, anyagvédelemre módszereket kidolgozni, módszerek a károsodás ellensúlyozására, módszerek a károsodás megelőzésére.
Törés A szerkezeti anyag makroszkópikus megszakadása, amelyet a mechanikai igénybevétel okoz, amennyiben az túllépi a szilárdtest belsejében fennálló kötőerőt.
Szívós törés Rideg törés
Törésmechanika A szerkezeti anyagokban meglévő repedésszerű hibahelyek alakjában jelentkező hibák jelenlétéből indul ki és a szerkezeti anyagnak a repedés tovaterjedésével szemben tanúsított ellenállását vizsgálja.
Öregedés Az idő folyamán valamely anyagban lezajló összes olyan kémiai vagy fizikai folyamat, amelyekhez a szerkezeti anyag tulajdonságainak (többnyire negatív) megváltozása kapcsolódik. Okai lehetnek: belső (pl. összetétel változások), külső (pl.: hőmérsékletváltozás, sugárzás).
Különböző anyagok különböző öregedési jelenségeket mutatnak: Fémek esetében - mechanikai mutatószámok megváltoznak, Szervetlen anyagok esetében bizonyos anyagok kiválása következtében kiizzadás vagy kivirágzás, Polimer szerkezeti anyagok esetében duzzadás, zsugorodás, vetemedés, diffúzió, repedésképződés elszíneződés, különösen megfakulás következtében.
Öregedés elleni védelem érhető el: Inhibitorokkal olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciókat késleltetik, Stabilizátorokkal ezek az anyagok a feldolgozással ill. az öregedéssel okozott tulajdonságváltozásokat csökkentik. Pl.: hőstabilizátorok, sugárzás elleni védőanyagok.