16. Törés. Dr. Krállics György

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16

Törés

Dr. Krállics György [email protected]

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

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

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

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

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

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

Szívós törés I.

Feszültség

Jelentős mértékű képlékeny alakváltozás a törés előtt.

Alakváltozás

9

Szívós törés mechanikai sémája szakításnál

θ

   sin  cos 

10

Szívós törés II. Károsodás:

üreg üreg növekedés felület kontrakció keletkezés és összenövés elnyírása 

törés

σ Acél töretfelülete

50mm mm 50

Második fázisú részecskék, elősegítik üregek keletkezését. 11

Ridegtörés

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

A ridegtörés mechanikai sémája szakításnál

13

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

Feszültségi állapot hatása Névleges feszültség

F n  A Maximális feszültség

 max   n   k

 k  Kt   formatényező  max k  n Rugalmas megoldás

Diagram αk meghatározására

16

A feszültségi állapot ridegítő hatása

 t  törési alakváltozás T=áll.   áll. Határgörbe

 1  eq  2

zömítés

csavarás

szakítás

1   2   3 k  eq 2



1   2   1   3    2   3  2

2

18

Bemetszés feszültségkoncentrációs hatása σnév σy max 2c



k 

y

max

 név

 k  1 2

c



σnév 19

Az alakváltozási sebesség hatása Acél statikus és dinamikus szakítása

v 1  l s vk 

m

 0

d / d 



A sebesség növekedése kontrakció mentes szakadást eredményez (vk)

d

A hőmérséklet hatása F

F

T<
T20=20oC 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.

A hőmérséklet és a bemetszés érzékenység együttes vizsgálata

Charpy-féle ütvehajlító vizsgálat KV [J] -20 oC

90o C

-70 oC 20o C

Hőmérséklet

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

Transzkrisztallin (hasadásos) törés

A repedés a szemcséken keresztül, meghatározott atomsíkokon terjed.

24

Interkrisztallin törés

A törés a szemcsék között, a szemcsehatárokon történik.

25

Szívós törés A töretfelület gödrös, tompa fényű. A törést a csúsztatófeszültségek hatására bekövetkező elnyíródás okozza.

Üregek összenövése

Üregek képződése második fázis körül 26

Ridegtörés diszlokációs értelmezése Repedés keletkezésének feltétele: képlékeny alakváltozás. Képlékeny alakváltozáskor megnő a diszlokációsűrűség, ami üregeket, repedéseket eredményez.

t.k.k

z

a 111 2

Cottrell-féle „hasadási” diszlokáció

101

σ

σ

100

100

y x





a 1 11 2

10 1 

Hasadási sík

σ

σ





a a 111  1 1 1  a001 2 2 27

Repedés folyamata Repedés keletkezése

Repedést tartalmazó szerkezeti elem Repedés megindulása (statikus v. dinamikus) Repedésterjedés

Repedés megáll

Instabil

Stabil

Lassú repedésterjedés

Ridegtörés

Szívós törés

Fáradásos, kúszási törés 28

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

Törésmechanikai elméletek

a)

b)

a) Lineáris rugalmas alakváltozás b) Kis területre korlátozódó képlékeny alakváltozás

c)

d)

c) Rugalmas–képlékeny alakváltozás d) Képlékeny alakváltozás az egész testben 30

Terhelési módok

I.

II.

III.

31

A törés energetikai modellje 2 E k , E  rugalmassági modulusz,  k  fajlagos rugalmas felületi energia a l  repedés hossz

1.)  krit 

2.)  krit  3.)  krit 

2 E k , v  Poisson tényező, Griffith elmélet 2  a 1   2 E p 1   k /  p 

a

wf   k

,  p  fajlagos képlékeny felületi energia

 k   p , Orowan elmélet 4.)  krit 

2 E p

a

wf   k   p Törési energia

1. Rugalmas test, sík feszültségi állapot, 2. Rugalmas test sík alakváltozási állapot, 3.- 4. Rugalmas-képlékeny test sík feszültségi állapot

32

Feszültségintenzitási elmélet Egy általános alakú test belsejében lévő repedés csúcsánál kialakuló feszültségmező 1  ij  K I fijI  K II fijII  K III fijIII   2 r ahol KI, KII, KIII – feszültségintenzitási tényezők a különböző terhelési módoknál, fijI , fijII , fijIII –  dimenziónélküli függvények.

I. terhési módra σyy

 ij 

KI fij   2 r

r 33

KI   3   xx  cos 1  sin sin   2 2 2  2 r KI   3   yy  cos 1  sin sin   2 2 2  2 r KI   3  xy  cos sin sin  2 2 2 2 r Síkbeli feszültségi állapotban

σz=0,

Síkbeli alakváltozási állapotban

 z    x   y 

Instabil repedésterjedéskor KI = Kc. Ha ez a repedésterjedés síkbeli alakváltozási állapotban lép fel, akkor KI = KIc, amely anyagjellemző (törési szivósság). . 34

Feszültségintenzitási tényező KI    a

a 

2 4 a a      sec 1  0.025    0.06    2W  W  W  

W  , K I    a

KI /

W=200 mm W=200 mm

a

35

Képlékeny zóna meghatározása KI   cos 1  sin  2 2 2 r KI   2  cos 1  sin  2 2 2 r  3  0, sík feszültség

1  repedés

 3    1   3  , sík alakváltozás  eq 

1 2

 1   2    1   3  2

2



 2   3   Re 2

2

1  KI   3 2  rp    1  cos   sin    sík feszültségi állapot    4  Re   2  2

rp   

1  KI   3 2  2 1  2  1  cos     sin    sík alakváltozási állapot    4  Re   2 

36

Kis képlékeny tartományú LRTM A képlékeny zóna síkbeli feszültségállapot esetén: 2 1  KI  rp    , 2  Re  Síkbeli alakváltozási állapot esetén: 2 1  KI  rp    6  Re 

σyy

Re

a aegy.

rp

A módosított repedéshosszal számolva a rugalmas anyagra vonatkozó törési elmélet alkalmazható:

aegyenértékű  a  rp 37

Képlékeny zóna változása a próbatest vastagsága mentén

középső tartomány

repedés

felület

38

Feszültségintenzitási tényező korrekciója 1  KI  K I  Y   a , rp    6  Re 

2

K I  Y    a  rp  , 2  1  KI   2 2 2 KI  Y    a      6  Re    

K I  Y  a

1 Y   1   6  Re  2

2

39

Törésmechanikai méretezés Az adott szerkezetben repedés lehetséges ! Azt kell megakadályozni, hogy a repedés instabilan terjedjen.

K I  K Ic Szerkezettől és terheléstől függ Repedéssel rendelkező szerkezet vizsgálata

K I  Y  a  K Ic K Ic  max  Y a

Anyagjellemző Törésmechanikai anyagvizsgálat

f  a   Y  a    a  K Ic akrit  solve  f , a 

40

Törési szivósság meghatározás

KQ  1 2

3 2

FQ BW 5 2

0.5

Y(a / W ) 7 2

9 2

a a a a a Y  29.61   185.5    65.5    1017    638.9   W  W  2 W  W  W   KQ  ha a, (W  a), B     KQ  K Ic  acél  2.5,  alumínium  4   Rp 0.2    41

A Kc változása a falvastagság függvényében Kcmax Kc

KIc síkbeli alakváltozási állapot síkbeli feszültségi állapot

falvastagság

42

Törésmechanikai ellenőrzés Adott geometriájú és terhelésű tartály falában roncsolás mentes vizsgálattal megállapították hogy 2ax2b méretű elliptikus repedés van. A mértékadó feszültség: pr  2t

Szilárdsági számítással meghatározható a repedés csúcsánál a feszültség intenzitási tényező. K I  Y  a  K Ic  a szerkezet működőképes 43

Törési szivósság MPamm0.5

Különböző anyagok törési szívósság értékei

Ötvözött nemesíthető acélok

3500 3000

AlMg

2500 AlMgSi

2000

AlCuMg

1500

AlZnMgCu

1000 0

100 200 300 400 500 600 Rp0,2 MPa

Ötvözött acélok 44

Törési szívósság különböző szövetszerkezet esetén

NiCrMoV ötvözésű nemesíthető acél 45

Törési tipusok változása a hőmérséklet függvényében Rm

Rp0,2

k

50 % Tk2

Rideg törés

KIc

T*

Kvázi-rideg törés

Szívós töretfelület (Charpy) Tk1 Szívós törés

k

2a

max

Hőmérséklet

K Ic  Y k  a

oC

k

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 Kc falvastagság függése Törési szívósság Képlékeny zóna Törésmechanikai méretezés alapegyenlete Kritikus hőmérsékletek

47

A tananyag részletesen megtalálható William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction, 7th edition, 2006 Chapter 8 Failure 207-226 pp.

48