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 (jeltáv)
mozgó befogó
v = állandó
Durva útadó (befogó fej)
Szakítópróbatest Arányos próbatest
Lo = 5 ⋅ d o L o = 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 FeH 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
F eH R eH = So A maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség Mértékegysége: N/mm2
Egyezményes folyáshatár A terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár :
Fp 0, 2 [N/mm2] R p 0, 2 = So adott maradó alakváltozáshoz tartozó feszültség
Finomnyúlásmérés
Korszerű szakítógép
Szakítóvizsgálat nagy hőmérsékleten
Az acél viselkedése magasabb hőmérsékleten
Nyomóvizsgálat
Nyomószilárdság:
F v Rv = So
Példák a nyomóvizsgálatra
Hajlító vizsgálat Nyomott oldal
Húzott oldal
Meghatározható mérőszám Hajlító szilárdság Jele: Rmh Mértékegysége: N/mm2 ahol M a maximális hajlítónyomaték a K a keresztmetszeti tényező, ami kör keresztmetszet esetén négyszög keresztemetszetre
M R mh = K F⋅l M = 4
⋅π d K= 32 3
a ⋅ b2 K= 6
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:
HB =
F = D⋅ π ⋅h
F
2 2⎞ ⎛ D D d ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ D⋅ π⋅⎜ − ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎟ ⎜2 ⎝ 2⎠ ⎝ 2⎠ ⎟ ⎝ ⎠
=
2 ⋅F
D ⋅ π ⋅ (D − D 2 − d 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/mm2 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 F 0,102 ⋅ F 0,102 ⋅ 2F számértéke: HB = = HB = 2 2 D.π.h A ( ) D π − − D d D • A keménység mértékegység nélküli szám!
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 d1 az ismert HB1 keménységű etalon pálcán létrehozott lenyomat átmérője és d2 az ismeretlen HB2 keménységű anyagon keletkezetté, akkor a keresett keménység: 2 2 HB 2 = HB1 ⋅
D − D − d1
D − D 2 − d2
2
A keménységet a kalapácshoz mellékelt táblázatokból lehet kiolvasni, ahol a keménységértékek felett szereplő számok a szakítószilárdság tájékoztató értékei kg/mm2-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 d2
, = 1854 ⋅
F d2
2 ⋅ sin 68 o ahol F a terhelőerő, S a lenyomat felülete, d = (d1 + d2)/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.
HV = 0,102 ⋅ 1,854 ⋅
F d
2
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:
HRB=130−
e ; 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:
HRC = 100 −
e 0,002
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
Ridegtörési esetek
• 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 Tartályok • 1919 Boston melaszos tartály • 1944 USA -162 C°-os földgáz tartály • 1944 New York 20 m átmérőjű H2 tartály 20 darabra • 1950 Répcelak
Hajók • 1946-ig 4694 hajóból minden 5. • Liberty 1100 darabból 400 sérült, 16 db kettétört
Ridegtörési 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 (ReH, Rm, 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, H1 magasságból indítható, m tömegű ingájának egy ütésével meghajlítják ill. eltörik, majd meghatározzák a felhasznált energiát (KV) a fel nem használt energiával arányos H2 magasságra történő továbblendülésből: KV = m ⋅ g ⋅ (H1 - H2) = 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 közvetlenül leolvasható. Az így kapott mérőszám jól Az anyagok többségének ütőmunkája a hőmérséklet használható információ, mivel általánosan (nemzetközi függvényében úgy változik, hogy a rideg és szabványokban) elfogadott feltételek mellett határozható képlékeny állapot között van egy átmeneti szakasz, meg. A vizsgálat információértékét befolyásolja a próbatest melyben kijelölhető kritikus átmeneti hőmérséklet és a bemetszés geometriája, az inga által leadható energia (Transition Temperature) (TTKV) az anyagok (100 vagy 300 J a szokásos) és az ütési végsebesség is, ridegtörési hajlamának rangsorolására alkalmas. Ezt ami általában 5-7 m/s. Ezért csak az azonos körülmények vagy a görbe inflexiójához rendelik, vagy megadott között végzett vizsgálati eredmények hasonlíthatók ütőmunka-értékhez. össze egymással. Nem szabványos méretű próbatest A töretek felületének makro- és mikroszkópikus esetén KCV [J/cm2] fajlagos ütőmunkát lehet meghatározni morfológiai elemzésével foglalkozó fraktográfia a a tényleges törött keresztmetszetre vonatkoztatva. Az törés rideg avagy képlékeny jellegéről tájékoztat. Az ütvehajlító vizsgálat gyors és egyszerű módja az anyagok ütvehajlító vizsgálati próbatesteken a képlékenység ridegtörési hajlamának kimutatására a hőmérséklet, mint (szívósság) mértékét kifejező laterális expanzió rideg vagy szívós anyag-állapotot befolyásoló (keresztirányú szélesedés) is mérhető. 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: mr ⋅ g ⋅ (h1 − h2 ) ⎡ J ⎤ ,⎢ 2 ⎥ KCV = S` ⎣ cm ⎦
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 = Gr(ho - h1) [J]
Ütvehajlító vizsgálat továbblendülés indítás
rideg- és képlékeny töretű próbatestek
Állapothatározók • Hőmérséklet - környezeti, hűtés, melegítés • Alakváltozási sebesség - ütőgép geometria, tömeg • Feszültségállapot - bemetszés alakja
Az anyagok viselkedése a hőmérséklet függvényében L.k.k L.k.k ..
rideg rideg
T.k.k. T.k.k.
szívós 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!
