3. A mechanikai tulajdonságok

Anyagismeret

3. A mechanikai tulajdonságok 3.1. Anyagjellemzők és anyagvizsgálati mérőszámok A szerkezeti anyagok (fémek, ötvözetek, kerámiák, polimerek, kompozitok) és a funkcionális anyagok, ill. termékek (folyadékok, gázok, ill. pl. ruházati termékek, élelmiszerek stb.) minősítésére, rendeltetésüknek való megfeleltetésére számos követelményt támasztott a szabványosítási rendszer, amelyet úgy is tekinthetünk mint a kereskedelmi forgalomban érdekelt piaci szereplők (gyártók, forgalmazók, fogyasztók) közös nyelve valamely anyag vagy termék egyértelmű jellemzésére. A szerkezeti anyagok esetében a legalapvetőbb minősítési kritériumok közé soroljuk a mechanikai tulajdonságokat, amelyeket mérnöki szempontból azon anyagtulajdonságok összességének tekintünk, amelyek az adott anyag viselkedését jellemzik mindazon külső körülmények hatására, amelyek egyik – tehát nem feltétlenül egyetlen – lényeges összetevője valamilyen mechanikai terhelés. 3.1.1. A mechanikai terhelések főbb csoportja A mechanikai tulajdonságok közé tartozhatnak ebben az értelemben: fizikai anyagjellemzők (pl. a rugalmassági modulus), a mechanikai terhelésekkel szembeni ellenállásnak csak az anyagtól és a fizikai feltételektől (pl. nyomás, hőmérséklet) függő, de az anyagvizsgálati módszertől és az anyag pillanatnyi alakjától független anyagjellemzői (pl. a törési szívósság), a mechanikai terhelésekkel szembeni ellenállásnak nem csak az anyagtól és a fizikai feltételektől (pl. nyomás, hőmérséklet), de az anyagvizsgálati módszertől és az anyag pillanatnyi alakjától is függő anyagvizsgálati mérőszámai (pl. a keménység, a folyáshatár) és végül valamely gyártástechnológiai folyamatra való alkalmasságot kifejező technológiai tulajdonságok (pl. a forgácsolhatóság, mélyhúzhatóság. Mechanikai terhelés alatt mindig olyan igénybevételt értünk, amelynek hatására az anyagban, ill. annak felületén valamilyen mechanikai feszültség ébred, ezek alapeseteit mutatja be a 45. ábra. Érzékelhető a fentiekből, hogy az anyagok mechanikai tulajdonságait felsorolni akarván nagyon hosszú listát állíthatnánk össze, azonban

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok ennek nem sok értelme van, ugyanis a szerkezeti anyagok éppen azért olyan sokfélék, mert a legtöbbjük esetében a felhasználót csak néhány mechanikai tulajdonság – és esetleg más további tulajdonságok, pl. sűrűség, hőszigetelő képesség, korrózióállóság, sugárzáselnyelő képesség stb. – megléte, ill. mértéke érdekli. „Egy másik felhasználói igényre másik anyagot választani!” ez nevezhető a bevált anyagválasztási filozófiának, noha vannak ezzel ellentétes törekvések is, pl. van olyan hegesztőanyag-gyártó cég Magyarországon is, amely egy univerzálisnak mondott anyagféleséget javasol minden hegesztési célra – az univerzalitásnak azonban megkéri az árát.

5. ábra – A mechanikai feszültségek alapesetei: húzó (a), nyomó (b), nyíró (csavarás) (c), kéttengelyű v. membránfeszültség (d), háromtengelyű v. hidrosztatikus feszültség (e)

Az anyagtól megkívánt mechanikai tulajdonságok összessége szempontjából tehát lényeges szerepet kap az a mechanikai terhelés, amely a szóban forgó anyagot vagy az abból készített szerkezetet terhelni fogja. A mechanikai terheléseket ebből a szempontból három nagy csoportba és ezek kombinációjába sorolhatjuk: Statikus terhelések: állandó húzás, nyomás, hajlítás, nyírás, csavarás vagy ezek kombinációja. Dinamikus terhelések: ütésszerű, lökésszerű hatások, amelyeknél az igénybevételi sebesség jelentős. Ismétlődő igénybevételek: a terhelés nagysága és/vagy iránya ciklikusan váltakozik. Kombinált igénybevételek: a mechanikai terhelés mellett lényeges szerepet játszik valamely egyéb külső hatás, pl. a nagy hőmérséklet vagy a korrózió.

22. oldal

Anyagismeret

3.1.2. Az állapottényezők A mechanikai tulajdonságoknak szinte mindegyikét – többé vagy kevésbé – olyan tényezők befolyásolják, amelyek az anyag belső állapotával, illetőleg a külső feltételekkel függnek össze. Ismert jelenség az, hogy pl. a (hidegen végzett) kalapálás hatására a fémek keményednek, a meghajlított alumíniumkábel ugyanazon a helyen nem hajlítható vissza, ill. a nagy hidegben a fémek egy része sokkal könnyebben törik, mint szobahőmérsékleten. Mindez az állapottényezők hatása, amelyeket két nagy csoportra, a külső és belső állapottényezőkre oszthatunk. A mechanikai tulajdonságok egyik csoportját a szilárdsági jellemzők alkotják, amelyek mindegyike az anyagnak a mechanikai terhelések valamelyikével szembeni ellenállását fejezi ki. A másik nagy csoportba olyan tulajdonságokat sorolhatunk, amelyek az anyag alakváltozásával függnek össze, és képlékenységi jellemzőknek nevezzük. Az állapottényezőket általában azon hatásuk szerint értékeljük, hogy mely tulajdonságcsoportra hatnak kedvezően. Az esetek döntő többségében elmondható, hogy amikor egy állapottényező a szilárdsági jellemzőket növelő módon hat az anyagra, a képlékenységi jellemzők romlanak. – Külső állapottényezők Hőmérséklet. Növelt hőmérsékletnek tekintjük általában a szobahőmérséklet és az olvadáspont (Top [K]) fele közötti tartományt, nagy hőmérsékletnek a T > 0,5Top tartományt. A kis hőmérsékletek tartományát a Celsius-skála negatív értékeihez kötik, a cseppfolyós gázok hőmérséklet-tartományát pedig kriogén tartományként említik. A hőmérséklet csökkenése általában csökkenti a fémes anyagok képlékenységét, növelése pedig növeli azt. Ugyanilyen hatással van a törési hajlamra is, amely szempontból az anyagok a szívós vagy rideg minősítést kapják. Feszültségállapot. Megkülönböztetjük az egytengelyű és a többtengelyű feszültségeket. A háromtengelyű (hidrosztatikus) nyomás jelentősen javítja a képlékenységet, a húzás viszont gyakorlatilag megszünteti. Igénybevételi sebesség. Mint már korábban szó volt róla, megkülönböztetünk statikus és dinamikus igénybevételeket. Az igénybevételi sebesség kapcsán azt a főszabályt kell megjegyezni, hogy a terhelés sebességének növekedésével csökkennek a képlékenységi mutatók, s bár nő a szilárdság, a törési hajlam is növekedik.

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

– Belső állapottényezők Kristályszerkezet. A fémes anyagok között a köbös szerkezetűek képlékenysége nagy, az LKK fémeké még egészen kis hőmérsékleteken is. A gyémántrácsú anyagok (Si, gyémánt) és a sűrűn rakott hexagonális fémek (pl. a magnézium, a horgany vagy az α-titán) képlékenysége viszont nagyon kicsi. A grafit ugyan hexagonális szerkezetű, de az elemi cellája csak az alaplapokon tartalmaz atomokat, ezért azok könnyen el tudnak egymáson csúszni, míg az alaplapok között további három atomot tartalmazó rács (46. ábra) nagyon nehezen deformálható.

46. ábra – A legsűrűbben rakott hexagonális rács vázlata

Ötvöző- és szennyező elemek. A szennyező elemek kis mennyiségben is erőteljesen rontják a képlékenységi mutatókat, amely hatás rendszerint jóval erősebb, mint a szilárdsági mutatók növelése. A szennyezők mennyiségét ezért csökkenteni célszerű, de egy határon túl nagyon költséges. Az ötvözőelemek hatása nagyon öszszetett, azt külön szakaszban tárgyalja ez a segédlet (lásd az 5.1. szakaszt). Kristályhibák. A hibasűrűség mértéke szerint lehet megkülönböztetni a szerkezeti anyagokat. Mindegyik rácshibatípus mennyiségi növekedése jellemzően a szilárdságot növeli, ugyanakkor a képlékenységet csökkenti. Szövetszerkezet. A fémes anyagokat a C szemcseméret szerint (de nem mereven rögzített értékekhez kötve) a következő szemcseméreti fokozatokba sorolhatjuk: – Durvaszemcsés anyagok: C > 100 µm. – Finomszemcsés anyagok: C < 25 µm. – Nagyon finom szemcsés anyagok: C < 10 µm. – Extrafinomszemcsés anyagok: C < 1 µm. – Ultrafinomszemcsés anyagok: C < 300 nm. – Nanoszemcsés anyagok: C < 100 nm. A szemcseméret csökkenése rendszerint növeli a szilárdsági jellemzőket. A szemcsék alakjának egyforma torzulásával (pl. az egy irányban elnyújtott szemcsék) a tulajdonságok is irányfüggést mutatnak („anizotrópia”). 23. oldal

Anyagismeret

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

3.2. A szerkezeti anyagok jellemző mechanikai tulajdonságai 3.2.1. A rugalmassági modulusok A szilárdtestek alakváltozással reagálnak a rájuk ható mechanikai feszültségekre. Amennyiben a feszültség megszűnése után a test visszanyeri eredeti alakját, az alakváltozást rugalmasnak mondjuk. A rugalmas alakváltozás és a feszültség között lineáris összefüggés érvényes; a feszültség és az alakváltozás hányadosa adja meg a linearitás arányossági tényezőit, a rugalmassági modulusokat. Ezek közül számos fajtát definiáltak az anyagtudomány különféle területein (húzó, nyomó, hajlító stb.), amelyek közül a fémes anyagokra legjellemzőbbeket (az E húzó és a G nyíró) a 47. ábra szerint lehet értelmezni. Dimenziójuk rendszerint GPa (1 GPa = 10 9 Pa). Meg kell jegyezni, hogy a fémekre általában érvényes, hogy a húzó és a nyomó rugalmassági modulus megegyezik, viszont a polimerek egyik fő jellegzetessége az, hogy ez a kettő eltér egymástól. A térfogatváltozással is járó alakváltozásokra használják az ún. ES összenyomódási modulust is, de a fémes anyagok terén csak a hullámterjedési folyamatok leírásánál van szerepe. Néhány anyag Young-modulusát a 4. táblázat és a 48. ábra mutatja.

Anyag

E [ GPa ]

Gyémánt / grafit Keményfém (WC + Co) Szilícium-karbid (SiC) Alumínium-oxid (Al2O3) Kvarcüveg (SiO2) / nátronüveg Gránit Beton Fa Jég

1000 / 27 530 450 390 94 / 69 62 50 9–16 9,1

Fémek Ozmium Volfrám Molibdén Bór Króm Nikkel Vas / lágyacél (ötvözetlen) Ausztenites acél Öntöttvas Réz Titán Sárgarezek és bronzok Horgany (Zn) Szilícium Ezüst Arany Alumínium Ón Magnézium Ólom Nátrium Lítium

551 411 329 320 279 214 211 / 210 190 180 130 116 110 108 107 83 78 70 50 45 16 10 4,9

4. táblázat – Néhány anyag Young-modulusa

47. ábra – A rugalmassági modulusok értelmezése

A fémekre általában érvényes összefüggések: ES ≈ E;

G≈

3 E; 8

ν ≈ 0,33.

[kg/m3] 48. ábra – A jellegzetes anyagcsoportok rugalmassági modulusának és sűrűségének kapcsolata

24. oldal

Anyagismeret

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

3.2.2. A folyáshatár és a szakítószilárdság A folyáshatár és a szakítószilárdság a szerkezeti anyagok legáltalánosabban használt szilárdsági mérőszáma. Meghatározásukra a szakítóvizsgálat szolgál, amelynek részleteit világszerte szabványok rögzítik. Magyarországon a jelenleg hatályos szakítóvizsgálati szabványok száma 35, amelyek anyagcsoportonként specifikus feltételeket írnak elő. A közös bennük az, hogy minden esetben a vizsgált anyagot egytengelyű húzással szakadásig terhelik. A fémes anyagokra vonatkozóan az MSZ EN 10002-1:2001 szabványszámú és „Fémek. Szakítóvizsgálat. 1. rész: Vizsgálat szobahőmérsékleten” c. szabvány a mértékadó.

49. ábra – A szakítógépbe fogott próbatest a rászerelt nyúlásmérővel

50. ábra – A szakítóvizsgálatnál fellépő alakváltozás vázlata

51. ábra – A szakítógépbe fogott próbatest a rászerelt nyúlásmérővel

A szakítóvizsgálatnál a vizsgálandó anyagból próbatestet készítenek, és ezt szakítógépbe fogva elszakítják (49. ábra). A szakításkor a próbatest: Először rugalmasan deformálódik. A rugalmassági határt elérő feszültségnél megfolyik, ill. elkezd képlékenyen – és mindenütt egyenletesen – deformálódni (50. ábra). A maximális erő elérésekor az alakváltozás egy szűk tartományra lokalizálódik (50. ábra). Végül eltörik (51. ábra). A mérés közben regisztrált erő és alakváltozás alapján (52. ábra) az Rm szakítószilárdság és az Re folyáshatár értéke:

Rm =

Fm S0

[MPa] ; Re =

Fe S0

[MPa] .

Fe a maximális erőt, S0 pedig az eredeti terhelt keresztmetszetet jelöli. Az Fe (gyakran Fp0,2 vagy más jelölésű) erő a rugalmas alakváltozás határához tartozó erőt jelöl, amelynél éppen megkezdődik az anyag képlékeny alakváltozása („megfolyik”).

52. ábra – Szakítódiagram (DP-600 acél)

25. oldal

Anyagismeret

3.2.3. A nyúlás és a kontrakció Az elszakított próbatest ún. mérőhosszúságának (a befogófejek nélküli, egyenletes keresztmetszetű szakasz hossza) megváltozását (∆L) elosztva az eredeti hosszúsággal (L0), meghatározható az A egyezményes nyúlás. Ha a próbatest kör keresztmetszetű, és az L0 mérőhossz az átmérőnek 5-szöröse vagy 10-szerese, az egyenletes nyúlás jele: A5 , ill. A10 . Az egyenletes nyúlást rendszerint %-os formában adják meg: A5 = ∆L/L0 ×100 [%]. A kontrakció (Z) a keresztmetszet megváltozásából számítható az egyenletes nyúláshoz hasonlóan: Z = ∆S/S0 ×100 [%]. 3.2.4. A keménység A keménység a szilárdtestek azon tulajdonsága, hogy milyen mértékben állnak ellen a felületükre ható nyomóterhelésnek. A keménység és a szilárdság gyakorlatilag rokon értelmű fogalmak, de ez nem jelenti azt, hogy szabadon felcserélhetők lennének. Arra is célszerű ügyelni, hogy a nem kemény szerkezeti anyagokat nem „puhának”, hanem „lágynak” nevezzük. A keménységi mérőszám megadása mindig az éppen alkalmazott vizsgálati módszer szerint szükséges, ugyanakkor a különféle keménységi skálák (miként, pl. a hőmérsékletskálák) átszámíthatók – amennyiben átfedik egymást. A mérési módszerek leginkább azon az elven alapulnak, hogy a vizsgálandó anyag felületébe nyomott behatolótest lenyomatának méretét vagy benyomódásának mélységét határozzák meg, de vannak különleges mérési módszerek, amelyek pl. az ultrahanghullámok terjedési vagy merev testek visszapattanási jellemzőit használják fel keménységi mérőszám képzésére. A fémek vizsgálatára legelterjedtebb keménységi mérőszámok és a mérésük alapelve: Brinell-keménység: a felületbe nyomott acél- vagy keményfémgolyó lenyomatának mérése (53.a. ábra, de lásd még a 3.6. szakaszt is). Vickers-keménység: a felületbe nyomott négyzetes gyémántgúla lenyomata (53.b. ábra). Knoop-keménység: felületbe nyomott rombuszos gyémántgúla lenyomata (53.c. ábra). Rockwell-keménység: a felületbe nyomott acélgolyó, ill. gyémántkúp benyomódási mélységének mérése (53.d.). Nanokeménység: gyémánt nanointender benyomódásának erő-idő függvénye (ultravékony felületi rétegek jellemzésére, 53.e. ábra).

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

a)

b)

c)

e) d) 53. ábra – Keménységi lenyomatok (lásd a 3.6. pontot is)

3.2.5. Az ütőmunka A fajlagos (felületre vonatkoztatott) ütőmunka a fémek mechanikai tulajdonságai között arra szolgál, hogy a törést okozó hatásokkal szembeni ellenállásukat jellemezzük egy erre a célra szolgáló vizsgálat, a Charpy-féle ütővizsgálat segítségével: MSZ EN 10045-1:1994, Fémek Charpy-féle ütővizsgálata. A módszert Georges Charpy 1901-ben Budapesten tett javaslatára tették nemzetközileg elfogadottá, bár az USA-ban nem ezt preferálják ma sem. A fajlagos ütőmunka – jelölése KV, dimenziója [J] – annak az energiának felel meg, amely egy szabványos próbatest eltörésekor a törésre fordítódik. A vizsgálatot különböző hőmérsékleteken elvégezve meghatározható az ún. átmeneti hőmérséklet, amelyet lefelé átlépve az anyag szívós viselkedését rideg viselkedés váltja fel. Ennek az ún. elridegedésnek fokozott jelentősége van a kis hőmérsékleten üzemelő, ill. a besugárzásnak kitett acéloknál. Az elridegedést akként lehet ellenőrizni, hogy az anyagtól és a terhelési feltételektől függően megválasztott minimális ütőmunkaértékkel vetjük össze a vizsgálati eredményeket. A szerkezeti acélokra ez az érték KVT = 27 J vagy 40 J. Egyes anyagok KV-értékeit az 54. ábra mutatja, feltüntve egyben a „szívós”, ill. a „rideg” viselkedésre jellemző ütőmunka-tartományt is. Látható, hogy az egyes csoportokon belül is jelentős különbségek adódhatnak. 26. oldal

Anyagismeret

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok egy tengely ennyi fordulatot) törés nélkül elvisel. Ha ennél kisebb élettartammal is megelégszünk, akkor növelhető a megengedett terhelő feszültség, amelyet az adott élettartamhoz tartozó tartamszilárdságnak szoktak nevezni.

54. ábra – A jellegzetes anyagcsoportok ütőmunkaértékei

3.2.6. A törési szívósság A törési szívósság univerzális anyagjellemző, amelyet csak a törésmechanikai alapismeretek birtokában lehetne pontosan értelmezni, ám ez nem része a jelen tananyagnak. A tisztánlátás érdekében annyit érdemes megjegyezni, hogy az anyagok töréssel szembeni ellenállását jellemzi általános érvénnyel, mégpedig annak alapján, hogy a törési folyamatot a már az anyagban meglévő repedés (55. ábra) továbbterjedéséhez szükséges energia nagyságával kapcsolja össze.

3.2.8. A kúszáshatár A kúszás olyan képlékeny alakváltozás, amelyet a folyáshatárnál kisebb – tehát formálisan csak rugalmas alakváltozást okozni képes – feszültség idéz elő, éppen ezért a szerkezeti anyagok károsodási folyamatai közé soroljuk. Ahhoz, hogy a kúszás fellépjen, növelt vagy nagy hőmérséklet szükséges. A kúszáshatár egy olyan mechanikai tulajdonsága az anyagnak, amely azt mutatja meg, hogy legfeljebb mekkora húzófeszültséggel terhelhető az anyag egy adott hőmérsékleten ahhoz, hogy a kúszási alakváltozása ne haladja meg a megszabott határ-alakvátozást – 0,5% vagy 1% – egy bizonyos idő – rendszerint 50, 100 vagy 200 ezer óra – alatt. Egy nikkelötvözet kúszási jellemzőt szemlélteti az 56. ábra.

56. ábra – Egy nikkelötvözet kúszási jellemzői 55. ábra – Egy törésmechanikai próbatest (CT) vázlata

3.2.7. A kifáradási határ Kifáradásnak azt a jelenséget, károsodási folyamatot nevezzük, amelyet a folyáshatárt meg nem haladó (tehát formálisan csak rugalmas alakváltozást okozó) feszültségek nagyságának és/vagy előjelének (húzó/nyomó) ciklikus váltakozása okoz. A kifáradás sokszor nagyon lassan megy végbe, a repedés(ek) fokozatos terjedésével, és végül törést okoz. Igen gyakran fordul elő a járműipar különféle szerkezeteiben, alkatrészeiben, pl. tengelyek, fogaskerekek, sínek stb. A kifáradási határ az a feszültség, amelyet meg nem haladó mechanikai feszültség esetén bizonyos, hogy az anyag, ill. a szerkezet nem fog eltörni, de legalábbis 5×106 terhelési ciklust (pl.

3.3. A mikroszerkezet és a mechanikai tulajdonságok kapcsolata Ennek a kérdéskörnek a részletes kifejtése túlmutat a jelen tananyag keretein, de a szükséges ismeretanyagot lásd a belső állapottényezőket bemutató 3.1.2. szakaszban. Kiegészítésképpen, az 57. ábra azt illusztrálja, hogy a szövetszerkezetnek a gyártáskor (hengerlés) kialakuló irányítottsága – a szálirány – miként hat, pl. a hengerelt lemezek hajlítási repedékenységére.

57. ábra – A hengerlési irány hatása az alakíthatóságra

27. oldal

Anyagismeret

3.4. Szilárdságnövelési (keményítési) módszerek A szilárdságot az előző szakaszok szerint több mechanikai tulajdonság is jól jellemzi, de azt kell megállapítanunk, hogy elsősorban a folyáshatárt szokták figyelembe venni, ugyanis a gépek, a műszaki berendezések, az alkatrészek tervezésénél a leggyakoribb méretezési paraméter a folyáshatár. Ebből a szempontból vizsgálva a szilárdságnövelés fogalmát, az nyilvánvalóan azt jelenti, hogy egy tudatos beavatkozással hogyan lehet megnövelni egy anyagnak a folyáshatárát. 3.4.1. A Peierls–Nabarro-feszültség A folyáshatár makroméretekben nem más, mint a rugalmas és a képlékeny alakváltozás közötti határ. A képlékeny alakváltozásról pedig már megállapítottuk, hogy – csak mechanikai feszültségeket engedve meg – arról attól a pillanattól kezdve beszélhetünk, amikor a diszlokációk a kristályrács csúszósíkjain mozogni kezdenek a külső terhelésnek a csúszósíkban ható csúsztatófeszültségi komponense hatására. Ez a feszültség az ún. Peierls–Nabarro-feszültség, és a fémek között a TKK fémeké általában nagy, míg az LKK és a hexagonális kristályrácsúaké kicsi. A folyáshatár pedig a krisztallitok szintjén az a feszültség, amely képes a diszlokációk mozgását fenntartani. A szilárdságnövelés módszerei közé mindezek után azokat a mechanizmusokat soroljuk, amelyek végeredménye az, hogy a diszlokációk mozgásának fenntartásához szükséges feszültséget a nagyobb értékek felé tolják el.

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

3.4.3. A kiválásos keményítés A gyakorlati tapasztalatok alapján leszögezhető, hogy a kiválásos keményítés az egyik leghatékonyabb szilárdságnövelési módszer, különösen az alumíniumötvözetek és más színesfémötvözetek esetében. A 2.2. szakaszban már bemutattuk, hogy a kiválások milyen határfelületet tudnak képezni az alapanyaggal – amelyet mátrixnak nevezünk. Azt kell az ott leírtakhoz hozzátenni, hogy a diszlokációk mozgását a legnagyobb mértékben a kicsiny, de nagy számú, egyenletes eloszlású és a mátrixszal koherens fázishatárt alkotó, ún. diszperz kiválások akadályozzák. Ezeken a kiválásokon a diszlokációk „átvágják” magukat (59.a. ábra), de ez jelentős többletfeszültséget igényel. Az inkoherens fázishatárú kiválásokon a diszlokációk ugyan fennakadnak (31.b. ábra), de ezek száma a méretükkel csökken, s hozzá a diszlokációk képesek ezeket „megkerülni”: ez az Orowán-mechanizmus (59.b–c. ábra).

a)

3.

3.4.2. A szilárdoldatos keményítés Ha a fém atomjai közé idegen atomok kerülnek (ötvözéssel v. szennyezőként), azok rácstorzulást okoznak maguk körül, és e feszültségterek nehezítik a diszlokációk mozgását, azokat kihajlásra, azaz meghosszabbodásra kényszerítik (58. ábra). A szilárdságnövelés szempontjából rendkívül hatásosak a kis atomátmérőjű, interstíciósan oldódó atomok, pl. H, B, C, N, O.

2.

c)

58. ábra – Az oldott atomok hatására a diszlokációra

b)

1.

59. ábra – A diszlokációk és a kiválások találkozása: a) Cu-Ag ötvözet átmetszett Ag-dús kiválásai (TEM-kép), b) megkerült kiválás körüli diszlokációhurok TEM-képe, c) az Orowán-mechanizmus lezajlásának vázlata 1→ 2→ 3

28. oldal

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

Alumínium

an ya g

100

Po lik ris tá ly os

80 60 40

Al 99,99

ly Egykristá

20 0

10

20 30 40 50 60 70 80 Keresztmetszetcsökkenés [%]

3.4.5. A szemcsehatárok szerepe A külső terhelés hatására az egyes krisztallitokban megindul az elcsúszás, viszont a diszlokációk továbbhaladásának útját állják a krisztallithatárok. Könnyű belátni, hogy a szemcsehatárok diszlokációmozgást akadályozó hatása annál jelentősebb, minél nagyobb az összfelületük, vagyis minél kisebb szemcsékből épül fel az anyagnak ugyanaz a térfogata. A σ folyáshatár és d átlagos szemcseméret közötti összefüggést a Hall–Petch-egyenlet írja le, amelyben σ0, és k konstansok: σ = σ0 + k⋅d -0,5. Ennek az összefüggésnek az alapvető jelentése tehát az, hogy a szemcsefinomítással – amelyet a kohászati gyártástechnológiában a mikroötvözéssel és a meleghengerléssel, a későbbi feldolgozásnál pedig a szemcsefinomító hőkezelésekkel lehet elérni – hatékony eszköz áll rendelkezésre a fémes szerkezeti anyagok folyáshatárának, szilárdságának növelésére. Jól példázza ezt a 61. ábra is, amelyen ötvözetlen acél szakítóvizsgálatának eredményei láthatók: a szemcsefinomodás minden vizsgálati hőmérsékleten jelentős szilárdságnövekedést eredményezett. Azt is meg kell jegyezni, mivel az ábrából ez nem derül ki, hogy ez a szilárdságnövekedés a képlékenységi mutatók, pl. a nyúlás csökkenésével jár együtt. 400 Lágyacél

350 300 250 200

-79°C -20°C 20°C

150 100 50

1 mm

0

100 µm

10 µm

Metrikus skála

2 4 6 8 Szemcsenagyság az ASTM-skálán

10

61. ábra – A szemcseméret, a folyáshatár (és a vizsgálati hőmérséklet) összefüggése lágyacél lemezek esetében

90 7,0

1900

1300

ág rds zilá s ó t kí 185% S za

1100 900 700

323%

317%

1500

6,5 rő 282%

Átm é

1700

4,5 4,0 3,5

Szilárdságnövekmény

0

10 20 30 40 50 60 70 Keresztmetszetcsökkenés [%]

5,5 5,0

144%

500

6,0 Átmérő [mm]

0

244%

Szakítószilárdság, Rm [MPa]

Folyáshatár, Rp0,2 [MPa]

3.4.4. Az alakítási keményítés A folyáshatár növelésének ugyancsak nagyon hatékony eszköze a képlékenyalakítás, mégpedig az ún. hidegalakítás, amelynél az alakítási hőmérséklet a kelvinben megadott olvadáspont fele alatti. A keményedést az okozza, vagyis a diszlokációmozgást az teszi nehezebbé, hogy megnő a diszlokációsűrűség. Mint láttuk a vonalszerű kristályhibákat bemutató szakaszban, a diszlokációsűrűség a hidegalakítás hatására nagyságrendekkel növekedhet. Az alakítás hatására jelentősen megnő a fémek és ötvözetek szilárdsága, amint az 60.a. ábra mutatja ezt a tiszta alumíniumra vonatkozóan. Az ausztenites acélok szilárdsága akár az eredeti, lágy állapotban mért értéknek a négyszeresére is növekedhet. Az 60.b. ábra azt illusztrálja, hogy a 7 lépésben végzett huzalhúzás közben miként nő egy AISI 304 típusú ausztenites acél szakítószilárdsága. A szilárdságnövekedés akkor kedvező, ha fel tudjuk használni a kisebb falvastagságú anyagot a szerkezet tömegének csökkentésére. Ámde kedvezőtlen is lehet, ha a felkeményedett anyagot további megmunkálással kell feldolgozni, pl. forgácsolni vagy továbbalakítani, ill. ha villamos vezetékanyagról van szó, amelynek az alakítással romlik a vezetőképessége. Az alakítás okozta keményedést, ellenállás-növekedést stb. újrakristályosító hőkezeléssel lehet megszüntetni.

Folyáshatár, ReL [MPa]

Anyagismeret

80

3,0

60. ábra – A képlékenyalakítás hatása a tiszta alumínium és az AISI 304 ausztenites acél huzal (lent) szilárdságára

3.4.6. Szilárdságnövelés fázisátalakulással A felhevített állapotból való gyors hűtés, amelyet edzésnek nevezünk néhány esetben alkalmas arra, hogy az edzett anyag szilárdsága lényegesen nagyobb legyen a lassú hűtéssel nyert állapothoz képest. Csak olyan ötvözetekben alkalmazható, amelyekben a lehűléskor allotrop átalakulás megy végbe, és ennek a mind diffúziós mind pedig a martenzites típusa lehetséges. Az edzést (talán) az acélok legfontosabb szilárdságnövelési módszerének tekinthetjük.

29. oldal

Anyagismeret

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

3.5. A szerkezeti anyagok károsodása, tönkremenetele A szerkezeti anyagok tönkremenetele az üzemelés közben őket érő környezeti hatások, terhelések következménye. A szerkezeti anyagok és az élő szervezetek károsodási folyamatai kapcsán olykor meglepő párhuzamokkal lehet találkozni: pl. a fémeknél is beszélünk öregedésről, amely az oldott gázoknak a diszlokációmozgást gátló hatására kialakuló törékennyé válást jelenti –, de nem ez a jellemző vizsgálati és leírási metodika. A fémek és kerámiák esetében vannak olyan általános károsodási mechanizmusok, amelyeket belsőleg is tagolt, önálló tudományterületként tartunk számon. Ebben a szakaszban csak egy nagyon rövid pillantást vetünk a legfontosabb károsodástípusokra, amelyek a következők: Törés. Állandónak tekinthető statikus vagy dinamikus mechanikai terhelés idézi elő. A károsodás konkrétan az anyag eltörésében vagy az üzemelést gátló repedés kialakulásában jelentkezik. Kifáradás. Periodikusan ismétlődő mechanikai terhelés okozza. Amennyiben a hőmérséklet-ingadozás a fő terhelés (amely a hőtágulás és a gátolt alakváltozás miatt mechanikai terhelést is kivált), termikus fáradásról beszélünk. A károsodás konkrétan az anyag eltörésében vagy az üzemelést gátló repedés kialakulásában jelentkezik. Kúszás. Mechanikai terhelés, jellemzően húzás idézi elő, de a növelt, ill. nagy hőmérsékletnek meghatározó szerepe van a folyamatban. A károsodás konkrétan az anyag eltörésében vagy az üzemelést gátló alakváltozás formájában jelentkezik. Korrózió. A szerkezeti anyaggal a felületén érintkező közeg, ill. környezet kémiai, elektrokémiai hatása idézi elő, de a mechanikai terhelés is közrejátszhat a folyamatban. A károsodás konkrétan felületi roncsolódás, kilyukadás, törés vagy repedés formájában jelentkezik. A fenti károsodások csak a legalapvetőbb tönkremeneteli típusok, amelyeken kívül, de gyakran hozzájuk társulva számos egyéb leromlási folyamattal kell számolni. Nagyon gyakoriak a szövetszerkezet károsodási folyamatai: szemcsedurvulás, dekarbonizálódás, grafitosodás. Különleges károsodásokat okoz a neutronsugárzás: keményedést, duzzadást.

3.5.1. A törés fő típusai – Törés gyors repedésterjedéssel. Szívós törés: létrehozása nagy energiát igényel, a töretfelület a 62.a. ábrán látható. Ridegtörés: létrejötte nagyon kis energiát igényel, a töretfelület a 62.b–c. ábrán látható. Vegyes jellegű törés: a szívós és a ridegtörés közötti átmenet jellemzi. – Törés fokozatos repedésterjedéssel Ismétlődő terhelés hatására: fáradásos törés; 62.d. ábra (ide tartozik a korróziós kifáradás is, amelyet ismétlődő mechanikai terhelés és korróziós hatás együttesen okoz). Statikus terhelés hatására: kúszási törés (ide tartozik a korróziós kúszás is), feszültségkorróziós törés (húzófeszültség + korrózió). – A törés a repedésterjedési mód szerint lehet: transzkrisztallin vagy „hasadásos” (a szemcséken átmenő, 62.b. ábra) vagy interkrisztallin (szemcsehatármenti, 62.c).

a)

b)

c)

d) 62. ábra – A töretfelületek jellegzetes típusai: szívós (a), hasadásos (b), interkrisztallin (c), fáradásos (d)

30. oldal

Anyagismeret

3. fejezet: A mechanikai tulajdonságok

Az acélszerkezetek rohamos mértékű elterjedése az 1900-as évek elejétől datálható, és a törés, különösen a ridegtörés ezzel parallel vált az acélszerkezetek károsodásai között az egyik „legfélelmetesebb” veszéllyé, ugyanis gyakorlatilag nincs előre észlelhető fázisa, hanem hirtelen, váratlanul következik be. A törés jelenségére koncentráló anyagtudományi szakma, a törésmechanika jó néhány híres esetet tart számon, amelyek megoldása jelentős előrehaladást jelentett. Néhány ilyen híres ridegtörési esetet mutatnak a 63. ábra képei.

3.6. Anyagvizsgálati módszerek Az anyagvizsgálat szinte hihetetlenül széles területet ölel fel, hiszen alapvető célja a felhasználói igényeknek való megfelelés ellenőrzése, s ez az igény gyakorlatilag minden olyan anyaggal, eszközzel, tárggyal kapcsolatban felmerül, amely az emberek mindennapi életéhez hozzátartozik. A szerkezeti anyagokra, ill. a belőlük készített termékekre leszűkített területen is több száz a valamely tulajdonság vizsgálatát meghatározó szabványok száma. – A fémek mechanikai tulajdonságainak vizsgálatára szolgáló jellemző módszerek Szakítóvizsgálat: meghatározható az Rm szakítószilárdság, a Re v. Rp0,2 folyáshatár, az A5 nyúlás és a Z kontrakció (MSZ EN 10002-1:2001). Hajlítóvizsgálat (MSZ EN ISO 7438:2000). Nyomóvizsgálat (csak kerámiákra szabványos). Keménységmérés (MSZ EN ISO 6506, 7, 8).

150 mm falvastagságú, CrMoV-ötvözésű acéltartály

Jel

A keménységtípus neve és a behatolótest

HBS

Brinell; a behatolótest acélgolyó

HBW

Brinell; a golyó anyaga keményfém

HV

Vickers; a behatolótest szabályos gyémántgúla

HK

Knoop; a gyémántgúla csúcsszögei eltérőek

HRC, HRA Rockwell; a behatolótest gyémántkúp Az 1941-től 2710 példányban gyártott, 9000 tonnás Liberty hajók egyik törött példánya, az Esso Manhattan. Kb. 400 hajó törött jelentős mértékben. Hegesztéssel gyártották, volt, amelyik 4 nap 15 óra 29 perc alatt készült el.

l ti a cé ze sze

rke

100 50

Titanic oldallemez Hosszirány

Ma i

Ütőmunka [ J ]

150

HRB, HRE Rockwell; a behatolótest acélgolyó

Charpy-féle ütővizsgálat: meghatározható KV ütőmunka (MSZ EN 10045 1:1994). Törésmechanikai vizsgálatok: meghatározható a törési szívósság (MSZ EN ISO 12737:2000). Fárasztóvizsgálat: meghatározható a kifáradási határ és a tartamszilárdság. – A fémek mikroszerkezetvizsgálati módszerei Optikai mikroszkópos vizsgálat: a szövetszerkezet megismerésére (13-14, 29, 35. ábra). Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat (SEM – scanning electron microscopy): a töretfelületek tanulmányozására; lásd, pl. 62. ábrát. Transzmissziós elektronmikroszkópia ( TEM) a szubmikronos dimenziók tanulmányozására. Egyéb (pl. röntgendiffrakciós vizsgálatok).

Keresztirány 0

-50 -25

0

25 50 75 100 125 150 175 Hőmérséklet [°C]

A Titanic oldallemezének egy darabja, a 0°C-on végzett ütővizsgálattal kapott rideg töretfelület MnS zárvánnyal, ill. az ütővizsgálat eredménye (Felkins, JOM, 1998.1.) 63. ábra – Híres ridegtörési esetek

– Roncsolásmentes vizsgálatok E módszerek célja az üzemelő szerkezetek állapotellenőrzése, azok roncsolása nélkül, alapvetően a törés veszélyével fenyegető repedések kimutatására: a röntgensugaras, az ultrahangos, az örvényáramos és a mágneses mérési módszerek számos típusa tartozik e kategóriába. 31. oldal