5. Technológiai maradó feszültségek modellezése és azok hatása a járműipari szerkezetek integritására"

BAY ZOLTÁN ALKALMAZOTT KUTATÁSI KÖZHASZNÚ NONPROFIT KFT. – LOGISZTIKAI ÉS GYÁRTÁSTECHNIKAI INTÉZET SZERKEZETINTEGRITÁS OSZTÁLY MECHANIKAI ANYAGVIZSGÁLAT OSZTÁLY Járműipari anyagfejlesztések: célzott alapkutatás az alakíthatóság, hőkezelés és hegeszthetőség témakörében „5. Technológiai maradó feszültségek modellezése és azok hatása a járműipari szerkezetek integritására" Tanulmány Kidolgozta:

Lenkeyné Biró Gyöngyvér1 – Dr. Szávai Szabolcs2 – Rózsahegyi Péter2 – Bézi Zoltán3 – Baptiszta Balázs3 – Kelenföldi Brigitta4 – Matusz Péter3 1

Intézetigazgató, 2Osztályvezető, 3Tudományos munkatárs, 4Gyakornok

Készült:

a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében

A projekt szakmai vezetője:

Lenkeyné Biró Gyöngyvér Intézetigazgató

Miskolc 2013

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés

...................................................................................... 4

2. A technológiai maradó feszültségek modellezési módszereinek kutatása és alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén ........................................................... 5 2.1. Maradó feszültség kialakulása és típusai a gyártási, megmunkálási folyamatok során ........................................................................................................................... 5 2.2. Maradó feszültség szándékos létrehozásának típusai, alkalmazási területek a járműiparban ............................................................................................................ 19 2.3. Az autóiparban alkalmazott jellemző anyagminőségek összegyűjtése (acélok, alumínium, Mg ötvözetek) ....................................................................................... 30 2.4. Maradó feszültség számítási és modellezési módszerek összegyűjtése, értékelése, javaslattétel az alkalmazásra és továbbfejlesztésre [27][33][36][37][38][52] ......... 45 2.4.1. Mechanikus behatás következtében kialakuló maradó feszültségek értékelése...................................................................................................... 45 2.4.2. Termikus behatás következtében kialakuló maradó feszültségek értékelése57 2.4.3. Javaslattétel az alkalmazásra és továbbfejlesztésre ..................................... 72 3. Technológiai maradó feszültségek mérési módszereinek kutatása és alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén 73 3.1. Maradó feszültségek mérési módszereinek kutatása és alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén [27][32][33][36][37][38][52]........................................ 73 3.1.1. Maradó feszültség vizsgálati módszerek és tulajdonságaik (vizsgálóeszközök, vizsgálati paraméterek, jellemző alkalmazási területek, meghatározható paraméterek, értékelési módszer, vizsgálati korlátok) ...... 73 3.1.2. Az autóiparban alkalmazott jellemző technológiák, amelynél a maradó feszültsége előfordul, vagy előfordulhat és mérésüknek van jelentősége, akár minősítés, akár gyártástechnológia tervezés tekintetében .................... 91 4. Technológiai maradó feszültségek hatásának elemzése a hegesztett járműipari szerkezetek integritására és élettartamára ................................................................................ 94 4.1. Törés ........................................................................................................................ 95 4.2. Kifáradás ................................................................................................................ 100 4.3. Korrózió ................................................................................................................. 105 4.4. Hidrogén okozta károsodás [102] .......................................................................... 113 5.

Összefoglalás

.................................................................................. 120

6.

Hivatkozások

.................................................................................. 121

3

1. Bevezetés A kutatás témája a technológiai maradó feszültségek modellezési és mérési kérdéseivel, valamint alkalmazhatóságukkal foglalkozik a korszerű járműipari anyagok esetén. A kutatók már 1930 óta foglalkoznak a hegesztési varratok maradó feszültségének és alakváltozásának meghatározásával különféle becslési módszerek, parametrikus kísérletek vagy empirikus képletek segítségével, az utóbbi 30 évben pedig már a hegesztési folyamat végeselemes szimulációjával is. A szerkezetek integritásának, a bennük lévő hibák veszélyességének megítélése szempontjából alapvető fontosságú a maradó feszültségek megfelelő figyelembevétele. Erre lehetőség van mind analitikus, mind végeselem, mind mérési módszerek alkalmazásával. Az elvégzendő kutatási feladat elsődleges célja e tekintetben a hibák veszélyességének megítélésére alkalmazható különböző módszerek vizsgálata, elemzése és validálása a kiválasztott anyagok és technológiák esetén, a kiválasztott járműipari szerkezeti elemekre vonatkozóan. A kutatási programban tervezzük a különböző vizsgálatba bevont anyagok és technológiák ilyen szempontú összehasonlítását. A fentiek miatt, a projekt keretében megvizsgáljuk milyen modellezési és mérési módszerek léteznek a maradó feszültség meghatározására és hogy ezek hogyan alkalmazhatóak a járműipar keretein belül. Ennek megfelelően a projekt három fő részre bontható: 1. A technológiai maradó feszültségek modellezési alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén

módszereinek

2. A technológiai maradó feszültségek mérési módszereinek alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén

kutatása kutatása

és és

3. A technológiai maradó feszültségek hatásának elemzése a hegesztett járműipari szerkezetek integritására és élettartamára

4

2. A technológiai maradó feszültségek modellezési módszereinek kutatása és alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén 2.1. Maradó feszültség kialakulása és típusai a gyártási, megmunkálási folyamatok során A maradó feszültségek a terheletlen testben kialakuló, a test térfogatában egyensúlyban lévő belső feszültségek. Kialakulhatnak mechanikai terhelés, hőterhelés, szilárd fázis átalakulások és anyagleválasztás hatására, illetve a hőtágulási tényező különbözősége miatt kompozit anyagoknál. A járműipari megmunkálási folyamatoknál (lemezalakítás, öntés, hegesztés, hőkezelés, fém-mátrixú kompozitok készítése) ezek mindegyike előfordul. Egy alkatrész elkészülte után minden használat során változhat a maradó feszültség szintje a kialakuló feszültség miatt. A változás mértéke függ a használat jellegétől, az időtartamától és az alkalmazott erőktől. Hatótávolságukat tekintve beszélhetünk mikro-, vagy rövid távú-, valamint makro-, vagy hosszú távú maradó feszültségekről. Az előzőek hátterében a kristálytani hibák állnak – pl. vakanciák, diszlokációk, diszlokáció torlódások, vagy rendkívül finom kiválások, (ilyen például az AlMgSi ötvözetekben megjelenő Mg2Si vegyület) – és főként az anyag alapszövetének (mátrixának) tulajdonságait befolyásolják. A makroszkopikus maradó feszültségek ezzel szemben a szemcseméretet jóval meghaladó távolságokra terjednek ki, és gyakran tudatosan hozzuk létre őket, pl. szilárdságnövelés céljából képlékeny hidegalakítással vagy a kifáradási határ növelésére a felületi rétegben nyomó maradó feszültségek létrehozásával (pl. felületszilárdítással). A mechanikai igénybevétel a belső feszültséggel összeadódva tönkreteheti az alkatrészt. Például, ha egy kis felszíni repedés környezetében húzó feszültség lép fel, a repedés a feszültség következtében jobban szétnyílik és mélyebbé válik. Azonban, ha nyomó feszültség keletkezik, az a repedést összenyomja, és az nem növekszik tovább. Többnyire azonban a makroszkopikus maradó feszültségek károsak lehetnek, és gyakran nem is kerülhetők el, mivel a különböző technológiák (hegesztés, hőkezelés, vagy öntés) természetes velejárói. Ezen felül a maradó feszültségek csökkentik a feszültségkorrózióval szembeni ellenállást is. Mivel nagyságuk és eloszlásuk véletlenszerű, és azt számtalan körülmény befolyásolja, ezért sokszor számottevő hibát okoznak, mivel az alapadatként kezelt anyagjellemzők értékét megváltoztatják. A makroszkopikus maradó feszültségek nyilvánvaló jelenlétére utal, ha egy munkadarab például megmunkálás során torzulást szenved, mivel az anyagleválasztás megbontja a maradó feszültségek egyensúlyát, és az új egyensúlyi állapothoz vezető feszültség-átrendeződéskor a munkadarab maradandóan torzul, vetemedik. Az ilyen problémák kezelése technológiai többletművelethez és költségekhez vezet. Ezek elkerülése érdekében a maradó feszültségek ismerete, közvetett és közvetlen mérése, illetve lehetőség szerinti minimalizálása rendkívül fontos feladat, az ezzel kapcsolatos kutatásokra az iparvállatok jelentős ráfordításokat áldoznak. A Boeing Corporation például dollármilliókat költött a 7050-T7452 Al ötvözetből készült kovácsolt darabok megmunkálásakor a maradó feszültségek miatti vetemedések okozta többletgyártás, határidőcsúszás, valamint selejt- és hulladékképződés kiküszöbölését célzó kutatásokra [39]. Újabban a mérnökök olyan gyártási módszereket alkalmaznak (szemcseszórás, görgőzés, felületi vasalás, autofrettázs technika), amelyek során az anyagban maradó nyomófeszültséget hoznak létre az alkatrész azon területein, ahol a használat során kis repedések keletkezhetnek. Így növelik a kritikus alkatrész élettartamát és a mechanikai igénybevétellel szembeni tűrőképességét. A maradó feszültségek tehát okozhatnak káros vagy akár kedvező hatást is a 5

szerkezetben, attól függően, hogy hogyan szuperponálódik a hatásuk az üzemelés közben fellépő terheléssel. Sajátfeszültségek: Sajátfeszültségek alatt egy testben külső erők és nyomatékok hatása nélkül ébredő feszültségeket értjük. A sajátfeszültségek keletkezése a megmunkáló eljárások velejárója, jelenlétük következményekkel járhat. A megmunkálási folyamat közben keletkező és folyamatosan változó feszültséget belső feszültségnek nevezzük, a művelet befejezésekor a darabban kialakuló feszültséget maradó feszültségnek szokás nevezni [92]. Maradó feszültség: Maradó feszültségnek nevezünk egy adott munkadarabban egy olyan feszültséget, mely esetén a darabra semmilyen külső erő, illetve nyomaték nem hat, külső ponthoz viszonyított inercia rendszerben egyensúlyban van, ám a darab belsejében különböző helyeken, különböző nagyságú és irányú, de egymással egyensúlyt tartó feszültségek hatnak [59]. A maradó feszültség egy a külső terheléstől független feszültség típus, aminek a jelenlétével számolni kell minden olyan esetben, amikor az adott szerkezeti elemet hegesztették, forgácsolták, öntötték, vagy valamilyen alakításnak vetették alá, illetve ha a szerkezet az üzemeléséből kifolyólag nagyfokú mechanikai- vagy hőterhelésnek van kitéve. Ezekhez az esetekhez jön még, ha a szerkezet különböző anyagminőségekből van összeállítva és magasabb hőmérsékleten üzemel és így a hőtágulási együtthatók különbségéből is maradó feszültség alakul ki [92].

1. ábra: Különböző makro- és mikro típusú maradó feszültségek, [59] A maradó feszültségek kialakulásának okai, [59]: -

a különféle hőkezelések hatására bekövetkező, nem egyenletes plasztikus áramlások miatt, 6

-

a nem egyenletes fűtés és hűtés hatására, a megmunkálási deformációk miatt, a különféle felületi kezelések, bevonatok miatt, a hőtágulási együtthatók különbözősége miatt.

A maradó feszültség az esetek nagy többségében káros a szerkezeti elem működése és élettartama szempontjából, ezért nagyságát csökkenteni kell, vagy teljesen megszüntetni. A maradó feszültségeket az alábbi szempontok alapján lehet csoportosítani: Osztályozás a kiterjedés alapján, [92]: 

I. rendű maradó feszültség: a feszültség mértéke arányos a próbatest méretével. Ezeket más néven makro-feszültségnek is nevezhetjük. Ilyen feszültségek komolyabb mértékű alakítás következtében keletkezhetnek, amikor a külső kényszerek áthatják az alkatrész/minta térfogatának egy részét. Például: o pl.: egyenlőtlen lehűlés (öntés, hegesztés, térfogati hőkezelés) o képlékenyalakítás (egyengetés, hidegalakítás) o térfogatváltozással járó diffúziós folyamat (felületötvöző nedvességfelvétel)



hőkezelés,

II. rendű maradó feszültség: a feszültség mértéke a szemcsék nagyságával arányos. Ezeket más néven mikro-feszültségeknek is nevezhetjük. Ilyen feszültségek pl. kiválásos keményítéskor képződhetnek legfőképpen. Például: o az egyes krisztallitok, illetve szövetelemek eltérő rugalmas viselkedése o anizotróp hőtágulás o kompozitok alkotóinak (mátrix, erősítő fázis) eltérő mechanikai és/vagy termikus viselkedése



III. rendű maradó feszültség: a keletkezett feszültségek az atomok közötti távolságon érvényesülnek. Ezeket szubmikroszkópos feszültségeknek is nevezhetjük. Ilyen feszültségek pl. diszlokációs mozgások esetén keletkezhetnek. Például: o rácsrendezetlenségek, rácshibák

Ezek alapján kimondható, hogy a tervező számára az I. rendű feszültségek a meghatározók. A maradó feszültségek jelenlétének következményei: -

a terhelhetőség változása, a maradó feszültség, mint előterhelés szerepel, amire szuperponálódik az igénybevételből származó feszültség. méret- és alakváltozások a technológiai művelet során, méret- és alakváltozások a további anyagleválasztással járó megmunkálások során, a korróziós viselkedés megváltozása (feszültségkorrózió),

7

-

fizikai tulajdonságok megváltozása (mágneses tulajdonságok, villamos vezetőképesség, stb.) [92].

2. ábra: A maradó és terhelésből származó feszültségek összeadódásának elvi vázlata [92]. (a – kifáradási határ, b – maradó feszültség, c – terhelő feszültség, c+b – eredő feszültség, I – az eredő egy tartományban meghaladja a kifáradási határt, II – az eredő a kifáradási határ alatt marad.) Főbb műveletek, melyek feszültségek kialakulásáért felelősek:    

Képlékeny hidegalakítás Hőkezelés Minden olyan művelet, mely hőmérséklet gradiens kialakulásával jár. pl.: hegesztés Fázisátalakulások

A járműiparban nemcsak homogén anyagból készült szerkezetek üzemelnek, hanem heterogén, két, vagy több különböző anyagminőségből összeállított berendezések is, mint például a lökhárító, a bendzsó tengely (4. ábra) vagy a légbefúvó [90]. Az autóipar, de a gépipar számos más területe számára is igen jelentős a késztermék teljesítményének folyamatos növelése, a beépített anyagok tömegének és árának csökkentése mellett. A teljesítmény növelésének egyik módja a nagy kopásállósággal rendelkező kerámiák alkalmazása. Tekintettel ezen anyagok rideg viselkedésére, folyamatos tervezési törekvés kiváltásuk olyan helyeken, ahol nem feltétlenül szükséges alkalmazásuk. Fontos ipari feladat a fém és kerámia darabok kötéseinek vizsgálata, a kialakult kötés minőségének elemzése. A fém és kerámia alkatrészek összeillesztése során egy határfelület alakul ki a két anyag között. Ez a határréteg, amely a kész darab tulajdonságait jelentősen befolyásolja harmadik anyagként is kezelhető. E réteg mechanikai tulajdonságai meghatározhatók (3. ábra). További feladat a határfelület ideális alakjának számítása. Ilyen lehet például a gyártás során visszamaradó feszültség minimalizálása, vagy az üzemi hőmérséklet növelésének kritériuma [108].

8

3. ábra: Határfelület alakjának hatása fém-kerámia határfelületen hevítés hatására kialakuló feszültségeloszlásra

4. ábra: Bendzsó tengely, heterogén szerkezet Több anyagminőség különböző mechanikai tulajdonságainak köszönhetően a szerkezetben maradó feszültség alakul ki, amely hatással van a berendezés élettartamára. Ezért fontos, hogy a különböző terhelési eseteknek megfelelően becsülni lehessen a szerkezet mechanikai viselkedését és az ébredő igénybevételeket a maradó feszültség figyelembevételével. A maradó feszültség meghatározása két féle módon történhet: számítással és méréssel. A megmunkálásból eredő húzó jellegű maradó feszültségek döntően kedvezőtlenek, mert az üzemi terhelésre szuperponálódva - a valóságos igénybevételi szintet növelik, ezáltal az alkatrészek terhelhetősége és tervezett élettartama csökken. Hozzájárulnak továbbá a szerkezetei elemek mechanikai kifáradásához, az edzési repedéshez, vagy például a feszültségkorróziós töréshez. A szerkezetek nyomó jellegű maradó feszültségei mind a kifáradási szilárdságot, mind pedig a feszültségkorróziós ellenállást növelik és fokozzák például a rideg kerámiák hajlítószilárdságát. A maradó feszültségeket a gyártási folyamat műveletei hozzák létre úgy, hogy az eljárás közben az anyagban inhomogén képlékeny alakváltozás, inhomogén hőtágulás és anyagszerkezeti változás történik. A mechanikai okokra visszavezethető maradó feszültség általában nyomó jellegű, az anizotróp hőmérséklet-változások inkább húzó maradó feszültséggel járnak, a metallográfiai változások húzó vagy nyomó feszültséget okoznak. A maradó feszültség szintjét sok minden befolyásolja. Ez mind technológiától, mind a technológiai paraméterektől függ. Pl.:

9

Forgácsolás A forgácsoláskor kialakuló maradó feszültség jellege és nagysága befolyásolható: a húzó jelleg fokozódik az előtolás és a forgácsoló sebesség növelésével, a nyomó jelleg erősíthető az élszögek kedvező megválasztásával. Köszörüléskor a szemcse anyagminősége meghatározó a feszültség jellegében (5. ábra) [69]. A maradó feszültség tipikus eloszlását a rétegmélység függvényében az 6. ábra mutatja. A felület alatti réteg nyomófeszültséggel terhelt, a felülethez közeli rétegben ezt követően húzófeszültség látszik. Az ezután következő (harmadik) szakasz attól függően tartalmaz húzó vagy nyomó feszültséget, hogy milyen az alkatrész hőkezeltsége. A nyomó feszültség például edzett szerkezetre utal [69].

5. ábra: Edzett acél maradó feszültség eloszlása [69]

6. ábra: Maradó feszültség elméleti eloszlása [69]

10

7. ábra: Esztergálási paraméterek hatása a maradó feszültségek mértékére [85]

-

Esztergálásnál a szerszám homlokszögétől is függ a maradó feszültség szintje és hatásának mélysége. Nagyobb negatív homlokszöggel történő esztergálás során a nyomó maradó feszültségek magasabb szintet érnek el, és mélyebben is hatnak

-

A forgácsolás mélysége nincsen hatással a maradó feszültségekre

-

A megnövelt előtolás azonban jelentősen megnöveli a maradó feszültségek mértékét

-

Az előtolás és a homlokszög szabályozásával lehetőség van előre definiált nagyságú maradó feszültségek létrehozására (7. ábra)

Minden vizsgálat azt bizonyítja, hogy a nyomó maradó feszültségek mindig közvetlenül a felszín alatt jelennek meg [85]. A durva köszörülés akár 500 µm mélyen okozhat feszültséget, ha nem végzik megfelelően a megmunkálást, ráadásul nagyon magas húzó feszültséget okoz. Ennek következtében a felületi repedésnek vagy a termék repedésének nagyobb a kockázata. Öntés [86]: Öntés után a termék felszíne alatti legfelső rétegben húzó feszültségek maradnak vissza. Alsóbb rétegekben nyomó feszültségek vannak (8. ábra). A maradó feszültségek

11

mértéke attól függ, hogy az öntőformának milyen az állapota. Ha a terméket gyorsan hűtjük, akkor nagyobb maradó feszültséget mérnek.

8. ábra: Az öntés hatása a maradó feszültségekre [86] Hőkezelés A különféle mechanikus rendszereket gyártó iparágakban a gyártás célja szerint két alapvető terület, az alkatrészgyártás és a késztermék előállítás különíthető el. Az alkatrészgyártás feladata előírt geometriájú, felületminőségű és anyagtulajdonságú alkatrészek gyártása. Az alakadás történhet felépítő (öntés, hegesztés) vagy leválasztó (forgácsoló technológiák) eljárások alkalmazásával. Az alkatrész működése során ható igénybevétel a feldolgozhatóságot biztosító, illetve az egyes alakadó technológiáknál kialakuló tulajdonságoktól eltérő anyagtulajdonságokat követel meg. Tehát szükség van a vas- és fémötvözet termékek anyagtulajdonságainak változtatására. Ezért alkalmazzuk a hőkezelést. Általános feladat a célnak megfelelő hőkezelő eljárás kiválasztása és az anyagminőség előírása. A különböző hőkezelések során az alkatrészekben belső feszültségek keletkeznek [87]. Ezek a feszültségek a nagyságuk mértékében befolyásolják a további megmunkálások méretpontosságát, sok esetben a termék tönkremeneteléhez vezethetnek. Ismernünk kell a belső feszültségek keletkezési módját ahhoz, hogy elkerülhessük az alkatrészek roncsolódását. Ismerni kell továbbá: - külső és belső befolyásoló tényezőket - hőkezelési méretváltozásokat - vetemedésre kifejtett hatásukat.

12

Hűtés során nagy hőmérséklet különbségek jöhetnek létre a munkadarab belseje és felülete között. Ennek hatását a hűtési sebesség növelése vagy a darab méretének növelése tovább fokozhatja. A hőmérséklet gradiens következtében az alkatrészek belsejében és a felülethez közelebb levő rétegekben a térfogat változások időbeni lefolyása különböző, ez hőfeszültséget hoz létre. Amennyiben ez a hőfeszültség meghaladja a folyáshatár értékét, az alkatrész képlékeny alakváltozást szenved. A hűtési folyamat során az ausztenit különböző szövetszerkezetekké alakul át. Az átalakulás fajtérfogat változással jár, ami befolyásolja az alkatrész belsejében a feszültségek alakulását. Alapvetően két feszültségtípus (hőfeszültség és átalakulási feszültség) határozza meg az alkatrészben visszamaradó feszültségek nagyságát és eloszlását. Hőkezelés során végbemenő mechanizmusok Azon hőkezelési műveleteknél és anyagminőségeknél, amelyeknél hűtés során szilárd állapotban fázisátalakulás nem játszódik le, az alkatrészekben maradó feszültségek a kéreg és a mag közötti nagy hőmérsékletkülönbségtől függő fajtérfogat változás eredményei. A hűtés elején, az alkatrész belseje és felülete közötti hőmérséklet különbség még elég nagy. Ezután a mag elkezd zsugorodni, ennek eredményeként a kéreg feszültségek lecsökkennek. Ez a folyamat addig tart, amíg a feszültséginverzió be nem következik, A kéregben nyomófeszültségek, a magban pedig húzófeszültségek maradnak vissza. Ebben a példában a méretváltozást a feszültségek nagyságának az acélra jellemző folyáshatár fölé történő elemelése okozza. A folyamatot befolyásoló paraméterek hatása az alábbiak szerint összegezhető. A méretváltozás annál nagyobb, minél: - magasabb az ausztenitesítési hőmérséklet, - nagyobb a hűtési sebesség, - kisebb a hővezetés, - nagyobb a hőtágulás, - kisebb a hőellenállás, - nagyobb méretű az alkatrész.

9. ábra: Hőfeszültségek keletkezése A legtöbb alkatrész esetében hőkezeléskor fázisátalakulások játszódnak le, amelynek következtében a hőfeszültségek mellett átalakulási feszültségek is keletkeznek. Ezek az egyes szövetszerkezetek fajtérfogatbeli különbségeiből erednek. Hűtéskor az ausztenit mindig egy nagyobb fajtérfogatú szövetelemmé alakul át: perlit, bainit, martensit.

13

Az átalakulási feszültségek összeadódnak a hőfeszültségekkel. A keletkező alak- és méretváltozásokat a következők határozzák meg:  a hőmérséklet eloszlás időbeni változása,  az acélban végbemenő fázisátalakulások,  hővezetés,  hőellenállás. Ezeknek hatását a 12. ábra mutatja.

10. ábra: Paraméterek hatása hűtés közben A 12. ábra egy henger alakú alkatrész belsejének és felületének megfelelő hűlésgörbéit tartalmazza három különböző hűtési sebesség esetén. A kéreg és mag átalakulása a hőfeszültségek inverziója előtt megy végbe. Amikor a kéregben elkezdődik a térfogat-növekedéssel járó átalakulás, a képlékeny alakváltozás hamarabb bekövetkezik, és az átalakulási feszültségek inverziója is előbb megy végbe. A magban lévő viszonylag magas hőmérséklet következtében a feszültség értéke túllépi az acélra jellemző meleg folyáshatár értékét, ami képlékeny alakváltozáshoz vezet. A bekövetkező martensites átalakulás további feszültséginverziót eredményez. A lehűlés végén a magban nyomó-, a kéregben húzófeszültségek maradnak vissza. Az átalakulási folyamat nagyban befolyásolja a feszültségek keletkezését. Tehát ez egy tipikus esete a hűtés következtében végbemenő átalakulások okozta maradó feszültségek eloszlásának. Az átalakulás a hőfeszültség inverziója után megy végbe. Ennek eredménye, hogy a kéregben megnövekedik a nyomó hőfeszültség értéke, így a magban húzófeszültségek keletkeznek, hogy ki tudják egyenlíteni egymást. Ekkor feltételezzük, hogy képlékeny alakváltozás nem következik be. A kéreg átalakulása hamarabb kezdődik el, és később fejeződik be, mint a mag átalakulása [87]. Autóipari szerkezetek, amelyeknél előfordul maradó feszültség, és lényeges annak mérése: - Dugattyú - Főtengely - Karosszéria elemek - Futómű rendszer - Diesel motorok befecskendező rendszere - Sebességváltómű stb. 14

Bevonatolás A bevonatolás során keletkező maradó feszültségek hatásait a kifáradási élettartamra határozzák meg a [87]-ban. Ezt úgy végzik, hogy a WC-Co bevonatokat mind alumínium, mind acél szerkezetekre állandó alakváltozás mellett történő hajlító vizsgálatnak teszik ki. -

A nyomó maradó feszültségek növelése a WC-Co bevonatokban növeli a kifáradási ciklusok számát a 6061 alumínium próbatestek esetén.

-

A 4130-as WC-Co bevonatú acél alacsony nyomó maradó feszültségei közel azonos számú kifáradási ciklust bír el, mint a krómozott acél.

-

A nyomó maradó feszültségek jelenléte a WC-Co bevonatokban növeli a próbatest kifáradási ciklusainak számát

-

A WC-Co bevonatolt próbatestekben nagyobb volt a nyomó maradó feszültségek mértéke, mint a sörétszórással megmunkált próbatestekben.

Hegesztés Az utóbbi időben egy nagymértékű átalakulás ment végbe a hegesztés technológiák területén is. Ilyen új technológia a távoli lézerhegesztés is [94]. Rövid fejlesztési periódusa ellenére sokféle alkalmazási lehetőséget biztosít. A lézersugárhegesztés ideális alkalmazási körébe a szigorú tűrésű alkatrészek, a nagyon jól illesztett darabok és a hegeszthetőségi nehézségeket okozó anyagok vagy anyagpárok hegesztése tartozik. Néhány alkalmazási példa: - gépjárművek halogén izzói, - gépkocsi szélvédő keretek - sebességváltóművek fogaskerekei - torziós lengéscsillapítók - személygépkocsi padlóvázak és karosszéria elemek - lemeztáblák összehegesztése nagyméretű mélyhúzott autó-karosszéria elemekhez, [92] Átlapolásos vonalhegesztés: Az átlapolásos hegesztés a vonalhegesztés alapesete, amit az jellemez, hogy az összehegesztendő lemezek átlapolt helyzete a hegesztés után is megmarad. Széles körben használja az autóipar (üzemanyagtartályok, katalizátorok, hangtompítók, kipufogók, karosszéria elemek), de egyéb iparágak is. A tompavarratos vonalhegesztés tehát átlapolt lemezekkel indul és tompaillesztéssel fejeződik be. A szokásos impulzushegesztésnél a vastagságirányú varratdudor mérete a lemezvastagság 5 és 25 %-a között változik. Ahol a varratdudor esztétikai vagy egyéb okból nem engedhető meg, folyamatos árammal hegesztenek, vagy az impulzusparaméterek speciális beállításaival a lehető legkisebb pontosztást hoznak létre, illetve utólagos hengerlést végeznek [92]. A tompavarratos vonalhegesztést az autóipar a lemeztáblák tompakötésére használja, mivel kevésbé érzékeny a pontos illesztésre, mint a lézersugár hegesztés. Szükséges esetekben a kötéseket utólagos művelettel hidegen áthengerlik. A hengerlés a varratdudorokat elsimítja, a belső feszültségeket csökkenti. A tompavarratos vonalhegesztést az erőteljes képlékenyalakítási követelmény miatt csak lágyacéloknál és egyes korrózióálló acéloknál alkalmazzák. Színes és könnyűfémek tompavarratos vonalhegesztésre nem alkalmasak [92]. 15

11. ábra: A hegesztett varratok axiális maradó feszültség eloszlása 2.25Cr-1Mo és 316 acélokra [63] Korábban megfigyelték, hogy a hegesztési maradó feszültségeknek van egy szórása, ami nem meglepő tekintve a feszültségek eredetét. A mérési technika függ attól, hogy milyen a hegesztési maradó feszültségek természete és hogy milyen hibák fordulnak elő. A maradó feszültségben lévő eltérések a hegesztési folyamatok hibáiból adódnak (12. ábra).

12. ábra: Maradó feszültség mérésének technikája és azokból kapott eredmények [92] 16

A maradó feszültség mértékének meghatározásához a [88] irodalomban neutron diffrakciós és lyukfúrásos módszereket alkalmaztak. Minél magasabb a maradó feszültség a mérés során, annál nagyobb a feszültség szórása a hegesztett anyagban [88]. Lézeres felületkeményítő eljárás (Laser Shock Processing – LSP): LSP során a fémfelületet víz alatt lézer segítségével kezelik. Ehhez 10 Hz-es lézert alkalmaznak két impulzus sűrűséggel: 2500 pulzus/cm2, és 5000 pulzus/cm2.

13. ábra: LSP módszer bemutatása Ennek a folyamatnak a következtében magas szintű maradó feszültségek keletkeznek (14001600 MPa között). Bebizonyosodott, hogy a felszíni maradó feszültségek magasabb értékűek, mint a sörétszórás esetén a felület alatt mélyebben keletkező maradó feszültségek.

17

14. ábra: 2500-as impulzussal létrehozott maradó feszültség mértéke

15. ábra: 5000-es impulzussal létrehozott maradó feszültség mértéke Ezzel a módszerrel az anyag kifáradással és kopással szembeni ellenállóságát jelentős mértékben lehet javítani. Az LSP felületkezelési technológiát alumínium ötvözetek kifáradási tulajdonságainak feljavítására lehet alkalmazni. Ezt a módszert már a végső termékek felületkezelésére is lehet használni [89]. Keményesztergálás [73]: Ez egy alternatív eljárás, amellyel pontosan lehet gyártani alkatrészeket. A köszörüléssel összehasonlítva sokkal több előnye van, például nagysorozatban lehet vele gyártani, rövidebb az átfutási idő, olcsóbbak a berendezések, így spórolni lehet a gépköltségeken, valamint egy rugalmas rendszert alkalmaznak. Azonban a keményesztergálás befejező folyamatként való alkalmazáshoz, széleskörű tudásra van szükség. A [73]-as irodalom szerzői szerint, hogyha növelik a fogásmélységet, akkor a munkadarabban megnőnek a nyomó maradó feszültségek. König szerint a nagyobb előtolás alkalmazásával növelni lehet a feszültségek hatás zónájának mélységét és a nyomó maradó feszültségek szintjét. Egy kísérleti tanulmány, melyet a [73]-as irodalom szerzői felhasználtak, azt mutatja, hogy a keményesztergálás mélyebbre ható nyomó maradó feszültséget indukál, mint a köszörülés. A szerszám élgeometriájának megválasztása döntő szerepet játszik a maradó feszültségek profiljának kialakulásában. Hua szerint egy optimális élgeometria alkalmazásával, valamint egy agresszív előtolási sebességgel növelhető a nyomó maradó feszültségek szintje. Végeselemes szimulációval bebizonyították, hogy a keményesztergált felületek maradó feszültségeinek változtatásával egy kedvezőbb állapot 18

hozható létre. Ezt a második vágás (second cut) optimalizálásával érték el. Nemrégiben Zhang és munkatársai bemutatták, hogy egy neurális hálózaton alapuló modellel megjósolható a keményesztergált felületek maradó feszültség profilja, ráadásul sokkal pontosabban közelíthető azoknak az értékeik, mint lineáris regressziós módszerrel. Guo és Yen megállapította, hogy a nyomó maradó feszültségek meredeksége fontos tényező a gördülőcsapágy kifáradási tulajdonságainak meghatározása szempontjából. Továbbá végeselemes szimulációval kimutatták, hogy többtengelyű kifáradási paraméterekkel jellemezni lehet a relatív fáradási károsodás hatását olyan feszültségek alatt, amelyek a megmunkálás során jöttek létre. A kovácsolás a következő fejezetben kerül kifejtésre, mivel egy olyan technológia, amelynél elkerülhetetlenül is keletkezik maradó feszültség. Éppen ezért jelenlétével mindig számolni kell, ezért a kovácsolás technológia bemutatása a következő fejezetben kerül ismertetésre, ahol a maradó feszültségek szándékos létrehozási módjaival foglalkozunk.

2.2. Maradó feszültség szándékos létrehozásának típusai, alkalmazási területek a járműiparban A maradó feszültségek nemcsak károsak, de olykor hasznosak is lehetnek. Ilyen esetekben szándékosan hozunk létre a szerkezeti elemekben a megmunkálás befejezése után is megmaradó feszültséget, mely az esetek döntő többségében nyomó maradó feszültség. Ez legtöbbször valamilyen felületre ható mechanikai beavatkozást jelent, mely növeli a fárasztó igénybevételnek kitett alkatrészek kifáradással szembeni ellenálló képességét vagy a korróziós kifáradással és a feszültség korróziós töréssel szembeni ellenállást. A maradó feszültség szándékos létrehozásának lehetőségei a következők:  szemcseszórás  görgőzés  autofrettázs  kovácsolás Szemcseszórás: Szemcseszórásnak azt az eljárást nevezzük, amely során egy céltárgyra nagy sebességgel, nagyszámú, maximum néhány milliméter átmérőjű szilárd szemcsét röpítünk (16. ábra). Beszélünk: - acél szemcsékkel történő szemcseszórásról, - homokszórásról, - szárazjéggel történő szórásról. Ennek a technológiának az adott gyártási folyamatban további megmunkálásra váró félkész termékek felületén mechanikusan tapadó szennyeződésektől való megtisztítása volt a célja. A feladata az volt, hogy a tipikusan öntött vagy a melegen képlékenyen alakított oxidációra hajlamos vasalapú ötvözetekről, hőkezeléskor a felületükön keletkezett reve réteget eltávolítsa, hiszen a gazdaságosság megköveteli a revementesítést.

19

16. ábra: A szemcseszórás hatásmechanizmusa Az eljárásnak egy másik jelentős ipari alkalmazása, amikor a céltárgyat elsősorban acél golyókkal szórják (sörétszórás, 18. ábra), abból a célból, hogy a darab felületéhez közeli rétegekben, néhány mikron mélységben szub-mikroszkopikus maradó nyomó feszültséget hozzanak létre. A becsapódó szemcsék nyomán, a felszínen kis kráterek keletkeznek. A sörétek a becsapódási helyek szűk környezetében fejtik ki hatásukat. A becsapódó szemcsék kinetikus energiája, részben az anyag képlékeny alakváltozását okozza, másrészt az anyagban maradó feszültségeket ébreszt. Ez a módszer elsősorban a fárasztó igénybevételnek kitett alkatrészek kifáradással szembeni ellenálló képességét növeli. A darab felületén húzó feszültség alakul ki, melyet kompenzál a sörétezés hatására kialakuló maradó nyomó feszültség.

17. ábra: A sörétszórás kifáradási határra gyakorolt hatása A felületi réteg alatt keletkező maradó nyomó feszültség értéke függ a sörétek nagyságától, sebességétől és a szemcseszórt felület minőségétől. Általános követelmény, hogy lehetőleg kemény, egyenletes méreteloszlású és gömbszerű szemcsével, nagy sebességgel és 100%-os lefedettséggel dolgozzunk. A sörétszórás során az ASTM: E11-09e1 szabvány alapján 0,3 – 0,8 mm közötti mélység tartományban keletkeznek maradó feszültségek a felület alatt. Szemcseszórással létrehozott maradó feszültséggel kapcsolatos problémák: 

A maradó feszültség a kisebb szilárdságú anyagokban, nehezebben hozható létre, kisebb mértékű tulajdonság változásokat okoz és könnyebben relaxál. 20

 

A maradó feszültség fárasztó igénybevétel közben leépül. A szemcseszórás kísérő jelensége lehet, hogy a felületi minőség romlik, amennyiben a szemcsék méretei nem megfelelőek [59].

18. ábra: Sörétezés típusai és módszerei [62] A sörét szórást az autók futóművénél alkalmazzák [90]. A futómű fő funkciója, hogy összekapcsolja a kocsi szerkezetét a kerekekkel. Fő feladata az, hogy az úttest egyenetlenségeiből adódó rezgéseket elnyelje, ezzel növelve a jármű irányíthatóságát és biztonságosságát. A futómű fő részei a rugó, a lengéscsillapító és a stabilizátor. A rugó a felfüggesztési rendszer azon része, mely elviseli az autó súlyából adódó terheléseket, és segít elvezetni az utak szabálytalanságaiból adódó rezgéseket a vezetés során. Így ez az energia a rugalmas alakváltozás által elnyelődik. A futóművek rugóinak a kezelésére sörétszórást alkalmaznak. A maradó nyomó feszültség és a felületi edzés együtt növeli a rugó élettartamát a kifáradási feszültségekkel szemben [86]. A legelterjedtebb rugók a következők [91]: -

Tekercsrugó: Ez a legelterjedtebb rugó (19. ábra). Nagy rugalmasságú tekercs, ami képes összenyomódni, majd közvetlen utána visszanyerni előző állapotát. Csak hosszirányú erőt tud felvenni. Könnyű folyamatosan keményedő karakterisztikát állít elő. A személyautóknál főleg ezeket alkalmazzák.

21

19. ábra: Tekercsrugó -

Laprugó: A laprugóban ívelt acéllapok vannak párhuzamosan kötegelve (20. ábra). A személyautó gyártásban lényegében már teljes egészében kiszorította a tekercsrugó, de a haszongépjárműveknél, mint mondjuk a teherautóknál mai napig kedvelt módja a rugózásnak. Gyakorlatilag minden irányú erőt és nyomatékot fel tud venni. Saját csillapítással rendelkezik.

20. ábra: Laprugó -

Torziós rugó: Lényegében egy acélrúd, amit megpróbál dugóhúzóként felcsavarni a rá ható erő. Legtöbbször kisebb autók hátsó futóművénél alkalmazzák, mert kevés helyet foglal (21. ábra). Csak csavarónyomatékkal terhelhető.

21. ábra: Torziós rugó -

Légrugó: Két fő típusa van: a dugattyús vagy harmonikus, közvetlen erőátadással működtetett, illetve a folyadékközvetítésű légrugó. Légrugókat leggyakrabban haszongépjárműveknél alkalmaznak, folyadékkal töltött változata a francia prémium autókban ma is használatos. A levegő összeszorításához progresszív erőnövekedés tartozik. 22

Sörétszórás alkalmazhatóságának rövid összefoglalása: -

motorok szeleprugója, felfüggesztés rugója, főtengely, csatlakozó rudak, váltó alkatrészei.

A legtöbb fém alkatrészt a gyártás során visszamaradó feszültségek terhelik. Pl.: köszörülés során magas felületi maradó húzó feszültségek maradnak vissza. A hegesztett szerkezetekben magas húzó maradó feszültségek maradnak vissza a hőhatás övezetben, a varrat közelében. Hidegen alakított alkatrészeknél szintén húzó feszültségek maradnak vissza. A maximális nyomó feszültségek a hagyományos feszültségek 50-60%-át teszik ki, a maximumot pedig némileg a felület alatt éri el. Normál sörét golyó általában 45-48 HRC keménységű. Speciális esetben használnak csak ettől nagyobb keménységű – kb. 55-62 HRC – golyót. Rugó: Sok vizsgálatot végeztek el, hogy meghatározzák milyen megmunkálási folyamatra van szükség ahhoz, hogy a rugók kifáradási élettartamát növelni tudják. Feljegyezték, hogy sörétszórással megmunkált rugók 65-70%-al magasabb feszültség szinten képesek üzemelni, a sörétszórás alkalmazása nélküli rugókkal szemben. Fogaskerék: Cementált és edzett acélokon hajtják végre a sörétszórást. A fogaskerekek felületi keménysége 58-62 HRC. A legjellegzetesebb típus a kifáradási meghibásodás, mely főként a fogtőnél jelenik meg. Az eredményekből jól kivehető, hogy a kifáradási szilárdságot jó 2530%-kal növelni lehet a sörétszórás technológiájának segítségével. Főtengely: Az autók főtengelyének megmunkálásakor sörétszórást alkalmaznak, hogy növeljék a tengely élettartamát. A tengely ciklikus igénybevételnek van kitéve, így nagyon jellemző a fáradásos törés. Ahhoz, hogy ezt elkerüljék maradó feszültséget visznek a szerkezetbe. Hajtókar: A hajtókar a főtengelyhez kapcsolódik, így ugyanaz a probléma merül fel, mint a tengelynél. Növelni kell a szerkezet élettartamát, amit sörétszórással érnek el. A példákból is jól látszik, hogy széles körben alkalmazzák a sörétszórás technológiáját számos előnyének köszönhetően. Fő alkalmazási területe az autóipar. Fő célja az alkatrészek ellenállóságának növelése kifáradási töréssel szemben, így növelve azok élettartamát [118].

23

Görgőzés Görgőzés során egy elfordulni képes kemény tárcsát, vagy egy folyadék ágyban szabadon forgó acélgolyót nyomunk adott erővel a munkadarab felszínéhez. Erre megoldás lehet, ha a munkadarabot esztergapadba fogjuk, a görgőző szerszámot pedig az esztergakés helyére tesszük (22. ábra).

22. ábra: Görgőzés esztergapadon A 22. ábra egy olyan görgőzési eljárást mutat be, ahol a görgőző szerszám egy tárcsa. A tárcsa előtt a felületet lézerrel hevítik. Üzemeltetési és tervezési szempontból fontos, hogy egy tárcsa nagyobb felületen érintkezik a munkadarabbal, mint egy görgőző golyó, ezért ha azonos mechanikai feszültséget akarunk elérni, akkor a görgőzést végző szerszámra nagyobb erők kell hassanak. Az eljárás bármely geometriájú munkadarabra alkalmazható. Ekkor egy CNC robotkar követi a kezelni kívánt felületet a görgőző szerszámmal. Az így kezelt felület szilárdsági értékei nőnek a hidegalakítás következtében. A komplett szerkezet ellenállóbbá válik a korróziós kifáradással és a feszültség korróziós töréssel szemben. Ez a technológia is növeli az anyag kifáradási határát, épp úgy, mint a sörétezés [59].

24

23. ábra: Görgőzés a Rába Járműipari Holding Nyrt. gyárában [59]

24. ábra: A köszörült és görgőzött felületek összehasonlítása [59] Az angolszász nyelvterületen használatos a deep rolling fogalma, mely a görgőzés egy fajtája, ahol a görgőzéskor jellemző átlagos hidegalakításnál nagyobb hidegalakítást végeznek a felszín rétegeiben. A különböző típusú görgőzések és az esztergált felület összehasonlításából kiderül, hogy a tárcsás görgőzés hordozza a legjobb felületi minőséget, de a golyós görgőzéssel nagyobb keménység (nagyobb mértékű hidegalakítás) érhető el (24. ábra) [59]. Görgőzésre acélgolyót különféle méretben használnak, 20 mm-től, 200 mm-ig. A felületi érdességet és a felületi réteg tulajdonságát a munkadarab anyagának tulajdonsága (széntartalom, övözők, hőkezelési állapot) és a technológiai jellemzők (görgők alakja, az előtolás és a görgőző erő nagysága) határozzák meg [62]. Furathengerlés: A görgők száma célszerűen páratlan, átmérőjük 6-18 mm. A görgők hossza kétszerese – háromszorosa az átmérőnek. A belső hengeres felületek vasalásakor végbemenő alakváltozás szerint megkülönböztetünk: simító és alakító vasalást. Célja a pontosság 25

növelése, az érdesség csökkentése, a kopásállóság növelése és a kifáradási határ növelése [62].

25. ábra: Jellegzetes felülethengerlési eljárások [62]

26. ábra: Belső hengeres felületek vasalása [62]

27. ábra: Motorblokk 

Görgőzés alkalmazása járműipari alkatrészeknél: o Motorblokk (27. ábra) o Felni o Váltórendszer elemei o Hengerpersely 26

Autofrettázs Az autofrettázs egy olyan technológia, amelynél nagy nyomás segítségével maradó feszültséget hoznak létre az anyagban. Az eljárás célja, hogy növelje a végső termék tartósságát. Az anyag nyomó maradó feszültségeinek indukálása növelni tudja a feszültség korróziós repedéssel szembeni ellenállóságot. Nem mechanikusan elősegített repedés, akkor jelenik meg, amikor az anyagot egy olyan környezetbe rakjuk, amelynek hatására maradó húzó feszültségek keletkeznek benne. Ezt a technikát gyakran használják a diesel motorok üzemanyag befecskendező rendszerénél. Alakítási keményedés alakul ki, de nem ez az elsődleges mechanizmus. Az acélcső belső átmérője, amely kisebb, mint az elérni akart átmérő. A cső olyan mértékű belső nyomással van terhelve a furat növeléséhez, mely hatására a fémes keresztmetszet belső rétegeiben a feszültség túllépi a rugalmassági határt. A cső külső felületeiben a belső nyomás hatására olyan feszültség keletkezik, amely még nem éri el a rugalmassági határt. Az ok, amiért ez lehetséges az, hogy a feszültség eloszlása a cső falában egyenetlen. A feszültség folyamatosan csökken a külső felületek felé haladva. Az autofrettázs (autofrettage) egy biztonságos, egyszerű és hatásos művelet, mely biztosítja a nyomás alatt álló berendezések törési élettartamának óriási növekedését. Európában fejlesztették ki évszázadokkal ezelőtt. Főként az amerikai és európai gyártók használták, hogy növeljék a termékeik élettartamát. Az amerikai hadsereg is alkalmazta ezt az eljárást, hogy a fegyvereinek és az ágyúk hüvelyeinek élettartamát jelentősen megnövelje. Mára már ez egy világszerte használt eljárássá vált. Az autofrettázs előnyös nyomófeszültséget hoz létre a nyomástartó edények belső felületén, míg a kisebb feszültségű területeken rugalmas alakváltozás megy végbe. Az autofrettázs hatása hasonló, mint a sörétszórásé vagy a belső felület csiszolásáé. Használják az üzemanyag, diesel befecskendező rendszerek és a vízsugaras berendezések esetén. Legtöbb esetben a szivattyúknál, hengereknél, biztonsági szelepeknél, kipufogó csöveknél, szerelvényeknél van nagy előnye az autofrettázs használatának. A technikát cső alkatrészeken is alkalmazzák [92]. Előnyei: -

-

-

Növeli a termék élettartamát: A termék életciklusa során a még elviselt nyomást egy adott szinttel megemeli, vagy a maximum nyomásszintet növeli. Olcsóbb anyagok használata: Az autofrettázs használatával képesek vagyunk olcsó anyagokból is nagy nyomást elbíró, hosszú élettartamra tervezhető termékeket gyártani. Kevesebb felületi simításra van szükség: Az autofrettázs a felületsimítási technológiákkal szemben nem csökkenti az élettartamot (az érdes felület simításának ártalmas hatása van az élettartamra). Az autofrettázs képes arra, hogy feszültséget juttasson be az anyagba jó felületminőség mellett, ezáltal a simításnak nem lesz káros hatása. Ezért ez a művelet egy egyszerű és költséghatékony megoldást nyújt. Kisebb érzékenység a feszültség növekedésre: A keresztmetszet vagy belső furat megváltozása komoly problémákat okozhat az üzemeltetés során. Autofrettázzsal hatásosan kikerülhetik ezeket a tervezési hibákat. A maradó élettartamot növelő nyomó feszültségek ez után az eljárás után lesznek a legnagyobbak [91].

A 28 ábra mutatja a folyamatot két lépésben. Az első lépésben nagy nyomást alkalmaznak a terméken. A belső felületen kis képlékeny alakváltozást tapasztalhatunk, amíg az alacsony feszültségű külső felületen rugalmas alakváltozást észlelünk. Amikor a második lépésben a nyomást felengedjük, a külső felület rugalmas feszültségei felülkerekednek a kisebb 27

feszültségű belső anyagon. Kiegyenlíti a nyomó feszültségeket, melyek a belső területeken nagyobbak.

28. ábra: Autofrettázs folyamata két lépésben Autofrettázs alkalmazása járműipari alkatrészeknél: • • • • • •

Tengely, Váltórendszer elemei Befecskendező rendszer, Szelep, Szivattyú, Kipufogó cső.

29. ábra: Kipufogó cső

30. ábra: Diesel motorok befecskendező rendszere

28

Kovácsolás [107] A kovácsolás egy olyan megmunkálási folyamat, melynek a célja az anyag tulajdonságainak javítása, általában mechanikus eszközök segítségével, mint pl.: kalapácsütés, sörétszórás. A kovácsolás általában hideg munkafolyamat. A hideg alakító eljárás, nyomó feszültséget hoz létre, vagy a már jelenlevő húzó feszültséget csökkenti. A kovácsolással is elősegíthetjük az alakítási keményedést a fém felületén. A kovácsolás hatására kialakult képlékeny alakváltozás maradó nyomó feszültségeket indukál a alakított felületen, valamint húzófeszültséget a belső területeken. A felületi nyomó feszültség hatására a fém ellenálló lesz a fáradás és a korrózió bizonyos formái ellen, ugyanis a meglévő repedések egy nyomó feszültséggel terhelt környezetben nem fognak növekedni. Ennek hatására azonban a belső területeken magasabb a húzó feszültségek szintje. Ha a fém alakítási keményedésen megy keresztül, akkor a folyáshatára nő, de az alakíthatósága csökken. Az alakítási keményedés növeli a diszlokációk számát az anyag kristályrácsában. Amikor az anyagban nagy számban van jelen diszlokáció, az gátolja a maradó alakváltozást, és az anyag jóval a rugalmas folyáshatár fölött is rugalmas módon fog viselkedni. A réz és más képlékeny fémek jól reagálnak az edzésre. A réz bizonyos formái, mint pl. a képlékeny (szívós) drót, könnyen deformálódnak, mégis a réz önmagában meglehetősen merev. Az alakítási keményedést hőkezeléssel vissza lehet fordítani. Kézi kalapálással enyhíthetjük hegesztett szerkezetekben hűtés után visszamaradt húzó feszültségeket.

29

2.3. Az autóiparban alkalmazott jellemző anyagminőségek összegyűjtése (acélok, alumínium, Mg ötvözetek) Acélok Az autóipari acélokat különféle osztályokba sorolhatjuk. Az első az anyagszerkezeti csoportosítás. Közös csoportba tartoznak a kis szilárdságú acélok (gyengén ötvözött acélok); hagyományos HSS acélok (karbon-mangán ötvözésű, nagy szilárdságú interstíciós, nagy szilárdságú gyengén ötvözött acélok); és az AHSS (kétfázisú, több fázisú, martensites acélok). A második módszer a szilárdság szerinti csoportosítás. A [74] az eredeti HSS és AHSS jelölést használja a nagyobb szilárdságú acélokra. Sok irodalom szűkebb határok között kategorizálja az acélokat. A HSS acélok folyáshatára 210 – 550 MPa, szakítószilárdsága 270 – 700 MPa, míg az UHSS acélok folyáshatára nagyobb, mint 550 MPa és a szakítószilárdsága nagyobb, mint 700 MPa. Ezek a határok – mikor egyik kategóriából a másikba mozgunk – változhatnak az alakíthatóság függvényében. A harmadik módszer a különböző acélok mechanikai tulajdonságaira és alakíthatósági paramétereire mutat rá, mint pl.: teljes nyúlás, keményedési tényező, vagy repedésterjedési tényező.

31. ábra: Acélok csoportosítása teljes nyúlás és szakítószilárdság szerint A fő különbség a hagyományos HSS és az AHSS acélok között a mikro-szerkezetük. A HSS egy hagyományos egyfázisú ferrites acél. Az AHSS egy többfázisú acél, mely elegendő mennyiségű ferritet, martensitet, bainitet, és austenitet tartalmaz ahhoz, hogy egyedi mechanikai tulajdonságokat hozzon létre. Mindegyik acélcsoport azonosítható a metallurgiai tulajdonságok által. Főleg a folyáshatárral (MPa-ban) és szakítószilárdsággal (MPa-ban). Példa egy acél típus leírására: DP 500/800 – Dual phase, tehát kétfázisú acél, minimum 500 MPa folyáshatárral és minimum 800 MPa szakítószilárdsággal. Ezt a csoportosítási rendszert az ULSAB-AVC programban használták (UltraLight Steel Auto Body – Advanced Vehicle Concepts). Fontos megjegyezni, hogy a különböző kritériumok a világ autóipari vállalatai számára elfogadottak.

30

Az autóiparban leggyakrabban alkalmazott acélok X12CrMoS17 [121]:

C % 0,10,17

1. táblázat: X12CrMoS17 vegyi összetétele S Cr Mo Ni V Al Cu W Ti Co Pb % % % % % % % % % % % 0,15- 15,5- 0,2<1 <1,5 <0,06 <0,4 <0,1 <0,1 <0,3 <0,1 <0,05 <0,1 <0,15 0,35 17,5 0,6 Si %

Mn %

Méret (mm) 0-100

P %

2. táblázat: X12CrMoS17 mechanikai tulajdonságai Szakítószilárdság Nyúlás Folyáshatár (MPa) (MPa) (%) 450 640-840 11

Keménység (HB) 0-230

Alkalmazási terület: - Víz és gőz hatásának kitett alkatrészek - Csavar - Csavaranya - Orsó - Forgó Tengely - Persely, Hüvely X6CrMo171 [121]: 3. táblázat: X6CrMo171 vegyi összetétele C Si Mn P S Cr Mo Ni V Al Cu W Ti Co % % % % % % % % % % % % % % 16- 0,9<0,08 <1 <1 <0,045 0,03 <0,4 <0,1 <0,1 <0,3 <0,1 <0,05 <0,1 18 1.3

Pb % <0,15

4. táblázat: X6CrMo171 mechanikai tulajdonságai Méret (mm) Folyáshatár (MPa) Szakítószilárdság (MPa) Nyúlás (%) Keménység (HB) 0-6 260 480-630 H: 18; K:20 Alkalmazási terület: - Korrózióálló autóalkatrészek - Keréksapka, Porsapka - Lökhárító - Ablakkeret - Ablaktörlő (gépkocsihoz) - Lyukkorróziónak ellenálló alkatrészek

31

Z8CD17-01 [121]: C %

Si %

Mn %

P %

<0,08

<.75

<0,8

<0,04

5. táblázat: Z8Cd17-01 vegyi összetétele S Cr Mo Ni V Al Cu % % % % % % % 16- 0,90,015 <0,4 <0,1 <0,1 <0,3 18 1.4

6. táblázat: Z8Cd17-01 mechanikai tulajdonságai Folyáshatár Szakítószilárdság Nyúlás (%) (MPa) (MPa) 260 450-630 22

Méret (mm) 3-75

W %

Ti %

Co %

Pb %

<0,1

<.05

<0,1

<0,15

Keménység (HB) -

Alkalmazási terület: - Lemez - Szalag, hidegen hengerelt - Korrózióálló alkatrészek - Keréksapka, porsapka - Lökhárító - Ablakkeret - Lyukkorróziónak ellenálló alkatrészek - Ablaktörlő (gépkocsihoz) 25CrMo4 [121]:

C%

Si %

Mn %

P%

0,22 0,29

< 0,4

0,60,9

< 0,03 5

7. táblázat: 25CrMo4 vegyi összetétele Cr Mo Ni V Al Cu S% % % % % % % 0,9 <0,0 0,15 < < < < 3 -0,3 0,4 0,1 0,1 0,3 1,2

W % < 0,1

Ti % < 0,0 5

Co %

Pb %

< 0,1

< ,15

Technológiai adatok: Lágyítás: 680-720 °C Normalizálás: 860-900 °C Edzés: 840-870 °C (hűtés vízben) Megeresztés: 540-680 °C (hűtés levegőn)

Méret, (mm) 0-16 16,1-40 40,1-100 100,1-160

8. táblázat: 25CrMo4 mechanikai tulajdonságai Folyáshatár Szakítószil. Kontrakció Nyúlás (%) (MPa) (MPa) min, % 700 900-1100 12 50 600 800-950 14 55 450 700-850 15 60 400 650-800 16 60

Szabványcím, acélcsoport: - Nemesíthető acélok - Hidrogén nyomásálló acél 32

Ütőmunka (H,J) 50 55 55 50

Alkalmazási terület: - Autóalkatrészek - Járműalkatrészek - Tengely (álló) - Turbina elemek - Tengelycsonk

30CrNiMo8 [121]: 9. táblázat: 30CrNiMo8 vegyi összetétele C %

Si %

Mn %

P %

S %

Cr %

Mo %

Ni %

V %

Al %

Cu %

W %

Ti %

Co %

Pb %

0,26 0,34

<0,4

0,30,6

< 0,03 5

< 0,03

1,82,2

0,30,5

1,82,2

< 0,1

< 0,1

< 0,3

< 0,1

< 0,05

< 0,1

< 0,15

Technológiai adatok: Lágyítás: 650-700 °C Normalizálás: 850-880 °C Edzés: 830-860 °C Megeresztés: 540-680 °C

Méret, mm 0-40 40,1-100 100,1-160 160,1-250

10. táblázat: 30CrNiMo8 mechanikai tulajdonságai Folyáshatár, Szakítószil. Kontrakció Nyúlás % MPa MPa min, % 1050 1250-1450 9 40 900 1100-1300 10 45 800 1000-1200 11 50 700 900-1100 12 50

Szabványcím, acélcsoport: - Nemesíthető acélok Alkalmazási terület: - nagy igénybevételnek kitett alkatrészek - autóalkatrészek - motoralkatrészek

33

Ütőmunka (H,J) 35 40 50 50

C55 [121]:

C%

Si %

Mn %

P%

0,52 -0,6

<0, 4

0,60,9

< 0,04 5

11. táblázat: C55 vegyi összetétele Cr Mo Ni V Al S% % % % % % < < < < < < 0,04 0,3 0,15 0,4 0,1 0,1 5

Cu %

W %

Ti%

Co %

Pb%

< 0,3

< 0,1

< 0,05

< 0,1

< 0,15

Technológiai adatok: Lágyítás: 650-700 °C Normalizálás: 830-860 °C Edzés: 805-835 °C (víz) Megeresztés: 540-680 °C (levegő)

Méret, mm 0-16 16,1-40 40,1-100

12. táblázat: C55 mechanikai tulajdonságai Folyáshatár, Szakítószil., Nyúlás, % MPa MPa 550 800-950 12 500 750-900 14 430 700-850 15

Kontrakció, % 25 30 35

Szabványcím, acélcsoport: - Nemesíthető acélok Alkalmazási példák: - Autóalkatrészek - Gépalkatrészek - Motoralkatrészek - Befogóhüvely - Lemezhajlító henger - Hajtóműtengely - Hajtómű-fogaskerék - Eketalp - Ekevas H 180 P [121]: C% < 0,05

13. táblázat: H 180 P vegyi összetétele Si % Mn % P% S% < 0,4 < 0,6 < 0,06 < 0,025

Szabvány, acélcsoport: - Nagyszilárdságú acél - Alakítható minőség Alkalmazási példák: - Lemez, hidegen hengerelt - Hidegen hengerelt finomlemez - Tekercs - Autóalkatrészek 34

Al % 0,015-

STKM12A [121]: 14. táblázat: STKM12A vegyi összetétele Mn %

P%

S%

Cr%

Mo %

Ni%

V%

Al%

Cu %

W%

Ti%

Co %

Pb%

<0,2 <.35 <0,6

< 0,04

< 0,04

< 0,3

< 0,15

< 0,4

< 0,1

< 0,05

< 0,3

< 0,1

< 0,05

< 0,1

< 0,15

C%

Si%

Méret, mm 0-1 1,01-2 2.01-3 3.01-4 4.01-5 5.01-6 6.01-7 7.01-7.99

15. táblázat: STKM12A mechanikai tulajdonságai Folyáshatár, Szakítószil. Nyúlás (H,%) MPa MPa 175 >340 24 175 >340 26 175 >340 28 175 >340 29 175 >340 30 175 >340 32 175 >340 34 175 >340 35

Nyúlás (K,%) 20 21 22 24 26 27 28 30

Szabványcím, acélcsoport: - Szénacélcsövek gépszerkezetekhez Alkalmazási példák: - Cső - Gépalkatrészek - Autóalkatrészek - Kerékpár, Bicikli

C25 [121]: 16. táblázat: C25 vegyi összetétele C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% Ni% V% Al% Cu% W% Ti% Co% Pb% 0,22- < 0,4< < < < < < < < < < < < 0,29 0,4 0,7 0,045 0,045 0,3 0,15 0,4 0,1 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1 0,15 Technológiai adatok: Lágyítás: 650-700 °C Normalizálás: 880-910 °C Edzés: 860-890 °C (víz) Megeresztés: 540-680 °C (levegő)

35

Méret, mm 0-16 16,1-40

17. táblázat: C25 mechanikai tulajdonságai Folyáshatár Szakítószil. Nyúlás (H,%) MPa MPa 370 550-700 19 320 500-650 21

Kontrakció % 40 45

Szabvány, acélcsoport: - Nemesíthető acélok Alkalmazási terület: - Gépalkatrészek - Járműalkatrészek - Autóalkatrészek - Motoralkatrészek

Optim 500 ML [121]:

C% < 0,18

Si % < 0,5

18. táblázat: Optim 500 ML vegyi összetétele Mn % P% S% Ni % V% < 1,7 < 0,02 < 0,015 <1 < 0,12

Al % 0,02-

Ti % < 0,05

Egyéb vegyi adat: N≤0,015 Nb≤0,05 CEV≤0,43 Pcm≤0,26 (1) (2) Szabványcím, acélcsoport: - Szerkezeti acél - Nagyszilárdságú acél Alkalmazási példák: - Lemez, melegen hengerelt - Melegen hengerelt finomlemez - Tekercs - Tartály - Járműalkatrészek

36

Form 220 [121]:

C% ≤0,1

19. táblázat: Form 220 vegyi összetétele Si % Mn % P% ≤0,03 ≤0,6 ≤0,02

S% ≤0,02

Egyéb vegyi adat: Nb ≤ 0,02 C: 0,06 Si: 0,01 Mn: 0,4 P: 0,01 S: 0,01 Szabványcím, acélcsoport: - Acélcső - Precíziós cső Alkalmazási terület: - Cső - Szerszámok - Járműalkatrészek

32. ábra: Fémek eloszlása az autó karosszériájában Alumínium A periódusos rendszer III. főcsoportjába tartozó könnyűfém [93]. Az alumíniumot és ötvözeteit az iparban nagy mennyiségben alkalmazzák a kis sűrűségük és a kedvező mechanikai sajátosságaik miatt. Az alumínium puha, vágható, ezüstfehér, porrá törve szürke könnyűfém. A levegő oxigénjével gyorsan reagál, és a felületén védő alumínium-oxid miatt passzív: a tömény savak nem támadják meg. Ha eltávolítjuk az oxidréteget, reagál vízzel. Az alumínium termékeken a védő oxidréteget mesterségesen vastagítják.

37

Fizikai tulajdonságai: - sűrűsége: 2700 kg/m3 - olvadáspontja: 660 °C - forráspontja: 2519 °C Kristályrácsa lapközepes köbös. Nem mágnesezhető. Szakítószilárdsága kicsi, rosszul önthető. Fő ötvöző elemei: Cu, Mg, Si. Járulékos ötvözői: Ni, Mn. Fő ötvözetei: - Dural ötvözetek (Al-Cu) - Hidronálium ötvözetek (Al-Mg) - Szilumin ötvözetek (Al-Si) Felhasználása: - Ötvözők formájában repülők, autók gyártására (Pl.: felni, motorblokk, váltóház) - csomagoló anyagként (alufólia, üdítős dobozok) - por alakban (fémek előállítása) - elektromos huzalok gyártása - szerkezeti elemek gyártása (állványok, stb. ) - vegyiparban a korrózióállóság kihasználása - útjelző táblák. Az autóiparban leggyakrabban alkalmazott alumínium ötvözetek Al99.5 [121]:

Si % 0,025

V% 0,5

20. táblázat: Al99.5 vegyi összetétele Cu % Al % Fe % 0,5 99,5 0,4

Mg % 0,05

CuAl8 [121]:

Si % 0,1

Mn % 0,5

21. táblázat: CuAl8 vegyi összetétele P% Al % Pb % Fe % 0,01 6,5-8,5 0,03 0,5

Sn % 0,1

Zn % 0,5

SACM645 [121]: Vegyi összetétel: 22. táblázat: SACM645 vegyi összetétele C Mn P S Cr Mo Ni V Al Cu W Ti Co Pb Si % % % % % % % % % % % % % % % 0,4- 0,151,3- 0,150,7<0,6 <0,03 <0,03 <0,25 <0,1 <0,3 <0,1 <0,05 <0,1 <0,15 0,5 0,5 1,7 0,3 1,2 Alumínium – króm – molibdén ötvözésű acél; Nitridálható acél Nem szokás hegeszteni. 38

Nagyszilárdságú Al ötvözetek: Az egyik nagyon jó minőségű nagyszilárdságú alumínium ötvözet az ALUMEC, mely melegen hengerelt és hőkezelt tábla vagy rúd formában kerül forgalmazásra. Speciális hidegalakító művelet biztosítja az optimális szilárdságeloszlást. A nagy szilárdságnak és stabilitásnak köszönhetően széles körben alkalmazható a szerszámgyártás területén. Jellemzői: -

Jó forgácsolhatóság: A nagy vágósebességekkel csökkentik a megmunkálási időket és a megmunkálási költségeket. Gyorsabb átfutási idő biztosítható. Kisebb súly: Körülbelül 1/3-ad része az acélnak lehetővé teszi az egyszerűbb kezelést. A kisebb tömegerők megkönnyítik a szerszámok nyitását és zárását. Jó hővezető képesség: A ciklusidők csökkenthetők és kevésbé bonyolult hűtőrendszerek alkalmazhatók. Jó stabilitás: Speciális feszültségmentesítő kezelés garantálja a minimális deformációt, elhúzódást a forgácsoló megmunkálás után. Jó korrózióállóság: Az általánosan használt műanyagokkal szemben jó korrózióállóságot biztosít. Felületkezelésre alkalmas: Az ALUMEC kemény felületi bevonattal ellátható, ami jobb kopásállóságot és korrózióállóságot biztosít.

Alkalmazási területek: Azok a tulajdonságok, melyekkel az ALUMEC rendelkezik ideálisak prototípus és kis-, közép- sorozatú szerszámok készítésére, amennyiben túl nagy nyomások nem lépnek fel valamint, ha nem abrazív hatású műanyagot kell megmunkálni. A jelentősen csökkenő megmunkálási idők, a kisebb szerszámköltségek és a rövidebb ciklusidők jelentős előnyöket biztosítanak mind a szerszámgyártó, mind a felhasználó részére, ha ALUMEC-et alkalmaz szerszámagyagként [94].

33. ábra: Szakítószilárdsági jellemzők A [95] tanulmány egy olyan alumínium ötvözetről szól, amely kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik emelt hőmérsékleten (300 °C felett). Mivel a nagy szilárdságú alumínium ötvözeteknek rendkívül jó mechanikai tulajdonságaik mellett kis sűrűségük van, ezért ezek az anyagok kifejezetten nagy szerepet kapnak az űrhajók gyártásában. A korábbi alumínium ötvözetekből készült termékek csak 150°C-ig voltak képesek üzemelni, így igen szűk területen lehetett őket csak alkalmazni. Abból a célból, hogy az alumínium mechanikai tulajdonságait javítsák – ezáltal magas hőmérsékleten is alkalmazhatóvá téve – kifejlesztettek egy technológiát, mely során adalékokat (nyugvó részecskéket) adtak az alumíniumhoz, mint 39

pl.: az alumínium-oxid. Az adalékoknak a részecskéi erősítik az alumínium mátrixokat, így az emelt hőmérsékletet is elbírják. Az alumínium tulajdonságainak fejlesztése gyors szilárdítási folyamattal is lehetséges, így fejlesztve az alumínium mátrix stabilis szerkezetét.

Sc % 3-16

23. táblázat: Alumínium ötvözetek ötvözői Mg % Zr % 3-6 2-5

Ti % 0,1-4

Alkalmazás: - Autók karosszériája, - Repülőgépek, űrhajók alkotóelemei, - Kerékpár vázak, - Tengerjáró hajók, és tengeralattjáróknál is alkalmaznak nagy szilárdságú alumínium ötvözetet.

34. ábra: Autó karosszériája nagy szilárdságú alumínium ötvözetből Magnézium-ötvözetek [97]: A magnézium-ötvözetekből nyomásos öntéstechnológiával készítenek a gépkocsigyártás részére különféle szerkezeti elemeket. A magnézium nagyon kedvező szerkezeti anyag, ha a fejlesztés célja a tömegcsökkentés, mert valamennyi szerkezeti anyag között a legkisebb a sűrűsége.

Ötvözet AZ91 AM60 AM50

24. táblázat: Magnéziumötvözetek vegyi összetétele (%) Cu Al Zn Mn Si Ni Fe max. 8,5-9,5 0,45-0,9 0,17-0,4 0,05 0,025 0,001 0,004 5,6-6,4 0,20,26-0,5 0,05 0,008 0,001 0,004 4,5-5,3 0,2 0,28-0,5 0,05 0,008 0,001 0,004

40

Egyéb Max. 0,01 0,01 0,01

25. táblázat: Magnéziumötvözetek mechanikai tulajdonságai szobahőmérsékleten Tulajdonság Egység AZ91 AM60 AM50 Szakítószilárdság MPa 240 (250) 225 (240) 210 (230) Folyáshatás MPa 160 (160) 130 (130) 125 (125) Nyomási határ MPa 160 130 125 Nyúlás % 3 (7) 8 (13) 10 (15) Rugalmassági GPa 45 45 45 tényező Nyírótényező GPa 17 17 17 Brinell70 65 60 keménység Charpy ütőmunka J 6 (9) 17 (18) 18 (18) bemetszés nélkül A 25. táblázat zárójelben szereplő adatai külön öntött próbatesteken mért adatokat jelölnek. A magnézium és ötvözetei a legkönnyebben megmunkálható szerkezeti anyagok, a gépkocsigyártás részére sok elemet készítenek ezekből forgácsolással. Előnyei: - kis fajlagos vágóerő és ezért kis teljesítmény szükséges - a szerszámoknak nagy az élettartama, - megmunkálásnál rövid forgács keletkezik, - jó felületi minőség, - nagy vágási sebesség, nagy előtolás. Az anyagok kiválasztásánál a műszaki körülmények mellett jelentős szerepet játszanak a gyártási költségek is. Természetesen itt nemcsak az alkatrészgyártás tényleges költségeit, valamint az anyag- és bérköltséget kell figyelembe venni, hanem más tényezőket is, pl. tömegcsökkentés, összhangban az üzemanyag felhasználással. A magnéziumot különösebb nehézség nélkül lehet újrahasznosítani, és a hulladékértékesítés, mint pénzügyi forrás, a gyártóknál korlátlanul rendelkezésre áll. A magnézium további előnyei: -

a magnéziumötvözeteknek jobb az önthetősége, öntésnél nagyobb a teljesítmény, mert az alumínium ötvözeteket csak hidegkamrás eljárással lehet leönteni, és ennek megfelelően hosszabb a gyártási ciklus ideje, a magnéziumötvözetekből melegkamrás eljárással vékonyabb falvastagságú darabokat lehet gyártani, a szerszámok élettartama nagyobb, a magnézium-ötvözetek jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

Személygépkocsi dízelmotorok alkatrészeit megfelelő minőségben lehet belőlük gyártani. A különleges követelmények akkor jelentkeznek, amikor az adott alkatrészt különböző anyagokból, pl. magnézium-ötvözet és öntöttvas egybeöntésével készítik. A magnéziumötvözeteknél a gyártástechnológia kiválasztása nagyon fontos feladat, mivel a műszaki követelmények teljesítése mellett a gyártási költségeket is figyelembe kell venni. A forgattyúsház gyártásához felhasználható szerkezeti anyagok lemezgrafitos, féregszerű, grafitos öntöttvas, alumínium- és magnéziumötvözet közül a legmegfelelőbbet kell választani, 41

ez a gyártmányfejlesztésnél elsőrendű feladat. Az AVL GENIOS LE motornál a forgattyúsházat kétféle anyagból, magnéziumötvözetből és öntöttvasból készítik. A magnéziumötvözet a hűtési körfolyamatban is részt vesz, ezért a kitűnő korrózióállóság is fontos jellemző. Az olajteknőt, a szelepfedelet, csapágykeret-főtartó és vízszivattyú házat is különleges magnéziumötvözetből készítik. Egyedül a forgattyúsháznál kb. 5 kg a tömegcsökkenés, amely az optimalizált alumínium kivitellel szemben 25%-os csökkenést jelent. A GENIOS LE motornál az összes tömegcsökkenés mértéke kb. 8 kg. A tömegcsökkenés a V-motornál talán még fontosabb. A GENIOS LE motor koncepcióját mindenekelőtt a nagy tömegű V6 és V8 motoroknál célszerű használni. Ez különösen a felsőés a luxus osztályú gépkocsiknál fontos, ahol a motor nagy tömege az autó első tengelyét terheli, így a tömeg csökkenés észrevehető előnyt hozhat a jármű dinamikai tulajdonságainál. A Mercedes V8 motorokra vonatkozó számítás szerint a tömegcsökkenés 13 kg, a V12 motornál pedig 20 kg, a jelenleg felhasznált alumínium ötvözettel szemben. A költségeket a gyártott alkatrész térfogatára vonatkoztatva tervezik. A magnézium költsége a kis sűrűsége miatt kedvezőbb, a többi anyaggal szemben. A költségviszonyok azonban függenek a gyártástechnológiától is. Az utóbbi években a magnézium-ötvözetek felhasználásánál tapasztalt jelentős fejlődés és a kedvező gyártási feltételek lehetőséget biztosítanak ahhoz, hogy a jövőben az alsó ártartományba eső, nagy sorozatban gyártott, három- és a négyhengerű motorok alkatrészeit kedvezőbb költséggel, nagyobb részben magnézium-ötvözetekből gyárthassák [96].

35. ábra: A BMW MINI több eleme magnéziumból készül A Salzgitter AG, a Volkswagen AG szakembereivel együttműködve kifejlesztette és a Salzgitter Magnesium Technologie GmbH 2002 III. negyedévétől szállítja a magnézium finomlemezt a karosszéria elemek gyártásához. A 35. ábrán a BMW Mini típusú gépkocsiját mutatjuk be, amelynek több elemét magnézium-ötvözetekből készítik. Az utóbbi időkben a gépkocsigyártásban felhasznált magnézium-ötvözetek mennyisége jelentősen növekedett. Különféle ötvözőelemek adagolásával, ötvözésével a tulajdonságaikat változtatni tudjuk: alumíniummal a szilárdság, mangánnal a hegeszthetőség és ónnal a képlékeny alakíthatóság növekszik.

42

Az 1930-as években tervezett és gyártott Volkswagen Bogár gépkocsi gyártásához már gépkocsinként 20 kg magnéziumot használtak fel. A Bogár gyártásának befejezésével a magnézium, mint szerkezeti anyag, feledésbe merült, az utóbbi években látszik csak az újjászületése. 2005-ben a felhasznált mennyiség már 40 kg volt. A kutatók azon dolgoznak, hogy a magnézium-ötvözetek hőállóságát növeljék. További kutatási feladat az újrahasznosítási technológia fejlesztése.

36. ábra: 1991 és 2007 között magnézium-ötvözetekből nyomásos technológiával készített öntvényfelhasználás

37. ábra: Magnézium-ötvözetek alkalmazása az autóiparban [98]

43

26. táblázat: Az autó alkatrészeinek anyaga és az alkalmazott maradó feszültséget létrehozó eljárás Maradó feszültséget okozó Alkatrész Anyaga eljárás B24CR, H180P, H220P, Karosszéria Sörétezés H260P 30CrNiMo8, C22, C25, C30, C35, C40, C50, C55, Motorblokk/ Hengerpersely Görgőzés Ck22, Ck30, Ck35, Ck45, Ck50, Ck55, Ck60 Nincs feszültséget létrehozó régen öntött vas, ma már Dugattyú technológia. Feszültség alumínium ötvözetek oldást hajtanak végre. alumínium, könnyűfém Felni Görgőzés ötvözetek 25CrMo4, 34CrMo4, Tengely Autofrettázs 50CrMo4, 50CrV4 COR-TEN B, Optim 500 Üzemanyagtartály Autofrettázs ML Rugó

Ck55

Sörétszórás

Váltórendszer

Vasöntvény, könnyű alumínium ötvözet

Sörétszórás/Görgőzés

Befecskendező rendszer

acél

Autofrettázs

Szelep

21-2N Valve Steel

Autofrettázs

Lengőkar

acél, alumínium, gumi

Sörétezés

Fogaskerék

50CrV4

Sörétszórás

44

2.4. Maradó feszültség számítási és modellezési módszerek összegyűjtése, értékelése, javaslattétel az alkalmazásra és továbbfejlesztésre [27][33][36][37][38][52] A maradó feszültség modellezésére az azt létrehozó technológiától függően több módszer is rendelkezésre áll. Legtöbb esetben a gyártási technológia részletes modellezésére van szükség, hogy pontos képet kapjunk a kialakuló maradó feszültség eloszlásáról. A maradó feszültség kialakulhat mechanikai vagy termikus behatásra egyaránt.

2.4.1. Mechanikus behatás következtében kialakuló maradó feszültségek értékelése A mechanikai módszerek közül a 

sörétszórás,



görgőzés és



autofrettázs



forgácsolás

technológiákkal kapcsolatos kutatásokat ismertetjük. 2.4.1.1. Sörétszórás Ez a technológia rendkívül elterjedt az alkatrészek felületeinek kezelése során, az igénybevételekkel való ellenállás növelésében. Egy tanulmány [139] részletes képet ad az elmúlt időszakban kidolgozott modellekről és eljárásokról, melyeket két nagy csoportba sorolhatunk: 1. Az első az ún. Részecske Dinamikai Szimuláció, ahol a becsapódó sörétek dinamikai viselkedésével foglalkoznak. Ezen modellek segítségével határozható meg, hogy a sörétszórás esetén az egymásnak ütköző sörétek, valamint a visszacsapódó darabok mekkora sebesség, illetve energia csökkenést okoznak, ezzel gyengítve a sörétszórás hatékonyságát. Általánosságban elmondható, hogy kis méretű sörétek esetén a 62.5°os becsapódási szög hatékonyabb műveletet eredményez, mint a 90°-os szögben érkező sörétek. 2. A második csoport, és a legnagyobb is, a sörétszórás során kialakuló deformáció és maradó feszültség kialakulásával és számszerű meghatározásával foglalkozik egy vagy több sörét becsapódása esetén. Ez a csoport további két alcsoportra bontható: a. Hertz-elméleten alapuló analitikus modellek, b. Numerikus modellek, főként végeselem modellek. A Hertz-elméleten alapuló analitikus modellek Ezek a modellek lineárisan rugalmas vagy rugalmas-ideálisan képlékeny alakváltozási jellemzőket vesznek figyelembe. Eleinte csak egy becsapódásra dolgoztak ki modelleket, 45

majd később a ciklikus igénybevétel esetére is készültek megoldások. Ezek később már szoftverbe implementálva is rendelkezésre álltak, ahol a súrlódási tényező és a becsapódási szög értékét, valamint a sörétek keménységét is lehetett változtatni és hatásukat elemezni. Ezek a szoftverek Shotpeen és Peenstress néven kerültek forgalomba. Végeselem modellek A végeselem modellek között vannak egyszerűbb, 2D-s és komplexek 3D-s modellek. A 2D-s modellek alkalmazása azonban megkérdőjelezhető, hiszen a becsapódások sokasága és eloszlása együttesen eredményezi a kialakult deformációs és maradó feszültség állapotot. Ennek összetettsége miatt a 3D-s modellezés segítségével lehet előrejutni. A 3D modellek között vannak mikro modellek, melyek az egyszeres vagy a többszörös sörét becsapódás vizsgálják, és vannak makro modellek, melyek a maradó feszültség kialakulásának módját és a darab deformációjának változását is nyomon tudják követni. A számítási idő csökkentése végett a szimmetria viszonyokat maximálisan kihasználják a fejlesztők. Vannak modellek, amelyek a deformáció hatására képződő hőt is figyelembe veszik, illetve emiatt hőmérsékletfüggő anyagparaméterekkel számolnak, azonban egyelőre úgy tűnik, hogy az ebből származó hatás elhanyagolható. A modellek között vannak dinamikai és kvázi-statikus modellek. Mindkettőnek meg vannak a maga előnyei is hátrányai, azonban a sörétszórás dinamikai hatásait, mint az inercia hatás, illetve a dinamikai feszültség és alakváltozás kiterjedése csak dinamikai modellekkel lehetséges. A dinamikai modellek rövidebb számítási idő alatt szolgáltatnak eredményt az eltérő megoldási technikák miatt, azonban a kisméretű modell miatt feszültség hullám visszaverődés történhet. Ennek elkerülése, valamint a valósághű eredmények elérése végett csillapítási technikák alkalmazása szükséges. Erre alternatíva például, hogy az LS-DYNA szoftverben lehetőség van nem-visszaverő felületek használatára, vagy az Abaqus-ban végtelen elemek definiálására. Nagy modellek esetén, amikor nagyszámú sörétbecsapódást szeretnék vizsgálni, akkor nemlineáris dinamikai feladatként kell kezelni az adott problémát, azonban egyszeres, vagy csak néhány, kisebb számú becsapódás esetén a kvázi-statikus modellekkel is jó eredmény érhető el. A sörétszórt darab modellezése kapcsán az a következtetés vonható le, hogy a növekvő alakítási keményedési modulussal a maximális nyomó maradó feszültség értéke csökken. A kinematikusan keményedő anyagmodell alkalmazása jelentősen kisebb nyomó maradó feszültséghez vezet, mint az izotrópikusan keményedő anyagegyenlettel történt számítás, a terhelés megszűnés alatt bekövetkező relaxációs hatás miatt. Ennek figyelembevétele csak a kinematikusan keményedő anyagegyenlet segítségével lehetséges. Amennyiben a terhelést, mint ciklikus terhelés vesszük figyelembe, akkor nagyon jó egyezést kaphatunk a mért eredményekkel. A feldolgozott irodalmak alapján a nagysebességű deformáció leírására a Johnson-Cook anyagmodell szolgál [117], [139],[140],[141]. Többen alkalmaznak a modellezés során kinematikusan keményedő és az alakváltozási sebességet is figyelembe vevő anyagegyenletet [140],[141]. A maradó feszültséget és deformációt befolyásoló technológiai paraméterek, melyeket a modellezés során is figyelembe kell venni a következőek: 

szemcsék mérete



szemcsék alakja



szemcsék keménysége 46



becsapódás sebessége



becsapódás eloszlása és sűrűsége



becsapódás szöge

Ezeket mind bemenő adatokat veszik figyelembe a modellezés során. A sörétszórás technológia ellenőrzésére és mérésére az Almen vizsgálattal van lehetőség [117], mely a United State Military Standard MILS-13165B szabvány alapján végezhető el. Általánosságban elmondható, hogy a legtöbb esetben a söréteket merev testként veszik figyelembe a modellezés során, amely a nyomó maradó feszültség bizonyos mértékű felülbecslését eredményezi, viszont ha rugalmas-képlékeny anyagjellemzőkkel vesszük figyelembe, akkor a valósághoz nagyon közel álló eredményeket kaphatunk. A sörétek és a darab közötti érintkezés során általában a száraz Coulomb-féle súrlódást tételeznek fel a kutatók. Meguid több modellt is kifejlesztett a sörétszórás vizsgálatára: ANSYS szoftver segítségével a sörétek egyesével, majd kettesével való becsapódását vizsgálta [142],[143]. Később LS-DYNA szoftver segítségével dolgozott ki egy modellt [144], ahol a teljes technológiai eljárás modellezésére nagyszámú sörét becsapódását vette figyelembe. Ennek keretén belül a teljes felületet négy rétegben elhelyezett sörétekkel szórta be, azonban egy felület pontra csak egy becsapódást vett figyelembe. A 38. ábra mutatja a teljes modellt. Megjegyezte azonban, hogy a pontos technológiai modellezéshez az egy pontra való többszörös becsapódás figyelembevételére van szükség. A vizsgált darab Ti-6Al-4V anyagból készült, a sörétek anyaga edzett acélgolyó volt. A sörétek sugara 0,18 mm.

38. ábra: Teljes végeselem modell Guagliano egy olyan végeselemes modellt fejlesztett ki [145], amelyben a sörétek többszörösen ütköztek a munkadarabhoz (egy pontra 5 becsapódást vett figyelembe, 39. ábra). Ez egy összetett modell volt, melyet az ABAQUS szoftverben dolgozott ki. Ennek a modellnek a segítségével ismerték fel, hogy az első becsapódásnak van a legnagyobb hatása a maradó feszültség eloszlásra, illetve nagyságra, de természetesen a további becsapódások 47

tovább növelik a maradó feszültség maximális értékét. Ezek alapján elegendő modellezni a becsapódás környezetét a maradó feszültség nagyságának és eloszlásának meghatározásához. Meguid és Guagliano szerint a sörét átmérőnek nincs hatása a felületen és a felület alatt kialakuló maximális maradó feszültség értékére, csak a nyomott réteg vastagságára.

39. ábra: Sörét méretének és maradó feszültség mélységének kapcsolata Hong az általa kifejlesztett modell alapján szintén a Meguid és Guagliano által, a fentebb leírt következtetésre jutott. Vizsgálatai alapján a maradó feszültség kiterjedésének mélysége egyenes arányban változik a sörétek átmérőjével nagyobb méretű sörétek esetén. Az anyag keményedését figyelembe véve a becsapódás sebességének növelésével jelentősen nő a maradó feszültség nagysága [117], [146]. További megállapítás a modellezéssel kapcsolatban, hogy a söréteket merev testként elegendő figyelembe venni [116, 9,12,13]. A sörétek szilárd testként (rugalmas-képlékeny jellemzők figyelembevétele) való modellezése nem ad jelentős eltérést a merev testes modellekhez képest, ráadásul a merev testes sörét modellezéssel kedvezőbb számítási idő érhető el [13]. Hong és társai később egy diszkrét elemet dolgoztak ki a sörétek áramlásának modellezésére, mely a sörétek egymásra hatását is figyelembe veszi [147]. Majzoobi és társai többszörös becsapódások számát és a különböző becsapódási sebességek hatását vizsgálták szintén LS-DYNA szoftverben felépített végeselem modell segítségével [148]. A szimulációhoz a Johnson-Cook anyagmodellt használták, amihez meghatározták a nagy alakváltozási sebességhez tartozó paramétereket mérések segítségével. A szimulációval kapott becsapódások nyomait különböző sebességek esetén összevetették valós kísérletek eredményeivel egyszeres becsapódás vonatkozásában és jó egyezést kaptak (40. ábra).

48

360m/s becsapódási sebesség, 1.25mm 270m/s becsapódási sebesség, 0.97mm benyomódási mélység, 5.5mm benyomódási mélység, 5.5mm sörétátmérő sörétátmérő 40. ábra: Szimulációval kapott becsapódások nyomainak összehasonlítása kísérletek eredményeivel különböző sebességek esetén, [148] A becsapódási szám hatásának vizsgálatakor 4, 6, 8, 9, 13 és 25 becsapódást modelleztek, valamint Torres és Voorwald [149] eredményeit használták az eredmények igazolására. A vizsgált darab 0.8x0.8x1.6mm méretű AISI 4340 jelű acél volt, melyre 0.4mm átmérőjű sörétekkel végezték a sörétszórást. A szimuláció során a súrlódást figyelembe vették, és 0.1 súrlódási együtthatót tételeztek fel a teljes művelet során. A modell felépítésekor mind a munkadarabot, mind a söréteket szilárd testekként definiálták (a söréteket csak rugalmas testként, a munkadarabot pedig a Cowper-Symonds leírás alapján), 8 csomópontú test végeselemek felhasználásával LS-DYNA szoftverben (41. ábra).

4 sörét becsapódásának modellezése 9 sörét becsapódásának modellezése 41. ábra: Becsapódások számának vizsgálata, [148] A becsapódások után a darab felületét több pontban is vizsgálták, hogy a kialakuló maradó feszültség eloszlás feltérképezése miatt (bizonyos pontokban csak egy becsapódás történik, míg másokban több becsapódás hatása összegződik, stb.). A számítások után 49

összehasonlításokat végeztek a becsapódási számra és a becsapódási sebességre vonatkozólag (42., 43., és 44. ábra). A következtetés, hogy a vizsgált esetekben egyenletes feszültségállapot kialakulásához 25 becsapódás szükséges egy adott pontban, valamint hogy a becsapódás sebességének növelése egy adott ideig növeli a kialakuló maradó feszültség nagyságát, azonban egy bizonyos ponton túl már ellentétes hatást vált ki, és a maradó feszültség értéke csökkeni fog.

42. ábra: A darab közepén kialakuló maradó feszültség eloszlás a vastagság mentén különböző becsapódási szám esetén, [148]

43. ábra: A szimuláció és a mérések eredményeinek összehasonlítása, [148]

50

44. ábra: A maradó feszültség becsapódási sebességtől való függése, [148] Gariépy egy véletlenszerű dinamikus becsapódás modellt dolgozott ki [150]. Modellje segítségével nagy alakváltozás és ciklikus terhelés vehető figyelembe. Az eljárást a repülőgép-ipari alkalmazásra dolgozta ki, ahol a sörétszórás technológia segítségével alakítják ki a repülőgép szárny alakját. Szimulációs eredményeit mérési adatokkal igazolta. 2.4.1.2. Görgőzés A görgőzési folyamat, mint felületkezelési technológia gazdaságossági szempontok miatt is az érdeklődés középpontjában áll. Ennél a technológiánál a munkadarab általában a hossztengelye mentén forgómozgást végez, és mindeközben a felületéhez nyomjuk a görgőző szerszámot (golyót vagy tárcsát) egy adott erővel, illetve a munkadarab hossztengelye mentén mozgatjuk is azt. Vannak ettől eltérő mozgáskombinációk is, ez a legelterjedtebb. A módszernek köszönhetően a felületminőség nagyban javítható, és nincs szükség további befejező munkálatokra. Mivel a folyamat szimulációja során mindenhol ugyanazt a deformációt alkalmazzák a felületi rétegben, úgy gondolják, hogy elegendő csupán egy kis réteget vizsgálni a modellből. Továbbá, mivel csak egy kis rétegben van hatása, így csak egy adott felületi réteget kell figyelembe venni. A görgőzés során az alakváltozási gradiens meglehetősen nagy értékű, így a modellezése megköveteli a finom háló felvételét a felület közelében. Ahogy haladunk az alkatrész belseje felé úgy a háló lehet egyre ritkább, mert arra a részre már nem lesz hatással a művelet. Amennyiben a darab méretei jóval nagyobbak, mint a kontaktzóna kiterjedése, a darabban kialakuló nyomás nem függ a teljes geometriától, és így meghatározható a maradó feszültség mértéke anélkül, hogy a teljes geometria vizsgálatára szükség lenne. A folyamat során a munkadarab egész felülete kapcsolatba kerül a görgő felületével. Így lehetőség van arra, hogy csupán egy kis darabot felhasználva is modellezni lehet a teljes folyamatot. A görgőzési folyamat szimulálásához a következő paraméterekre van szükség: -

görgőzési sebesség,

-

görgőzési előtolási sebesség,

-

normál erő,

-

görgőző szerszám átmérője. 51

A görgőzés segítségével egyenletes felületi érdesség biztosítható, ami jobb minőségű felület előállítását eredményezi a forgácsoló megmunkáláshoz képest. A forgácsolás során kialakuló húzó jellegű maradó feszültség ellenére görgőzés után a felületen és a felület közelében nyomó jellegű maradó feszültség alakul ki. Ezidáig a folyamat paramétereinek optimalizálásával nem nagyon foglalkoztak. A legegyszerűbb módon a technológia végeselem módszer segítségével modellezhető. Mára a számítógépek kapacitása lehetővé teszi a geometria és a terhelés 3D-s, valóságnak megfelelő figyelembevételét. A technológia modellezésének célja meghatározni a réteg vastagságát ahol maradó feszültség alakul ki, illetve adott szintű maradó feszültség eléréséhez hány lépésben szükséges a görgőzést elvégezni [151]. 2D-s modellek segítségével nincs lehetőség a gördülő mozgás hatásának figyelembevételére, így ezek a modellek alulbecsülik a kialakuló benyomódás mélységét és a maradó feszültséget egyaránt. Roettger [114] foglalkozott a görgőzés végeselemes szimulálásával, aki 2D-s modellt hozott létre a DEFORM-2D nevű szoftverrel. Az érdes munkafelületre egy merev görgőző szerszámot nyomtak addig, amíg a reakció erő el nem érte azt az előre meghatározott értéket, amely egyenlő a görgőzési erővel. A szimuláció során a görgő mozgása kétféle módon szabályozható: 1. A görgőre ható normál irányú reakció erő időben változásának leírásával (erő vezérlés) 2. A görgő függőleges irányú elmozdulásának időben változásának leírásával (elmozdulás vezérlés) Az erő vezérlés módszert alkalmazva megállapították, hogy a 2D-s szimuláció esetén görgő végleges behatolási mélysége lényegesen kisebb, mint ugyanakkora erő esetén, ugyanezt a módszert használva 3D-s szimulációnál. Ilyen szempontból jobb eredményekhez vezet, ha az elmozdulás vezérlés módszerét alkalmazzák a görgőzés végeselemes vizsgálata során. Ez a módszer lehetővé teszi azt, hogy kapcsolatot találjanak a görgőző erő és a behatolási mélység között [103]. Roettger [103] egy 3D-s modellt is bemutat, melyet a DEFORM-3D szoftver segítségével valósított meg. A 3D-s modellezésnél ügyelni kell a háló finomságára, hogy a görgőzés során keletkező kontaktfeszültségeket megfelelő pontossággal lehessen meghatározni. Az alábbi képen a görgőzés szimulációjának 3D-s változatát láthatjuk (45. ábra). Hasonlóan a 2D-s modellezéshez a felületi érdességet 3D-s szimuláció segítségével is számítják. A görgő behatolási mélységét még a szimuláció előtt meg kell határozni, hogy olyan erőt generáljon a munkadarabban, amely megegyezik a valóságban alkalmazott erővel. Érdekes módon ennél az eljárásnál a maradó feszültség meghatározására a 2D-s modell eredményei nagyobb egyezést mutatnak a mért eredményekkel, mint a 3D-s modell esetén. Azonban a 3D-s modellel, sokkal reálisabb felületi deformációt lehet meghatározni.

52

45. ábra: Görgőzés 3D-s modellezése [114] Balland és társai [151] 100Cr6V anyagon végeztek vizsgálatokat és a szimulációt. A mintákat először megedzették, vagy megmunkálták keményesztergálással. Az esztergálást követően a mintákon görgőzést hajtottak végre, adott feltételekkel. A paraméterek jó kombinációja a felületi érdesség csökkenéséhez és előnyös maradó feszültségek kialakulásához vezet, olyan alkatrészek esetén, ahol kifáradás történik üzemelés közben. A felületi keménység növekszik az anyag képlékeny alakváltozása következtében. A folyamat során keletkező heterogén alakváltozási mező következtében az egyetlen megoldás, hogy valóságosabb eredményeket kapjunk az, hogy végeselemes szoftver segítségével írják le a görgőzés folyamatát.

46. ábra: Görgőzés 2D-s szimulációja A görgőzés az alakváltozás nagymértékű változását idézi elő nagyon kis rétegben. Ezért nagyon fontos egy olyan stratégia megtalálása, amellyel az adott modell segítségével megfelelő eredmények határozhatók meg, elfogadható számítási időn belül. A szerszámra és az alkatrészre is egy komplex kinematikai feltételt alkalmaznak, a modellezés az Abaqus végeselemes szoftverben történt [151]. A szimulációhoz rugalmas-képlékeny anyagtulajdonságok figyelembevétele szükséges, melyhez rugalmas - izotróp keményedő anyagmodellt alkalmaznak a modellezés során. A heterogenitás már a megmunkálási folyamat során és közvetlenül utána kialakul. A megmunkálás során nagy szerkezeti változások jönnek létre kis rétegben. A görgőzési útvonal szintén egy összetett térbeli útvonal a munkadarab felületén. Feltételezés, hogy az anyag izotróp, és nem érzékeny az alakváltozási sebességre. A görgőzési folyamat alatt az anyag viselkedését figyelemmel kísérik a görgő benyomódásakor, ugyanis a görgőzés során végbemenő alakváltozás nagyobb, mint a megmunkálás közben keletkező. 53

Az alkatrész azon részeit, ahol a görgőzés hatása nem érvényesül végtelen térfogati elemekkel modellezték [151]. Az érdesség profilját periodikus háromszögű profillal modellezték. Az alkatrész bemutatott része 3D-s, lineáris, hexahedron elemekből áll. A görgőt rideg testként vették figyelembe 47. ábra.

47. ábra: Görgőzés 3D szimulációja A számítási idő optimalizálásához a görgőzés kinematikája a valóságtól eltérő (a szerszám egyenes vonalú mozgást, a darab forgó mozgást végez), azaz a darab rögzített és a görgő végez minden mozgást. A görgőzési folyamat több ciklusból, ahol egy ciklus alatt a görgő egyszeri körbehaladását értjük a munkadarabon. Minden ciklus hat szakaszból áll. A darab és a görgő közötti érintkezés már az előterhelési szakaszban megkezdődik, ezután egy előtolási szakasz indul meg. Akkora erőt fejtenek ki a görgőre, hogy a darabban kialakuljon a megfelelő nagyságú görgőzési erő. Ezután a görgőzési szakasz jön, amelyben a görgő egy pszeudo-körszerű pályán halad egy adott szögtartományban. Ennek a szakasznak a végén a görgőt elmozgatják a darabtól. A görgő a felület fölé emelkedik néhány mikrométerre, hogy ne kerüljön kölcsönhatásba a munkadarabbal miközben a szerszám visszatér eredeti helyzetébe. A modellezés során súrlódásos kontaktfeladat megoldására van szükség, melyet büntetőparaméteres technikával oldanak meg. A súrlódás tényező értéke 0,2. Az állandósult állapot kialakulásához a darab 12 körülfordulására van szükség. A görgőzés keltette feszültség keletkezése a felületi érdesség csökkenését eredményezi. A görgőzés első néhány ciklusában a görgő kisimítja a felület egyenetlenségeit. A megmunkálás során a további ciklusokban pedig a felületi érdesség addig változik, amíg el nem ér egy állandósult magasságot.

54

2.4.1.3. Autofrettázs Az autofrettázs egy jól ismert rugalmas-képlékeny technológia a vastagfalú nyomástartó edények körében, mellyel a nyomáskapacitásuk növelhető. Ennek keretében egy adott nagyságú belső nyomással terhelik az adott szerkezetet (tartályt, csövet, stb.), melynek következtében annak fala részben képlékeny alakváltozáson megy keresztül. A terhelés megszüntetése után olyan maradó feszültség alakul az edény falában, mely az üzemelés során egy magasabb nyomás kapacitással rendelkezik. Az autofrettázsolás nyomásának nagyobbnak kell lennie, mint a belső felülethez tartozó képlékeny alakváltozás (megfolyás) nyomása, és kisebbnek, mint a külső felülethez megfolyásához tartozó nyomás, [112]. Az autofrettázs technológia szimulálásához végeselemes modellezést hajtottak végre, NISA nyelven tengelyszimmetrikus elemzéssel, [112]. A szimulációban kinematikusan keményedő anyagot tételeztek fel a tartály anyagaként.

48. ábra: Maradó radiális elmozdulás, [112] A maradó radiális elmozdulást a fenti ábra mutatja, mely jó összhangban van a tapasztalati eredményekkel. A vizsgálatok során azt feltételezték, hogy a maximális Mises-féle redukált feszültség a tartály belső falában ébred. Azonban ezt vették észre, hogy az autofrettázsolás után az üzemi nyomással terhelve jelentős mértékben csökkent a maximális Mises-féle redukált feszültség értéke, valamint annak pozíciója is megváltozott, a külső felület irányába tolódott el, [112]. A [120]-ben nemcsak az autofrettázs technológia során kialakuló feszültség és deformációs állapot vizsgálatával foglalkoztak, de azt is elemezték, hogyan rendeződik át a feszültség egy autofrettázsolás utáni forgácsoló megmunkálás során. 49. ábra mutatja a vastag falú cső modelljét, míg 50. ábra mutatja a gyűrűirányú maradó feszültség eloszlását autofrettázs után. A végeselem modellek és az analitikus számítás eredményei jó egyezést mutatnak egymással. Autofrettázs után két jellegzetesség vehető észre; az anyag megfolyik a belső felület közvetlen közelében, és egy rugalmas – képlékeny határátmenet alakul ki a belső faltól mért kb.8 mm mélységben. A belső fal képlékeny megfolyása nélkül a maximális gyűrűirányú feszültség 250 MPa-lal magasabb érték. A végeselemes analízis eredményei jó egyezést mutatnak a vizsgálati eredményekkel. Az autofrettázs modellezése a tervezés korai szakaszában alkalmazható. A cél a maradó feszültségek eloszlásának meghatározása az autofrettázs és az azt követő forgácsoló megmunkálás után, ugyanis ez befolyással van a cső kifáradási élettartamára. A végső maradó 55

feszültség eloszlás két dologtól függ: az első, a maradó feszültség újraeloszlása a forgácsolás következtében, a második az újonnan, a forgácsoló megmunkálás miatt keletkezett feszültségek, melyek a munkadarab és a szerszám egymásra hatása által keletkeznek [120].

49. ábra: Modellben használt vastagfalú cső

50. ábra: Gyűrűirányú maradó feszültségek eloszlása autofrettázs után 2.4.1.4. Forgácsolás Hameed vizsgálta az anyageltávolítás csövekre kifejtett hatását ANSYS szoftver segítségével. Az anyag eltávolítása a nyomó maradó feszültségekre jelentős hatást gyakorolt. A maximum gyűrűirányú és a von Mises-féle feszültségek csak az alakváltozás kiterjedésére

56

vannak hatással. Az előnyös gyűrűirányú feszültségek csökkenése attól függ, mennyi anyagot választanak le.

51. ábra: Forgácsolás szimulációja A szerszám és a munkadarab közötti kapcsolat modellezése: Scholtes részletes maradó feszültség eloszlással kapcsolatos tanulmányokat végzett számos különböző megmunkálási folyamatra, pl.: köszörülés: az anyag és a folyamat paraméterek függvényében. Kikövetkeztették, hogy a megmunkálások nagy húzó gyűrűirányú feszültségeket hoznak létre a felületi régióban 0 - 0,5 mm között. A mérések és szimuláció eredményei ugyanazt a tendenciát mutatják. Csiszolás következtében a feszültségek újraoszlása következik be [120].

2.4.2. Termikus behatás következtében kialakuló maradó feszültségek értékelése A termikus módszerek közül a 

hőkezelés,



plattírozás,



hegesztés és



öntés

technológiákkal kapcsolatos kutatásokat ismertetjük. A maradó feszültség számítási módszerek áttekintése során felhasználjuk az atomerőművi rendszerek elemzése során szerzett tapasztalatokat. Ezek a szerkezetek a plattírozás hatására maradó feszültséggel terheltek, és az állapotuk értékeléséhez elengedhetetlen a feszültségállapotuk ismerete. A témához kapcsolódóan számos kutatás történt, melyet most áttekintünk. A számítási módszerek nem kifejezetten szerkezet specifikusak, azért alkalmazásuk más területen is lehetséges, mint például a járműipar.

57

2.4.2.1. Hőkezelés A járművek (személygépkocsik, de autóbuszok és egyéb teherszállító járművek) esetén a tömegcsökkentés fontos tényező a károsanyag kibocsátás csökkentés elérésben, melyhez a jármű kerekei is nagy szerepet játszanak. Ennek eléréséhez Al öntvényeket alkalmaznak a keréktárcsák anyagaként. A keréktárcsa gyártása öntéssel történik, melyet később nagyoló megmunkálás követ, azután egy hőkezelés a mechanikai tulajdonságok javítására, és végül egy befejező megmunkálás a megfelelő felületminőség és méretpontosság betartása végett. A felsorolt műveletek során különböző nagyságú és kiterjedésű maradó feszültségek megjelenésével kell számolni, melyek nem hagyhatóak figyelmen kívűl sem a gyártás, sem a későbbi üzemelés folyamán. Az öntésből és a nagyoló megmunkálásból származó maradó feszültségek a hőkezelés során (magas hőmérséklet és hosszú időtartam) leépülnek, viszont az azt követő edzésnek köszönhetően újra megjelennek. Ez a maradó feszültség nyomó jellegű a felületeknél és húzó feszültséget jelent a belső részeken. Ez két szempontból is káros: egyrészt rövidíti az élettartamot, másrészt deformációt okoz a végtermékben [152]. Az edzést egy mesterséges öregítés követ, mely a Mg-Si kiválások keletkezését és növekedését segítve növeli a termék szilárdságát, másrészt csökkenti a maradó feszültség nagyságát. A végső simító és befejező megmunkálás mivel egy vékony külső réteget távolít el, ezért húzó feszültségek megjelenését segíti elő a felületen, valamint deformációkat okozhat, tehát szintén nem hanyagolható el a tervezés folyamán. A modellezés [152] során egy termikus-mechanikai kapcsolt modellt készítettek az edzés és a nagyoló megmunkálás elemzésére (52. ábra), melyben azonban az edzést követő hőkezelést elhanyagolták. A végeselem modellt ABAQUS szoftverben lineáris tetrahedron elemekkel építették fel. A hőtani számításokhoz külön mérésekre volt szükség a hővezetési tényező meghatározásához. A mechanikai feszültségek számításához izotróp, sebességfüggő rugalmas-képlékeny Mises-féle folyási feltételt használtak. A kapott számítási eredményeket mérésekkel vetették össze és jó egyezést kaptak, azonban a pontosabb eredményekhez a teljes folyamat szimulációjára van szükség.

Keréktárcsa modellje

végeselem Maradó feszültség eloszlás az Maradó feszültség eloszlás edzést követően a nagyoló megmunkálást követően 52. ábra: Keréktárcsa gyártási technológiájának végeselem szimulációja, [152]

58

2.4.2.2. Plattírozás A plattírozás egy olyan technológia, amikor egy fémből készült alkatrészt egy másik fémmel valamilyen vastagságban bevonnak, például felrakó hegesztés segítségével. Ezáltal az adott alkatrész új tulajdonságokat kap a plattírozás által, melynek segítségével például korrózióálló lesz, de adott esetben más tulajdonság is elképzelhető. A plattírozás okozta maradó feszültség és alakváltozási mező meghatározásához kapcsolódóan Kostylev és Margolin [16] végeztek kutatásokat. A plattírozáshoz elméleti és kísérleti eljárásokat, valamint hegesztés utáni hőkezelési módszereket mutattak be. Egy mérnöki eljárást dolgoztak ki a maradó feszültség és alakváltozási mezők meghatározására a hőmérséklet és hegesztés utáni hőkezelés időtartamának figyelembevételével. Ezt a problémát végeselemes módszerrel vizsgálták két lépésben, mint hő hatására bekövetkező deformációs eset. Első lépésben ezt a feszültség és alakváltozási mezőt hőmérsékleti és nem állandó hőmérsékletű rugalmas-plasztikus problémaként oldották meg. Második lépésként a feszültség és alakváltozási mező újraeloszlását a hegesztés utáni hőkezelés következtében rugalmas-viszkoplasztikus problémaként oldották meg. A plattírozás modellezésének teljes folyamatát apró időlépésekre osztották és ekkor meghatározásra került a hőmérsékletmező, majd ezután a hőmérsékleti alakváltozási mező. Az eredményekből kiderül, hogy a 670°C-os temperálási hőmérsékleten nyomófeszültségek alakultak ki a plattírozott rétegben az alapanyag és a plattírozott réteg hőtágulási együtthatói között lévő különbség miatt. Ezen a hőmérsékleten a húzófeszültség elérte az alapanyag folyáshatárát. Szobahőmérsékletre való hűtés során, a temperálás után a plattírozott rétegben húzási deformáció adódott a hőtágulási együtthatók különbsége miatt. A plattírozott rétegben a húzófeszültség elérte a folyáshatárt, viszont az alapanyagban ébredő maradó feszültség jelentéktelen maradt. Egy másik tanulmányban [17] a reaktortartály (RPV) plattírozásával, valamint a reaktortartály fedő furatában lévő toldat J-varratával foglalkoztak. A vizsgált tartály belső fala alacsony ötvözésű acél, ami a korrózió elkerülése érdekében ausztenites korrózióálló acéllal van plattírozva. A plattírozott réteg J-varratában és az alapanyagban vizsgálták a maradó feszültséget hegesztett, valamint PWHT utáni állapotban. Termikus rugalmas-képlékeny kúszás vizsgálatot is végeztek, ami szemlélteti a bekövetkező fázisátalakulásokat és a varratban maradó feszültséget. A plattírozott tartály falát szemléltető végeselemes modell az alábbi ábrán látható.

53. ábra: Plattírozott tartály falát szemléltető végeselemes modell

59

A felrakó hegesztéssel történő plattírozás szimulációját termikus analízissel végezték, ESW eljárás segítségével. A hegesztési hőforrás mozgásának irányát az elemekre történő folyamatos hőátadásként szimulálták, követve ezzel a hegesztés irányát. PWHT analízist végeztek a kúszási vizsgálat segítségével az egyes lépések után 615°C alatt. Az alábbi Norton kúszási törvényeket használták a szimuláció alatt, mint a kúszás jelenségét leíró egyenleteket.

A maradó feszültség analízis fázisátalakulásokat mutat az alapanyagban, ezért a termikus analízis pontossága erősen függ az átalakulás hőmérsékletétől, a fázisok arányától és a hűtési sebesség arányától a hegesztés során. A következő ábra a hőmérsékletváltozást mutatja a plattírozott rétegtől, valamint a plattírozott réteg beolvadását az alapfémbe.

54. ábra: Hőmérsékletváltozás a plattírozott rétegtől A hosszirányú feszültség eloszlását a plattírozott rétegtől való távolság függvényében mutatja a következő diagram:

55. ábra: Hosszirányú feszültség eloszlás a plattírozott rétegtől

56. ábra: Plattírozott rétegben kialakuló húzófeszültség

60

Az PWHT analízis során kiderült, hogy a plattírozott réteg közelében a feszültség jelentősen csökkent, viszont a plattírozott rétegben húzófeszültség alakult ki, a hőtágulási együtthatók különbsége miatt. Ezt az eredményt mutatja az alábbi ábra. A fázisátalakulást figyelembe véve a plattírozás és a PWHT folyamata alatt a végeselemes modell eredményei jó egyezést mutatnak a kísérleti eredményekkel. Fázisátalakulás nélkül vizsgálva nem alakult ki nyomófeszültség az alapfémben a plattírozott réteg közelében. Azért, hogy nagy pontossággal meg tudjuk állapítani a varratban lévő maradó feszültséget a plattírozott réteg közelében, akkor az anyagok fázisátalakulását nem csak a hegesztés alatt, hanem a PWHT alatt is vizsgálni kellene. A plattírozott rétegen belül a felrakóhegesztés okozta húzófeszültség a J-varrat felrakása és a PWHT után is megmarad. A maradó feszültség meghatározására többek között az alábbi két féle módszert lehet alkalmazni. Ez a két elmélet egy egyszerűsített analízist mutat be. Eltérő tulajdonságú anyagok határátmeneti hőfeszültségének egyszerűsített analízise [18] Ez egy egyszerűsített megközelítési mód, csak a hegesztés utáni hőkezelési hőmérsékletről a szobahőmérsékletre való hűtési folyamatot vizsgálja. Ez egy olyan szimulációs technika, ami lehetőséget ad arra, hogy feltérképezzük a maradó feszültség mezőt a különböző tulajdonságokkal rendelkező anyagokban, amelyeknél különösen a hőtágulási együtthatóban van eltérés a két fém között, amelyeket a hegesztés során egyesítve maradó feszültség keletkezik a határátmenetben. Mindkét fémet feszültségmentesnek tekinthetjük egy adott hőfokon (ez a Tfree feszültségmentes hőmérséklet az adott két fém esetén). A hűtési folyamat során különféle arányokban húzódnak össze, ezért feszültségek alakulnak ki, amely egy közös pontban képlékennyé teszi az anyagot és ez a feszültség meg is marad a hűtési folyamat végére, mint maradó feszültség. Tehát egy hőtani számítás segítségével, amikor a két fémből álló alkatrészt a Tfree hőmérsékletről lehűtjük szobahőmérsékletre, meghatározható a hőtágulási együtthatók különbsége miatt kialakuló maradó feszültség. Hegesztési folyamat szimuláció Itt előírás a gyártási folyamat minden egyes lépésében a részletes szimuláció elvégzése. A célkitűzések a következők. Összehasonlítani a részletes megközelítést az egyszerűsített modellel szemben, a számítási idő, valamint a maradó feszültség meghatározásának pontossága szempontjából. Az eljárás során több lépésben kell vizsgálni a folyamatot: a felrakó hegesztést, a hegesztés utáni hőkezelési- és a végső megmunkálási folyamatot. Egy megfelelő vizsgálati mód lehet egy végeselemes számítási módszer, melyben egy 2 dimenziós tengelyszimmetrikus modellt alkalmazunk nagy elmozdulású elméletre alapozva, csökkentve ezzel a számítási időt. A hegesztési folyamatot úgy kezeljük, mint egy termikus és egy mechanikus problémát, ahol hozzáadunk és elveszünk anyagot a hegesztési folyamat következtében. Elsőként az elektróda hőátadásából adódó időfüggő hőmérséklet eloszlást és a hűtési időt határozzuk meg az egyes rétegek felrakása előtt. Ez után következik a statikus feszültség-elmozdulás analízis, melyben rugalmas-képlékeny anyagmodellt használunk és így előrejelezhetők a maradó feszültségek és alakváltozások a teljes hegesztési-hűtési folyamat végére. 61

A gyakorlat azt mutatja, hogy a végeselemes modellek jól szimulálják a maradó feszültségeket és azok eloszlását. Bizonytalanság az anyagok tényleges tulajdonságában és a mérések pontatlanságában van. A különbséget továbbá okozhatja az eltérés a végeselemes modell csomópontja és a mérési pont között, valamint a 2D-s modell alkalmazása a 3D-s hegesztési folyamat helyett. Ha ferrites és ausztenites acélokat hegesztenek össze, kettősfémes varrat jön létre, amelyet ha megvizsgálnak, az eredmények erős maradó feszültség mezőket mutatnak. A többrétegű hegesztési folyamat numerikus modellezését, a maradó feszültség meghatározását végeselemes szoftverrel és laboratóriumi méréssel végezték el a Fraunhofer Intézet kutatói, [6]. Abaqus végeselemes szoftvert alkalmaztak a modellezéshez, mely két lépésből állt a fent leírtaknak megfelelően: 

A hegesztési folyamat minden lépcsőjében a hőmérséklet eloszlás meghatározása



Termikus feszültségek meghatározása

A maradó feszültséget különböző tompahegesztési geometriák és hegesztési sebességek esetén vizsgálták. Ez alapján a vizsgált geometriák nincsenek jelentős hatással a maradó feszültség nagyságára, azonban a növekvő hegesztési sebesség növekvő maradó feszültséget és területében nagyobb kiterjedést mutat ugyanolyan hőforrás esetén. A rosszul illesztés (alulés túlillesztés) hatásának vizsgálatára 2D-s végeselemes modell alkalmaztak. A méréssel való összehasonlítás során egy kis eltérést tapasztaltak, amit a végeselemes háló nem megfelelő sűrűségének megválasztásával indokoltak. További tapasztalatok: 2D-s végeselemes modell egyszerű geometriák esetén alkalmazható és csak bizonyos irányú feszültség komponensek esetén ad megbízható eredményt. Bonyolultabb szerkezetek 3D-s modellt igényelnek, melyekkel minden irányban megfelelő pontossággal meghatározható a feszültség, azonban megfelelő hálósűrűséget kell definiálni. Statikus hőforrás esetén a 3D-s eredmény a 2D-s modell síkalakváltozás esetéhez áll a legközelebb.

57. ábra: Hegesztési maradó feszültségek meghatározása szimuláció segítségével [67]

62

A Sysweld végeselemes szoftverrel szintén elvégezték a hegesztési folyamat analízisét, mellyel a metallográfiai jellemzők és a hidrogéndiffúzió is figyelembe vehető [20]. Teng és Chang [53] a SAE 1020 acél két részének kör menti tompavarratát vizsgálta. A 3D-s végeselemes modell szimmetrikus. Négy végeselemes modellt értékeltek ki. Theng és Chang arra következtetett, hogy a vastagabb falú csöveknek magasabbak a húzó maradó feszültségei, mint a vékonyabb falú csöveknek. Ezt azzal magyarázták, hogy egy nagyobb hegesztési sebesség alkalmazása nem csak csökkenti a hegesztés szomszédos anyagra kifejtett hatását, de jelentősen csökkenti a maradó feszültségeket is. Végeselemes analízissel is vizsgálták a maradó feszültségeket, és rájöttek, hogy a hegesztési középvonal alatt egy magasabb húzó axiális feszültség jelenik meg a belső felületeken, a külső felületeken pedig nyomó maradó feszültségek. Távolabb a hegesztési varrattól pont fordítva jelennek meg a feszültségek. A belső felületeken nyomó maradó feszültségek, a külső felületeken húzó maradó feszültségek. A hegesztett varrat közvetlen környezetében, magas gyűrűirányú húzó maradó feszültségek jelennek meg a belső felületeken és nyomó gyűrűirányú feszültségek a külső felületeken. Sahin és munkatársai [53] végrehajtottak egy végeselemes szimulációt, hogy meghatározzák a kettősfémes kötés maradó feszültségeit. A projektjük során programot fejlesztettek FORTRAN 77 nyelven, hogy meg tudják határozni a hőmérséklet rétegvonalakat és maradó feszültségeket. A végeselemes analízis során egy négy csomópontos izoparametrikus elemekből álló modellt használtak. Az analízis eredményei megegyeznek a mérés eredményeivel, amelyet a lyukfúrásos módszer segítségével kaptak meg. Ebben a tanulmányban a bimetallikus hegesztett acélt és a sárgarezet vizsgálták. Axiális maradó feszültségek jellemzése [53]: Dong végrehajtott egy végeselemes analízist korrózióálló és szénacél hegesztett csöveken különböző geometriákkal, meghatározva ezzel a vastagságirányú maradó feszültségek értékeit. Parametrikus vizsgálatot hajtottak végre felhasználva a kutatási eredményeiket és szakirodalomból gyűjtött adatokat, hogy meghatározzák a hegesztés következtében létrejövő maradó feszültségeket. Az axiális feszültségek leírhatók egy egyenlettel: (

)

(3)

Az egyenlet három konkrét részre tagolódik: A, a membrán rész, amely a legtöbb gyakorlati esetben elhanyagolható, kivéve, ha a visszatartott axiális erők különösen nagyok, mint pl. a végleges hegesztésnél, ahol B és C konstansok. Egy hajlító rész, Bξ, amelyek uralkodnak egy varrat korlátozott állapotaiban, ahol ξ egy parametrikus koordináta rendszerben a lineáris falvastagság -1-től 1ig terjedő értéke a külső felületen, ξ0 pedig a ξ értéke a szinusz hullám csúcsán. Kúszási folyamat figyelembevétele Egy másik tényező, amit figyelembe kell venni az a kúszás. A hegesztés utáni hőkezeléskor a kúszás szerepet játszik a maradó feszültség átrendeződésében. Ezért a PWHT szimulációja esetén vagy a kúszás törvényt vagy viszkoplasztikus anyagmodellt szükséges használni. Ha felhasználjuk a kúszási tulajdonságokat a szimulációban, akkor láthatjuk, hogy a kúszási feszültség leépülésnek jelentős hatása van, nagyban csökkenti a maradó feszültség csúcsértékét, körülbelül 30%-al szobahőmérsékleten. Ezzel szemben a képlékenység önmagában csak legfeljebb 10%-al csökken. 63

A modellezett kúszási relaxációt a PWHT alatt Norton erőtörvénnyel vizsgálva a teljes relaxáció előrejelezhető, így a környezeti hőmérséklet és maradó feszültség eloszlás is megközelíti az egyszerűsített hőmérsékleti hiba analízis esetén kapott eredményeket. Ekkor a relaxáció jelentős változást okozott a teljes feszültség eloszlását tekintve, nemcsak a csúcsértékekben. A PWHT folyamat végére a varratban lévő feszültég leépül a kúszás hatására. A lila görbe a kúszás figyelmen kívül hagyása esetén alakuló feszültséget, amíg a kék görbe a kúszás jelentős hatását figyelembe vevő maradó feszültséget mutatja. A NESC-III projekt zárójelentésében [16] vizsgált kúszás hatását szemlélteti az alábbi diagram:

58. ábra: Maradó feszültségek kúszás esetén Ezért a kúszási relaxáció egy nagyon fontos tényezője a PWHT szimulációknak. Az eredmények is azt mutatják, hogy jelentős odafigyelés szükséges a kúszási törvények alkalmazásakor, valamint a kísérleti feszültség eloszlási eredményeket is kritikusan kell kezelni (nem csak a csúcsértéket). A NESC-III projektben [16] alkalmazott eljárásban a feszültségmentes hőmérsékletnek (Tfree) a működési hőmérsékletet választották. Amikor felmelegedik a darab a szobahőmérsékletről a névleges működési hőmérsékletre, (kb.300°C-ra) akkor feltételezhetjük, hogy a hegesztési hőmérsékletről való lehűtés miatt indukálódott feszültség csökkenni fog. Ezt támasztják alá az előzőekben leírt eljárások is. A PWHT folyamatban lévő 300°C-ról 25°C-ra való hűtéskor a csúcsfeszültség nő, de a működési hőmérsékletre való újra felhevítés után csökkenés várható. A számítás 50%-os csökkenést is előrevetít a kezdeti axiális feszültséghez képest. Összességében elmondható, hogy a maradó feszültség minőségi közelítéssel előrevetíthető a két leírt eljárással, valamint a kúszás figyelembevételével csökken a maradó feszültség az üzemelési hőmérsékleten. 2.4.2.3. Hegesztés A hegesztett szerkezetek végeselem analízise két lépésben történik. Először a hőmérséklet analízist hajtják végre, majd utána a mechanikai analízist. Abban az esetben, amikor a hegesztett szerkezetek hőhatás övezetét és a hegesztés során visszamaradó feszültségeket külön számítják, az átmeneti hőmérsékletet veszik a maradó feszültség számítás inputjának. A módszer használatának feltétele, hogy a hálók azonosak legyenek, és a lépések ugyanazon sorrendben kövessék egymást. A hőmérséklet- és mechanikai analíziseket lépcsőzetesen vagy párhuzamosan hajtják végre. A főerő a hődiletáció – mely összessége a hőtágulásnak és a 64

térfogatváltozásnak – ezért mindegyik időlépés a hőmérséklet változásának megoldásával kezdődik.

59. ábra: Hegesztett szerkezet végeselemes szimulációja, [116] A hegesztés során a geometria megváltozik, így az mindig frissül. Néhány analízis csak a hőtágulást veszi figyelembe, azonban vannak olyan modellek, melyekben már a mikroszerkezet hatását is számításba veszik, így kapcsolatot lehet teremteni az anyagtulajdonságok és a mechanikai folyamatok között. A maradó feszültség szimulálásnál finom hálót kell alkalmaznunk. Egy adaptív háló segítségével növelhetjük a számítás hatékonyságát. Ez nagyon fontos háromdimenziós modellek esetében.

2.4.2.4. Öntés A visszamaradó öntési feszültséggel terhelt öntvények méretpontosságával kapcsolatos méréseket a németországi Georg Fischer Mettmann cég laboratóriumában-, a szimulációs munkát Simtec/WinCast végeselemes programkörnyezetben végezték. A vizsgálatra kiválasztott öntvény egy járműipari keréktartó alkatrész, mely személygépjárművek futóművébe kerül beépülésre. Az öntvény geometriája az alábbi képen látható.

60. ábra: Öntvény geometriája

65

Mivel az öntvénycsokor szimmetrikus, a szimulációs számítás során megfelelő izolációs feltételek előírásával lehetővé válik csak a fél öntvénycsokor vizsgálata, mely jelentős számítási kapacitás megtakarítást eredményez. Az vizsgált öntvény anyaga szabályostól eltérő gömbgrafitos öntöttvas ötvözet. Szükséges hőfizikai paraméterei: látens hő, hővezető képesség, hőkapacitás, hőátadási tényező, hőtágulási együttható. Az öntési hőmérséklet 1370 °C, a forma anyaga bevonatos nyers formázókeverék, kiindulási hőmérséklete 25 °C. A szimuláció folyamata három részre osztható: - Előkészítő folyamat: CAD geometria beolvasása, hálógenerálás. - Számítási folyamatok: kezdeti és határ feltételek definiálása, hőmérsékletmező számítása, visszamaradó öntési feszültségek számítása. - Kiértékelés: eredmények kiértékelése, geometria vizsgálata. Részfolyamatok: 1. lépés: Első lépésben egy meghatározott 2D geometriai metszeten generáltan a kétdimenziós hálót csomópont összekötő közelítés módszerével. A hálózás eredménye egy változó eloszlású, iránytangenstől független elemelrendezésű, ún. izotrópikus háló. A méretellenőrzés során az öntvényt egy tartóra helyezzük, mely három előre definiált ponton rögzíti az öntvényt. 2. lépés: Határ és peremfeltételek definiálása. Mivel egy szimmetrikus geometria vizsgálatáról van szó, az öntvénycsokornak csak az egyik fele kerül számításra. A szimmetriasíkon lévő elemekre hőmérsékleti és szilárdsági izolációt írtak elő. 3. lépés: A dermedési és lehűlési folyamat számítása. Visszamaradó öntési feszültségek számítása a hőmérséklet számítás eredményeként előállt inhomogén időben változó hőmérséklettérben. 4. lépés: A visszamaradó öntési feszültségek hatására vetemedett öntvény geometria exportálása egy geometriai információkat hordozó STL térfogatmodellé. 5. lépés: A vetemedett geometria beolvasása a végeselem program hálógeneráló moduljába, a beolvasott geometria alapján új végeselem háló generálása. 6. lépés: Új végeselem háló pozícionálása. A vetemedett geometriának megfelelő háromdimenziós végeselem háló eltolása és elforgatása a térben oly módon, hogy a rögzítési pontok koordinátái megegyezzenek az első lépésben meghatározottakkal és teljesüljenek az ott definiált feltételek. 7. lépés: Az ellenőrizendő geometria méretek meghatározása az orientált végeselem hálón. A végeselem háló annak ellenére alkalmas az ellenőrizendő geometria méretek meghatározására, hogy nem felel meg a végeselem módszer esetén alkalmazott hálókkal szemben támasztott követelményeknek. 8. lépés: A laboratóriumban mért méretek és a szimulációval meghatározott geometria értékek összehasonlítása. Az öntvényben kialakuló visszamaradó feszültségeket a 59. ábra szemlélteti. A valós öntvények méretpontosságának meghatározása háromdimenziós letapogatásos méret ellenőrzéssel történt, melynek során az öntvény 65 különböző geometriai mérete került ellenőrzésre. Ennek az adatbanknak a kiértékelése alapján, a normális eloszlás sűrűségfüggvényeinek segítségével, határozták meg, hogy a kidolgozott szimulációs eljárással mely geometriai méreteket kívánták ellenőrizni. A végeselemes szimulációs módszerrel 39 db különböző geometriai méret került ellenőrzésre, majd ezeket hasonlították össze a háromdimenziós letapogatásos méretellenőrzés során rögzített értékekkel és a két adatbázist formaüregenként, valamint összesítve is összehasonlították. 66

A kidolgozott algoritmusban (60. ábra) a végeselem módszerű szimuláció alkalmazásával összekapcsolták a számítógépes tervezőprogramban előállított CAD geometriát és a valós öntvényen mért méreteket. A szimulációval kialakult méreteket visszacsatolták a tervezési fázis kiindulási pontjába, így annak a szimuláció eredményei alapján történő módosítása biztosítja a méretpontos öntvénygyártást [115].

61. ábra: Öntvényben visszamaradó feszültségek a szimuláció során

62. ábra: Végeselem szimuláció algoritmusa

67

2.4.2.5. Meta-Lax feszültségmentesítő és hegesztés kondicionáló eljárás, [23][24] A Meta-Lax egy szabadalmazott, csendes, vibrációs feszültségmentesítő eljárás, amely a fém alkatrészek megmunkálása során keletkező, nem kívánatos termikus feszültségek semlegesítésére szolgál. A folyamat egy alaposan kidolgozott, roncsolásmentes, alacsony frekvencián működő, vibrációs eljárás. A fémek megmunkálása, fémalkatrészek és fémszerkezetek gyártása, során olyan - magas hőmérséklettel járó - technológiákat használnak, mint a gépi megmunkálások, hegesztések. Ennek során gyakran alakulnak ki termikus feszültségek az anyagban, amelyek vetemedésekben, torzulásokban és a hegesztési varratban terjedő repedések formájában nyilvánulnak meg és okoznak nemkívánatos tulajdonság változásokat. Mindezek csökkentésére - hagyományosan - a hőkezeléses feszültségmentesítést használják. A hőkezelésre fordított teljesítmények, a munkaerő, a szállítás, mind hozzájárulnak a magas előállítási költségekhez, és az energia veszteségekhez. A vibrációs kondicionálás szinuszoidális rezgés-hullám formát használ. Energiát indukálunk, hogy rezgés amplitúdót hozzunk létre, ami a rezonancia amplitúdó alatt van. A folyamat 30 perctől több óráig eltarthat, attól függően, hogy milyen az alkatrész szilárdsága, rugalmassági modulusa, és mérete annak érdekében, hogy a belső feszültségeknek legyen idejük eloszlani, és egymást kiegyensúlyozni. Két szabály figyelhető meg: 

A csúcshoz tartozó frekvencia alatti értéken indukált vibrációs energia szétoszlik a fémben. Ez a megfelelő energia a legjobb eredmény elérésére. (A csúcshoz tartozó amplitúdón történő vibráció plasztikus deformációt és kifáradást okoz.)



Az ábrán az egyenes vonal (E) mutatja a folyamatosan növekvő vibrációs frekvenciához tartozó vibrációs energia kimenetét. A görbe vonal (A) képviseli az azonos frekvencián rezgő fém alkatrész amplitúdó profilját. Meg kell jegyezni, hogy a fém alkatrész eredendően ellenáll az energiának. Mígnem egy bizonyos frekvencián az energia meghaladja a fém ellenállását és az amplitúdó hirtelen megnövekszik, vagy felugrik, miközben kialakul a rezonancia feltétele. Az energia kimenet és az elvégzett munka (amplitúdó) közötti legnagyobb különbség az a frekvencia, ami éppen a rezonancia frekvencia előtt van. (X) Ez a frekvencia fogja meghatározni az időtartamot.

Ez a szabály az alkalmazandó legmegfelelőbb kondicionálási idő meghatározására lett kifejlesztve. Az előírt kondicionálási időtartam az az idő, ami szükséges ahhoz, hogy a rezonancia csúcs elmozduljon és az új helyen stabilizálódjon. Az alap képlet: Frekvencia = (támogató rendszer x szilárdság x rugalmasság) / ([Rezgetett súly + excentrikus súly / Vibrátor helye] x hosszúság) Amennyiben a rezonancia frekvencia változik a vibráció időtartama után, az egyetlen érték, ami változhatott a képletben, az a rugalmasság, ami annyit jelent, hogy a maradó feszültség lecsökkent. Valamennyi fém rendelkezik rezonáns és nem rezonáns tulajdonságokkal. A rezgések a rezonancia előtt 0 amplitúdót mutatnak. Rezonancia akkor keletkezik, ha a vibrációval gerjesztett komponens nem képes elnyelni a külső forrásból származó energiát és válaszul egy belső mechanikai elmozdulás történik, amint ezt a harang alakú görbe (rezonancia görbe) is mutatja. A rezonancia amplitúdó egy maximális szintet jelez, amely rezonanciacsúcs jellemző 68

minden fém komponensre. A felső görbe a rezonancia görbe. A hiszterézis (feszültségelmozdulás) görbe által bezárt terület az elnyelt vibrációs energia mértékét reprezentálja. Az alsó görbe az energia elnyelődés mértékét mutatja a bevitt vibrációs energia frekvenciájának függvényében.

63. ábra: Frekvencia - Energia diagram A 64. ábrán bemutatott 3 hiszterézis görbe közül az első egy tipikus görbe arra az esetre, ha a fém szinuszoidális (vibrációs) erőhatásnak lett kitéve a rezonancia zóna alatti tartományban. A görbék által bezárt terület a fém által elnyelt energia mennyiségét reprezentálja. Ahogy a rezgés frekvenciája növekszik, úgy növekszik a görbék által bezárt terület nagysága is egészen a rezonancia zónáig. A rezonancia görbe emelkedésének kezdetén a feszültség csökkenés képessége és mértéke a legnagyobb. A rezonancia csúcshoz közeledve a hiszterézis görbe formája alapjaiban megváltozik, ami a fém komponens aránytalanul nagy belső amplitúdó növekedésének eredménye. A rezonancia csúcshoz tartozó frekvencián a fém elveszti azon képességét, hogy elnyelje a külső forrásból bevitt energiát és egy erőteljes, belső mechanikai elmozdulással válaszol. A rezonancia csúcsnál a fém rezgésbe jön és az energia elnyelődés (a feszültség csökkenési potenciál) a zéróhoz közelít. Richard Skinner a Lockheed Missiles and Aerospace-től 1987ben megjelentetett beszámolójában matematikai úton meghatározta, hogy a vibrációs feszültség csökkentés számára a sub-rezonáns (sub-harmonikus) zóna az optimális [25]. Minden fém komponens rendelkezik egy természetes rezonancia frekvenciával. Abban az esetben azonban, ha a fémben termikus feszültségek alakultak ki, a jellemző rezonancia frekvencia egy természetellenes tartományban jelentkezik. Sub-rezonáns frekvencia alkalmazása esetén a komponens, az indukált energiát a termikus feszültségek átrendezésére fordítja, azaz semlegesíti a nem kívánt feszültség-hatásokat. Miközben ez bekövetkezik, a rezonancia görbe áthelyeződik az anyagra jellemző természetes rezonancia frekvencia zónába. Az alkalmazott frekvencia mértéke és az alkalmazás időtartama előre meghatározható minden fém komponens számára.

69

64. ábra: Vibrációs energia reprezentálása Hiszterézis-görbével A BONAL-tól függetlenül, 1987 februárjában a University of California-Berkeley kutató csoportja, T. E. Wong és George C. Johnson részvételével, az alábbi következtetésre jutott [26]: "Annak felismerése, hogy a maradó feszültség következtében, a természetes frekvencia zóna áthelyeződik, lehetséges módszert kínál arra, hogy ellenőrizhető legyen a feszültségmentesítési eljárás eredményessége." Ebből az állításból alapvetően két következtetés vonható le: 70

Először: maradó feszültség következtében a fém alkatrészek természetes rezonancia frekvenciája elmozdul. Másodszor: ez az elmozdulás, mintegy döntő jellegzetesség, alkalmazható a feszültség-mentesítési eljárás eredményességének értékelésére. A Meta-Lax alacsony frekvenciás vibrációs energiát használ, ami a belülről indukált molekuláris mozgások eredményeként vezet a feszültség megszüntetéséhez. A berendezés egy elektromos energia indukciós egységből, egy, a célra tervezett, és szabadalmaztatott ellenőrző "transzduszer"-ből és egy elektronikus vezérlő egységből áll, amely kijelzi és ellenőrzi a bejövő frekvencia jeleket. A rendszer meghatározza a munkadarab természetes rezonancia frekvenciáját, majd ennél egy alacsonyabb frekvenciát indukálva éri el a kívánt feszültségmentesítést. Amikor a Meta-Lax berendezés kezelője ellenőrző méréseket végez, és azt tapasztalja, hogy a rezonancia görbe frekvenciája ismételten ugyanazon a helyen jelentkezik, tudja, hogy a munkadarab feszültség-mentesítése megtörtént. Ez a folyamat alapvető fontosságú a megbízható feszültség-mentesítés elvégzéséhez (65. ábra). Fekete görbe: első bemérés. Piros görbe: kezelés utáni bemérés. Kék görbe: ellenőrző (második) kezelés utáni bemérés. A görbe rezonancia frekvencia pozíciója nem változott. Az eljárás alkalmazható a fémek közvetlen megmunkálása, vagy hegesztése során is. Ezt hegesztés-kondicionálásnak nevezzük. A hegesztés-kondicionálás alkalmazása esetén a termikus feszültségek közvetlenül a varrat megszilárdulásával egyidejűleg szűnnek meg. Ez az eljárás a hegesztés során keletkező vetemedéseket és repedéseket a minimálisra csökkenti, vagy teljesen megszünteti.

65. ábra: Kezelési görbék

71

2.4.3.

Javaslattétel az alkalmazásra és továbbfejlesztésre

A feldolgozott irodalmak alapján az látható, hogy a technika, főleg a számítástechnikai háttér rohamos fejlődés miatt, egyre pontosabb és részletesebb modellek kidolgozására van lehetőség. Elmondható, hogy a legáltalánosabban alkalmazott módszer a végeselem módszer, hiszen valamennyi technológia modellezése során a kutatók ezt az irányt választották és alkalmazták sikeresen. A mechanikai technológiák modellezése során elmondható, hogy az megmunkálandó alapanyag (munkadarab) anyagjellemzőinek pontos ismerete alapvető fontosságú. Tehát rugalmas-képlékeny anyagmodellek alkalmazása indokolt. Amennyiben az ehhez szükséges paraméterek nem állnak rendelkezésre, akkor azok kiméréséről gondoskodni kell. A sörétszórás és görgőzés technológiák esetén nagyon fontos a szerszámok mozgásának megfelelő leírása. A sörétszórás esetén ez viszonylag bonyolult, mivel a sörétek egymásra hatásának figyelembevétele befolyással bír a végső eredményre vonatkozólag. Azonban van lehetőség egyszerűsítésekre, melyekkel szintén jó eredményt kaphatunk. Mindenesetre egy becsapódás modellezése nem elégséges, többszörös becsapódást kell modellezni, és ezek egymásra hatását figyelembe venni. A görgőzés során a szerszám mozgását több módon is le lehet írni a munkadarabhoz képest, mely segíthet a számítási idő lecsökkentésében. Mind a sörétszórás, mind a görgőzés esetén elegendő a szerszámok merev testként való figyelembevétele. Az autofrettázs technológia modellezése során a modellnek képesnek kell lennie a leterhelés valósághoz közeli figyelembevételére. A leterhelés szakaszban történő folyamatok meghatározóak a maradó feszültség eloszlásának és nagyságának kialakulásában. A forgácsolás technológiák során általában káros, húzó jellegű feszültségek alakulnak ki, ezért modellezésük kulcskérdés a későbbi működés és élettartam szempontjából. A termikus technológiák esetén fontos, hogy a modell képes legyen fázisátalakulás folyamatainak figyelembevételére, a keletkező térfogatváltozás és látens hő képződés meghatározására. Ezek a technológiák általában nem önmagukban fordulnak elő, hanem valamilyen mechanikai igénybevétellel együtt, illetve az alkatrész megmunkálása során több technológia alkalmazása is sorra kerül, ezért a teljes műveleti sor modellezésére szükség lehet. Mindezek figyelembevételére lehetőség van a Marc általános célú végeselem szoftver segítségével. A hetvenes évek elejétől fejlesztett Marc a világ első, kifejezetten nemlineáris feladatok megoldására írt, kereskedelmi célú végeselem szoftvere. A Marc általános célú szoftver, melynek tervezői nem ismertek megalkuvást, az akkurátus modellezéshez csaknem kétszáz elemtípust alkalmazhatunk, a beépített algoritmusokat számos ponton módosíthatjuk, egészíthetjük ki felhasználói szubrutinokkal. A pontosság és az általánosság iránti elkötelezettséget jellemzi a végeselem technológia határait feszegető, immár magasabbrendű és hexaéder elemek esetén is működő globális újrahálózás lehetősége, a rendkívül hatékony, analitikus felületábrázolással javított kontaktszámítás, vagy a megoldás sebességét nagyban növelő, az alkalmazott lineáris algebra mai élvonalába tartozó METIS algoritmus implementációja. Mindezeknek köszönhetően a Marc olyan, más általános célú szoftverek által többnyire megoldhatatlan modellezési feladatok esetén is alkalmazható, mint például bonyolult szerkezetű, hiperelasztikus kompozitok vizsgálata, összetett technológiai folyamatok, így kovácsolás, forgácsolás szimulációja [153].

72

3. Technológiai maradó feszültségek mérési módszereinek kutatása és alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén 3.1. Maradó feszültségek mérési módszereinek kutatása és alkalmazhatóságuk korszerű járműipari anyagok esetén [27][32][33][36][37][38][52] 3.1.1. Maradó feszültség vizsgálati módszerek és tulajdonságaik (vizsgálóeszközök, vizsgálati paraméterek, jellemző alkalmazási területek, meghatározható paraméterek, értékelési módszer, vizsgálati korlátok) Az alkatrésznek engedelmeskednie kell a fizika törvényeinek, vagyis nyugalomban a feszültségeknek ki kell egyenlíteniük egymást – ez Newton I. törvénye. Így, ha egy régióban hasznos feszültség van jelen, akkor valahol máshol káros feszültségnek kell lennie, hogy egymást kiegyensúlyozzák. Ezért a mérnököknek egy fémalkatrészben meg kell mérniük a maradó feszültségeket, hogy meg tudják állapítani a húzó és nyomó feszültségek helyét, meg tudják határozni ezek nagyságát és ezek alapján tovább tudják fejleszteni a gyártási technológiát. Általában meglehetősen könnyű kiszámítani az igénybevétel során fellépő feszültséget, azonban sokkal nehezebb meghatározni a gyártás után megmaradó feszültségeket. Egyre fontosabbá válik, hogy sokat tudjunk az anyagban maradó feszültségről, mivel egyre erősebb, gazdaságosabb és környezetkímélőbb szerkezetekre van szükség. Fontos, hogy minél könnyebb anyagokból készüljenek a szállítóeszközök, hiszen így nagymértékben csökkenthető az üzemanyagköltség. Azonban az is ugyanennyire fontos, hogy ne csökkenjen az alkatrészek élettartama. Maradó feszültségre alkalmazott mérési technikák Az utóbbi néhány évtizedben különféle mennyiségű és minőségű mérési eljárások alakultak ki. Ezeket elsősorban a folyamat optimalizációjához és a minőségirányítás részére készítették. A szakirodalom nagyon sok eljárást és technikát ajánl a maradó feszültség mérésére, de közülük csak néhányat használnak a gyakorlatban is. Ezen eljárások alkalmazhatók kis tartományoktól az egészen nagyokig is, úgy, mint például repülőgépek esetén is. Többek között ilyen a röntgen diffrakciós módszer és a zsákfurat fúrás elektromos ellenállású nyúlásmérő bélyeg segítségével [39]. Amikor feszültség keletkezik egy anyagban, az őt alkotó kristálysíkok rugalmas alakváltozást szenvednek. Szinte minden technika ezt a rugalmas alakváltozást használja ki és ennek a mértéke ad információt a feszültségmező állapotáról. Az alakváltozás/elmozdulás mérésére több módszert alkalmaznak, melyek szerint megkülönböztetünk: - roncsolásos eljárást (lemunkálás, feldarabolás vagy szeletelés, felhasítás) - félig roncsolásos eljárást (mély lyukfúrás, koronafúrás, politrepanáció, keménységmérés) - roncsolásmentes eljárást (röntgen-diffrakció, ultrahangos vizsgálat, Barkhausen-zaj mérés).

73

3.1.1.1. Roncsolásos mérési eljárások [123] Roncsolásos eljárás során kénytelen vagyunk egy bizonyos anyagdarabot eltávolítani, hogy megmérjük a maradó feszültséget, valamint, hogy feltérképezzük a belső maradó feszültség eloszlását, [2]. A roncsolásos eljárások nagy része alapvetően feszültség relaxációs procedúra; a feszültségmező feloldása marással, szeleteléssel, lemunkálással, alakváltozást eredményez és ez az az információ, amelyet kinyerünk egy véges térfogatelemből. Ezt az értéket felhasználva egy feltételezett alkalmazáson keresztül rekonstruálják az eredeti feszültségmezőt. A feltételezett feszültségmező magába foglalja a feszültség nagyságát, gradiensét és azt, hogy vajon a gradiens az egy, kettő, három dimenziós-e. A feszültség gradiens nagysága fogja diktálni igazából, hogy mekkora darabot vegyünk ki a mintából. Ki kell emelnünk azt, hogy minél nagyobb a kivett darab és a feszültség gradiens, annál inkább kvalitatív jellegű lesz a mérési eredmény, mintsem kvantitatív. A következő ábra egy hegesztett acéllemez szeletelési eljárását mutatja be:

66. ábra: Szeletelés

67. ábra: A felület eltávolítását (lemunkálását) követő deformáció

74

Gyűrű felhasításos módszerek [10]: A maradó feszültség mérése történhet teljes roncsolással is. Ezen eljárás alapelve, hogy egy csőből levágott gyűrűt felhasítunk és az alakváltozásból (feltágulás vagy összecsukódás) következtetünk a maradó feszültségekre. Ezen eljárás elvi ábráját vékonyfalú csőre mutatja az alábbi ábra:

68. ábra: Maradó feszültség mérése vékonyfalú csőre A kivitelezés lépései ebben az eljárásban a következők: - a gyűrű levágása - az átmérő (De) és falvastagság (h) mérése - felhasítás - átmérőmérés (Du) - számítás Ugyanilyen teljes roncsolásos módszer vastagfalú csőre vonatkoztatva az alábbi mérési eljárás (69. ábra). Ezen eljárás alapelve az, hogy egy csőből levágott gyűrűt felhasítunk és a mért nyúlásértékekből következtetünk a maradó feszültségekre.

69. ábra: Maradó feszültség mérése vastagfalú csőre

75

3.1.1.2. Félig roncsolásos eljárások Félig-roncsolásos eljárásokban, ellentétben a roncsolásmentes eljárásokkal, a módszernek van némi hatása a vizsgált anyag szerkezetére, tulajdonságaira. Ezen mérési eljárások után van lehetőség arra, hogy a mérés helyét kijavítsuk vagy eltávolítsuk anélkül, hogy az számottevően befolyásolná az anyag szerkezetét. Ilyenkor csak kis furatot vagy koronafuratot készítünk a felületbe. Háromféle eljárást különböztethetünk meg, amelyek a következők: - Lyukfúrás vagy gyűrűmarás, - Benyomódáson alapuló eljárások, - pont-lágyítás. Az első két módszer egy kvantitatív mérést biztosít, míg a harmadik csak kvalitatív eljárás. Lyukfúrás és koronafúrás [123][125]: A lyukfúrásos módszert az 1930-as évek óta javasolják, amelynek a sekély lyukfúrás által feloldott feszültség okozta felületi alakváltozás az alapja. A módszert szabványosították ASTM E837 [126]. Az alapja az, hogy az anyag eltávolítása során a feszültség próbálja elérni ismét a feszültségi egyensúlyt. A koronafúrás módszer is a feszültségmező megváltoztatásából generált elmozdulást méri, de ebben az esetben a mérőbélyeg egy izolált anyagterületre kerül úgy, hogy a mérőbélyegek köré egy sekély gyűrűt marnak. Az eljárást magfúrásnak is nevezik. Ez a két módszer már roncsolásos eljárásnak számít, de viszonylag egyszerű és gazdaságos.

70. ábra: Lyukfúrás és koronafúrás módszer és a mérőbélyeg elhelyezésének sematikus ábrája Ahogy minden feszültségoldó technika, itt is az anyag eltávolításától függő elmozdulást mérjük ellenállás alapú mérőbélyeggel. A lyukfúrásos módszerhez főleg rozettát alkalmaznak. A rozetták mérete az utóbbi évtizedekben lecsökkent 10 mm alá és számos gyártótól beszerezhető.

76

71. ábra: A mérőbélyeg Ahogy a legtöbb maradó feszültség mérési technika, a lyukfúrásos és a koronafúrásos módszert is acélok esetén alkalmazzák. Legtöbbjüket főleg lemezes, tábla és hengeres testen végzik. A feszültség különböző mélységekben állapítható meg, egészen olyan mélységig, amely megegyezik a lyuk vagy a gyűrű átmérőjével. Kelsey viszont rájött, hogy a lyuk vagy a gyűrű átmérőjének a felénél nagyobb mélységben már nem lehet pontosan meghatározni a feszültséget. A rétegvastagságnak, amelyen belül a mérést végezzük a furat, vagy gyűrű átmérőjének kb. 10-20%-nak kell lenni. A mérőeszköznek megbízhatónak, olcsónak, hordozhatónak kell lennie és fontos, hogy gyári körülmények között, termelésben is alkalmazható legyen. Viszont tapasztalt technológusoknak is érdemes utána olvasniuk, hogy megfelelően válasszák ki az alkatrészen a helyet, hogy jól helyezzék fel az elmozdulás mérőket és megfelelően gyűjtsenek adatot a mérésből. Mivel lehetséges, hogy a maradó feszültséget lyukfúrással vagy a koronafúrással visszük be a próbatestbe, ezért minden esetben szükséges a mérőeszköz kalibrálása, kivéve egyes eseteket, mint pl. a vízsugaras vágást.

72. ábra: Lyukfúrásos módszer felszerelése Alkalmazhatósági korlátok -

A nagy feszültség gradienssel rendelkező felületeket célszerű elkerülni, ugyanis a feszültség gradiensnek konstans értéket kell felvennie a lyuk vagy a gyűrű átmérője mentén. 77

-

-

Azon a területen ahol a feszültség nagyobb az anyag folyáshatár egyharmadánál, ott valószínűleg az érték hibás, ez valószínűleg a fúrás okozta képlékeny alakváltozás miatt következik be. A lemezvastagságnak legalább négyszer akkorának kell lennie, mint a lyuk vagy a gyűrű átmérője. Az anyageltávolítás következtében alakítási keményedés léphet fel a furat környezetében, amely kb. 70 MPa, illetve ennek többszöröse hibát eredményezhet.

-

Hő képződhet anyageltávolítás közben. A lyukakat vagy a gyűrűket legalább 8 átmérő távolságra kell elhelyezni egymástól.

-

Az alkatrész, amelyen szeretnénk feszültséget mérni, hozzáférhetőnek kell lennie, ugyanis a lyukfúrásra, illetve koronafúrásra használt eszköz terjedelmes lehet. A felület előkészítése is okozhat maradó feszültséget, amely később mérési hibát eredményezhet.

-

Összességében, a lyukfúrásos és a koronafúrásos módszerek jó közelítéssel a roncsolásos vizsgálat egy roncsolásmentes variációi, és inkább egyszerű műszereket igényel. A korszerű technika jól kifejlesztett, amelyet sok roncsolásmentes vizsgálattal hasonlítottak össze, néhányuk azonban még további kutatást igényel, mielőtt egyes ötvözetekre az alkalmazható lenne. A lyukfúrás vagy koronafúrás technológiák fejlődése nagymértékben az általános feszültség feloldó módszerek fejlődésétől függ, illetve a az új, fém megmunkálásnál alkalmazott anyagleválasztási módszerek kutatásától. 3D-HD holografikus maradó feszültség kamera [127]: A Hol-MarFesz Kamera 3D-s vektori elmozdulás mezőt mér ki holografikusan a vizsgált tárgy felületén a maradó feszültség lyukfúrásos felszabadításakor. Méri ezt a furat közvetlen és távolabbi környezetében folytonosan minden felületi pontban 50 nm-es érzékenységgel (73. ábra).

73. ábra: Hol–MarFesz Kamera (3D-HD Holografikus Maradó feszültség Kamera) működésének sémája

78

A jelenlegi mérőbélyeges maradó feszültség méréssel összevetve a Hol–MarFesz Kamera sokkal több és sokkal részletesebb információt biztosít a lyukfúrás által felszabadított maradó feszültség deformáló hatásáról. Ennek részeként a rozettás mérőbélyeges elrendezésnél mindhárom bélyeg alatt s azon belül is minden egyes ellenálláshuzal-szakaszon külön-külön meghatározható a lokális megnyúlás. A Hol–MarFesz Kamera kiegészítésképpen lehetőséget biztosít majd a mérőbélyeges mérés kontrolljára, minősítésére – illetve továbbfejlesztésére is. Egyirányú feszültséggel terhelt modell tárgyon mért ellenőrző mérések az elmélettel kiváló egyezést adtak. Kimutatható, hogy Hol–MarFesz Kamera a már a megszokottnál/szabványosítottnál sokkal kisebb (tizednyi) átmérőjű és mélységű lyukfúrásoknál is képes az elmozdulás mező kimérésére. Ez az érzékenység jelenleg még nem teljesen kihasználható a meglévő, a csak a mérőbélyeges mérésekre kifejlesztett mechanikai modellek viszonylagos „durvasága” és egyszerűsége miatt – de a szükséges elméleti háttér már fejlesztés alatt áll és teljes elkészülte fél-egy éven belül várható. A 3D-HD holografikus maradó feszültség kamera a mérőbélyeges eljáráshoz hasonló elven működik, de egyben attól előnyösen eltérő is. Jellemzői:    

lyukfúrásos feszültség felszabadítás (átmenő furattal, vagy zsákfurattal); teljes-felületi deformáció rögzítése digitális holografikus interferometriával; 3D-s elmozdulás mező kiértékelése minden felületi pontban; 3D-s elmozdulás mezőhöz illesztett maradó feszültség számítás.

Benyomódáson alapuló módszerek [127] Léteznek benyomódáson alapuló eszközök, mint pl. amelyet a keménységméréshez használnak már az 1930-as évek óta, azért, hogy a felületen fellépő feszültséget detektálják, illetve mérjék. A maradó feszültség műszerezett keménységméréssel történő meghatározásának elve, hogy a benyomódási görbe (74. ábra) alakja megváltozik a maradó feszültség függvényében. A benyomódási görbe eltéréséből, illetve a benyomódás mélységéből lehet következtetni a maradó feszültség mértékére (75. ábra). Az ábrán jól látható, hogy a húzó irányú feszültség esetén a benyomódási mélység növekszik azonos terhelés esetén, nyomófeszültség hatására csökken. Másként fogalmazva, ugyan azon benyomódási mélység mellett a különböző feszültségállapotban lévő anyag esetén különböző erő szükséges. A benyomódási mélység növekedés vagy csökkenés mértékéből így következtetni lehet a maradó feszültségre. A hivatkozott cikkben hegesztési varrat és környezetének maradó feszültségét vizsgálták és összehasonlították röntgen diffrakciós vizsgálati eredményekkel. Az összehasonlítás eredményét a 80. ábra szemlélteti. A diagramból látszik, hogy a kismértékű eltéréstől eltekintve a műszerezett keménységméréssel meghatározott feszültségeloszlás jellege megegyezik a röntgen diffrakciós módszerrel meghatározott feszültség eloszlással. Az irodalomban talált elmélet igazolására, illetve a maradó feszültség számszerű értékének meghatározása érdekében laboratóriumi kísérletet végeztünk, amelyet a későbbiekben ismertetünk.

79

74. ábra: Műszerezett keménységmérővel felvett benyomódási görbe és jellegzetes pontjai

75. ábra: Benyomódási görbe változása a maradó feszültség függvényében

80

76. ábra: Műszerezett keménységméréssel és röntgen diffrakciós módszerrel meghatározott maradó feszültség eloszlás hegesztési varrat környezetében A maradó feszültség meghatározásához az irodalomban található számítási módszert használtuk fel, miszerint a maradó feszültség x irányú komponense számolható a

 res, x 

3L0  LT  (1  p) ACT

(3) képlettel, ahol L0 – egy adott benyomódási mélységhez tartozó erő a feszültségmentes állapotban LT – egy adott benyomódási mélységhez tartozó erő a vizsgált feszültségi állapotban ACT – A kontaktfelület mérete a vizsgált feszültségi állapotban p – a feszültségállapot jellemzésére használt állandó. Egytengelyű feszültségállapot esetén értéke 0, ekvi-biaxiális (σx=σy) állapotban p=1. A képlet a rugalmas tartományban értelmezhető, ezért az ellenőrzést mi is a rugalmas alakváltozás tartományára korlátoztuk. Az LT terhelésnél a kontaktfelület mérete a következők szerint számolható golyó behatolótest esetén: (4) ahol R a behatolótest lekerekítési sugara, hc pedig az Oliver-Pharr modell alapján számolható mennyiség: (5) ht és LT a benyomódási görbe adott pontjának erő és benyomódási mélység értékei, S pedig az ebből a pontból induló lefutási görbe meredeksége. S értéke a vizsgált anyag rugalmassági modulusának és Poisson-tényezőjének ismeretében iterálási módszerrel meghatározható. Helyi lágyítás [123]. Ez a módszer szintén alkalmas a felület közeli maradó feszültség meghatározására, olyan módon, hogy az anyag egy kis térfogatát kilágyítjuk. Ezt a vizsgálatot hasonlóan kell elképzelni, mint amikor az anyagból eltávolítunk egy darabot lyukfúrásos módszer esetén. Viszont a helyi melegítés húzófeszültséget eredményez a felületen. 81

3.1.1.3. Roncsolásmentes eljárások [123] A roncsolásmentes eljárások karakterisztikáját tekintve elmondhatjuk, hogy nincs hatással az alkatrész szervízelhetőségére, szilárdságára vagy más tulajdonságaira, amelyben épp a feszültséget szeretnénk meghatározni. Amikor egy alkatrészre mechanikai erők hatnak, akkor a keletkező feszültség, amely kisebb az anyag folyáshatáránál, eltorzítja azt és rugalmas alakváltozást szenved. Ez a rugalmas elmozdulás egy változást eredményez az atomi rácsban, és ezt a változást mérik a roncsolásmentes eljárás során. Pl. a diffrakciós módszerek- röntgen és neutron - az aktuális kristály kiterjedését mérik, amellyel meghatározható a nagysága és iránya az anyagban és az is, hogy vajon ez a feszültség az alkalmazott vagy visszamaradó feszültség. A későbbiekben a következő módszereket fogjuk részletezni [128]: - Röntgen diffrakciós módszer - Neutron diffrakciós módszer - Ultrahang sebesség módszer - Mágneses Barkhausen zaj módszer - Mágneses memória módszer Röntgen diffrakció [123][127][129] Amikor egy fém, alkalmazott vagy maradó feszültség alatt van, a kristályszerkezete és az atomok közötti távolság a rugalmas alakváltozás hatására megváltozik, és ezt használja ki az diffrakciós módszerek többsége, ebből a kvalitatív mennyiségből határozható meg az összes feszültség, amely az anyagban van. A fémek egy általános háromdimenziós kristállyá atomokból rendeződnek össze, a legtöbb gyakorlatban használt fémalkatrész pedig sok kis krisztallitot (szemcsét) tartalmaz, melyek véletlenszerűen helyezkednek el, az adott fém kristályrács szerkezetében szilárd anyagot alkotva. Amikor egy sokkristályos anyagot feszültség alá helyezünk, rácsszerkezetük rugalmasan alakváltozik. Más szóval, ha egy folyáshatár alatti külső feszültség vagy egy belső maradó feszültség van az anyagban, akkor ez az atomok között elmozdulást eredményez. A röntgen diffrakciós eljárások ezt az értéket mérik, amely indikatív eredmény lehet a rugalmas alakváltozás meghatározására. A feszültség értékeket ebből az elmozdulás értékből nyerik, tudván a rugalmassági konstans értékét, feltételezve, hogy az elmozdulás arányos az anyagban lévő feszültséggel. Ez a roncsolásmentes technika nagymértékben laboratóriumi körülményekre van korlátozva, a korszerű műszerek és a széleskörűen ismert és elérhető hagyományos röntgendiffrakciós vizsgáló berendezések ismeretének általános szintű hiánya miatt. Az 1980as évek óta ez a technika a gyártási területre is bekerült, a hordozhatóság, kompaktság és a művelet gyorsasága miatt.

82

77. ábra: Röntgen diffrakció

78. ábra: A röntgen diffrakcióhoz használt eszköz Neutron diffrakció [127][130] Neutron diffrakciós vizsgálat esetén csökken a besugárzott terület nagysága, amelynek következtében lehetővé válik kisebb térfogatból és mélyebbről kinyerni az diffrakciós intenzitási eredményeket. Lényegében két neutron diffrakciós eljárás létezik. A hagyományos Φ/2Φ szkennelés és az időtereléses (time-flight). Ez a két módszer nagymértékben fejlődött a neutron sugár kétféle elérési formája miatt. Egyrészt kinyerhetjük, mint folyamatos sugár egy reaktorforrásból, másrészt, mint egy pulzáló módon egy hasadásból. A két neutron diffrakciós eljárás közüli választás annyit jelent, hogy választunk a közül, hogy megmérjük az összes elhajló neutront egyszeri hullámot használva a Φ/2Φ szkennelés esetén vagy az idő egy részében, egyszeri hullámhosszal kinyerjük (50-szer egy másodperc alatt) az időtereléses eljárás esetén. Általában a folyamatos források nyújtják a legjobb teljesítményt, abban az esetben, amikor egy kis területre vagyunk kíváncsiak a teljes diffrakciós profilból (ilyenek az egycsúcsú makro-feszültség mérések). Egy ilyen folyamatos sugarú elven működő diffrakciométert mutat be az alábbi ábra (83. ábra) [5].

83

79. ábra: Neutron diffrakciós vizsgálat Viszont, ha nagyon sok a diffrakciós csúcs vagy a teljes diffrakciós profilra vagyunk kíváncsiak, akkor jobb megoldás az időtereléses eljárás (többfázisú anyagoknál vagy ahol nagy szemcseközti nyúlások várhatóak). A neutron diffrakciós eljárások alkalmazásakor a látszólagos nyúlás bemutatása meglehetősen nehézkes, amikor a belső és a külső felületek összeütköznek. Ez a diffrakciós térfogat gravitációs középpontjának eltolódása miatt alakulhat ki. A neutron diffrakciós technikának a röntgen diffrakcióssal szemben nagy előnye, hogy a hullámhossz összehasonlíthatóbb az atomi távolságokkal, valamint az anyagokba való behatolása mélyebb, 0.2 mm-től akár több centiméter is lehet. Neutron diffrakciót térbeli magas felbontással használva képes teljes 3 dimenziós térképet alkotni a nyúlásokról. Összehasonlítva más diffrakciós technikákkal, mint például a röntgen diffrakciós eljárás, a relatív költsége sokkal magasabb és a berendezéseinek általános elérése nagyon alacsony. Ultrahang sebességmérés [123][128] A mérés alapjait a továbbiakban részletezzük és így az ultrahangos technikát is, amelynek elve, hogy az ultrahang sebessége és az alkalmazott feszültség között lineáris kapcsolat van. Ráadásul, kimutatták, hogy maradó feszültség mérésre ez a jelenség kihasználható. A feszültséget úgy mérjük, hogy az anyagban néhány megahertz frekvenciás hanghullámot hozunk létre és a hanghullám terjedési idejét vagy ehhez hasonló paramétert mérnek. Mivel a feszültségen kívül a fémeknek sok más karaktere, pl. az indukált rugalmas alakváltozás, is hatással van a sebességre, ezeket ki kell szűrni; viszont ezek leírására, sem a technológia, sem az általános tudás nem érhető el. A legnagyobb kihívást az ultrahangos technikában a maradó feszültség háromdimenziós mérése adja.

Alapelvek Számos sebességhez kapcsolódó jellemzőt vizsgálnak a különböző módszerekkel, hogy megmérjék a feszültséghatásokat ultrahanggal. Mindegyik technika a Hooke törvény szerinti 84

rugalmasságból adódó reakciókülönbséget használja fel. Ezt úgy említik, mint az anyag anharmónikus (periódikus, de nem szinusz hullám) tulajdonságát; σ=M∙ε+C∙ε2+D∙ε3

(6)

,ahol C és D anharmónikus konstans. Legtöbb kutatásnál, amelyet feszültség mérés céljából végeznek, a C konstanst elhagyják. A következőkben felsoroljuk néhány anharmónikus tulajdonságát az anyagnak, melyet feszültségmérés céljából vizsgálnak: - a rugalmassági modulusz sebesség függése - a felületi hullámok frekvencia amplitudójának a diszperziója - Ortogonálisan polarizált kettőstörő nyíró hullámok - harmónikus felület generált hullámok Alkalmazhatósági korlátok Az ultrahangos technika számos hanghullámformát kínál fel lehetőségként, amellyel szondáztathatjuk az anyagot; ez a tömbi hullámokat, mint például a hosszirányú és nyíró hullámokat foglalja magába, illetve a felületi hullámokat, amely a Rayleight típusra van korlátozva. Az egyes módok számos egyedi paramétert tartalmaznak az információ kibontakoztatására. Ahogy az előzőekben beszéltük, a feszültség által indukált elmozdulás a terjedő hang sebességére hatással van. Ez számos úton detektálható, beleértve a hangsebesség mérést, a kettőstörő hullámnyírást, és a diszperziót. Viszont van néhány más paraméter, amely ugyanolyan hatással van a hangsebességre, mint a feszültség. Ez a kristálytani textúrát, a mikro-feszültséget, többszörös fázisokat, koherens precipitátumokat, összetétel gradienst, a diszlokáció sűrűséget és azok eloszlását foglalja magába. Barkhausen-zaj analízis [131] A mágneses Barkhausen-zaj ferromágneses anyagok mágnesezettségének változásakor fellépő jelenség, amely az alábbi egyszerű kísérlettel mutatható be. Egy vasrudat (V) körülvevő indukciós tekercs kivezetéseit erősítőn (E) keresztül hangszóróra (Hsz) csatlakoztatjuk (80. ábra)

80. ábra: A mágneses Barkhausen-zaj bemutatására szolgáló kísérlet vázlata Ha a vasmagra változó mágneses tér hat, zajként jelentkezik a hangszóróban, ez a mágneses Barkhausen-zaj ( A továbbiakban MBN ). A MBN függ a mágneses tértől, a vasmag anyagának mikro-szerkezetétől és az anyagban lévő mechanikai feszültségtől. A fenti kísérletnél a mágneses tér változását állandó mágnes 85

mozgatásával alkalmazunk.

érhetjük

el.

Méréstechnikai

alkalmazásoknál

váltóáramú

gerjesztést

A mágneses Barkhausen zaj keletkezése Ha egy ferromágneses anyag mágnesezettségét külső mágneses térrel változtatjuk, akkor a mágneses tér változása során az anyagban a mágneseződés nem folyamatosan, hanem sok apró diszkrét ugrással - Barkhausen ugrások - megy végbe. Az egyes ugrások amplitúdóját, sűrűségét, a mágnesező tér értékétől való függését - és ezzel a Barkhausen-zaj spektrumát - a kérdéses anyag mikrostruktúrája és az anyagban lévő mechanikai feszültség határozza meg. A 81. ábra ferromágneses anyag mágneses hiszterézis görbéjének felvételénél mutatja a Barkhausen ugrások és a MBN alakulását.

81. ábra: Barkhausen ugrások a mágneses hiszterézis görbén. A ferromágneses anyag mágneses tulajdonságait alapvetően meghatározza az, hogy ezek az anyagok azonos orientációjú mágneses dipólusokat tartalmazó ún. mágneses doménekből épülnek fel (82. ábra).

82. ábra: Ferromágneses anyag doménszerkezete Minden egyes domén telítettségig mágnesezett, de különböző irányítottságú és, ezért az eredő teljes mágnesezettség gyakorlatilag nulla.

86

A doméneket átmeneti rétegek, kb. 0,1 nm vastagságú doménfalak választják el egymástól. Az egyes domének ún. könnyű mágnesezettségi iránya egymáshoz viszonyítva 90° és 180° os lehet (83. ábra). Ha egy ilyen anyagot változó értékű - például növekvő - mágneses térbe helyezünk, akkor azok a domének, amelyeknek irányítottsága megegyezik a külső mágneses tér irányával, először növekedésnek indulnak az ellentétes irányítottságúak rovására (84. ábra) majd egy meghatározott külső térnél az ellentétes irányítottságú domének egymás után, egyenként vagy csoportosan - más és más mágneses térértéknél - befordulnak a külső tér irányába.

83. ábra: Mágneses domének az anyagban

84. ábra: Növekvő mágneses tér hatása a doménekre Az ugrásszerű domén-átfordulások egy külső mérőtekercsben elektromos feszültségváltozásokat indukálnak. Ezeket az időben és amplitúdóban véletlenszerűen változó elektromos jeleket nevezik mágneses Barkhausen-zajnak. A domének mérete és alakja függ a kémiai összetételtől, textúrától, szemcsemérettől és a szennyezésektől. A domének mérete általában azonos vagy kisebb, mint a szemcseméret. Szemcsehatárokon, inhomogenitásoknál a domének irányítottsága eltér a 90° és 180° - tól. A Barkhausen ugrásoknak alapvetően két oka lehet: - az anyag ideális szerkezettől való eltérése - és/vagy mechanikai feszültség. Az első esetben szemcsehatárok, zárványok kötik meg a doménfalat, amely növekvő térerősség hatására ezekről mintegy lepattan (85. ábra)

87

85. ábra: Doménfal mozgása növekvő mágneses tér hatására zárvány jelenlétében A második esetben a mechanikai feszültség hatására megváltozik a doménszerkezet (86. ábra).

86. ábra: Doménszerkezet változása növekvő mechanikai feszültség hatására A legtöbb ferromágneses anyag mágnesezésekor méretváltozás is fellép, ez a magnetostrikció (87. ábra).

87. ábra: Mágneses tér növekedése által létrehozott méretnövekedés: pozitív magnetostrikció Ez hoz létre kapcsolatot a mechanikai feszültség-tér és a mágneses tér között. Az anyagra ható mechanikai feszültség segíti, vagy gátolja a mágnesezéskor fellépő méretváltozást, és ezzel növeli vagy csökkenti a Barkhausen ugrások számát. Így válik mérhetővé a mechanikai feszültség a magnetostrikciót mutató anyagokban. 88

Mágneses Barkhausen zaj nem csak mágnesezéskor keletkezik, hanem a mechanikai feszültség változásakor is: ilyenkor a feszültségváltozás doménmozgást - Barkhausen ugrásokat - eredményez. A mágnesesen vagy mechanikusan mozgásra késztetett domének mechanikai zajokat, úgynevezett akusztikus Barkhausen-zajt is keltenek. Ennek a zajnak a vizsgálata a 88. ábrán vázolt elrendezés.

88. ábra: Barkhausen-zaj mérés Mágneses memória módszer A mágneses memória módszer egy passzív roncsolásmentes vizsgálat, amely az alkatrész visszamaradó mágneses mezejének az erősségét használja fel, mint diagnosztikai jelet. A fizikai alapja a következőkből áll: a magneto-mechanikai hatás, a mágneses mezők diszkontínuitása (folytonosság hiánya), amelyek a szerkezeti különbségek által jön létre, illetve a mágneses mezők kölcsönhatásából adódik. A módszer az anyagban lévő feszültségkoncentrációt lokalizálja. A hegesztett kötéseket általában nem szokták felület előkészíteni roncsolásmentes anyagvizsgálat előtt. Ennél a módszernél viszont fontos a felület előkészítése. A vizsgálat során végigpásztázzák a felületet, merőlegesen a hegesztési varratra, hogy mind a hegesztett kötést, illetve a hőhatás övezetet is magába foglalja a vizsgálat.

89. ábra: Egy hegesztési varrat radiogramja Elmozdulás mérésre alkalmazott technikák [123] Az elmozdulás meghatározására a következő módszereket alkalmazzák: - Mechanikus elmozdulás mérők 89

-

Ellenállás alapú elmozdulás mérők Optikai elmozdulás mérők Kettőstörésen alapuló módszer Diffrakciós módszer Ultrahangos módszer Mágneses módszer

Mechanikus elmozdulás mérők A mechanikus elmozdulás mérőket, mivel pontatlanok, gyenge a térbeli felbontásuk, és nem hatékonyak, ezért nem is tárgyaljuk. A mechanikus elmozdulás mérőket megelőzték az elektromos ellenálláson alapuló mérőeszközök. Ellenállás alapú elmozdulás mérők A legtöbb ragasztott ellenállás alapú mérőbélyeg huzalból és fólia anyagból készül. Újabban vannak már félvezető mérőbélyegek is. Ezek sok fajta méretben, alakban és konfigurációban érhetők el egy, kettő, három és négyelemes rozetták formájában. Vannak mérőbélyegek 1 mm-es nagyságban is. A törékeny bevonatok olyan egyszerű és olcsó elmozdulás mérők, amelyek kvalitatív jellegű információt adnak a feszültségmező állapotáról. Arra a területre, ahol a feszültséget szeretnék mérni, egy törékeny lakkréteget visznek fel és ezután távolítanak el egy darabot az anyagból. Miután a lakkréteg megszáradt, és a feszültségmezőt megváltoztattuk, a lakkréteg törése fog információt adni a feszültségmező állapotáról. Miután megfúrtuk a lakkréteggel bevont felületet, a sugár irányú törések húzófeszültséget, a koncentrikus körök pedig nyomófeszültséget fognak jelenteni. Az optikai elmozdulás mérőket tükröződő felület elmozdulásának a nagyítására alkalmazzák; fontos az alkatrész precíz befogása. Ezt úgy alkalmazzák, hogy a visszavert fény elmozdulását mérik anyageltávolítás előtt és anyageltávolítás után, amelyet a feszültségmező megváltoztatása indukált. Más technikák a lézeres eljárást javasolják. Ezek a shearográfiát, interferometriát, a folt korrelációs interferometriát és egyéb eljárásokat foglalja magába. Vikram és más kutatók javaslata szerint, ha az anyag egy kis térfogatát lézeres melegítéssel feszültségmentesítjük, optikai technikával az elmozdulás mérhető, így megállapítható a feszültségmező, amelyet melegítés előtt tartalmazott az anyag adott térfogata. Viszont fel kell ismernünk, hogyha az anyag egy kis térfogatát elegendően felmelegítjük, az azon a helyen húzófeszültséget fog eredményezni és ez hátrányos arra az alkatrészre nézve, amelyben a mérést szeretnénk végezni. Kettőstörő módszerek Terhelés alatt az átlátszó anyagok duplán törik meg a fényt, és ha egy polarizált fénynyaláb halad át a modellen, amelyben feszültség van, egy színes kép nyerhető. Ezt a technikát fotoelasztikus technikának nevezik. Azt az alkatrészt, amelyben a feszültséget szeretnénk mérni, egy fotoelasztikus bevonattal bevonjuk. Miután feszültség változást indukálunk az

90

anyagban, az elmozdulás továbbítódik a polimer bevonatra, amely ezután kettőstörővé válik. Ezt egy ún. polaroszkoppal lehet mérni. A fotoelasztikus bevonatot úgy alkalmazzuk, hogy ecsettel bekenjük a minta felületét és hő segítségével polimerizáljuk azt. A maximális elmozdulás, amelyet mérni tudunk az 3%-tól 50%-ig terjed, attól függően, hogy milyen bevonatot alkalmazunk. Az elmozdulás mérési érzékenysége úgy csökken, ahogy nő a maximum mérni kívánt feszültség. 3.1.2. Az autóiparban alkalmazott jellemző technológiák, amelynél a maradó feszültsége előfordul, vagy előfordulhat és mérésüknek van jelentősége, akár minősítés, akár gyártástechnológia tervezés tekintetében Autóiparban alkalmazott méréstechnikák Roncsolásmentes eljárások Az irodalomkutatás során azt a következtetést vontuk le, hogy az autóiparban főleg a roncsolásmentes vizsgálatok azt elterjedtebbek. A diffrakciós módszereket széles körben alkalmazzák egyes autóipari alkatrészek vizsgálatára. Ilyen alkatrészek pl. hidegen tekercselt teleszkóp rugók, laprugók, tárcsafékek, különböző fogaskerekek, tengelyek. Kevésbé elterjedt eljárások közé tartoznak a minta roncsolásával járó technikák, mint pl. alumíniumból készült motorblokkok szeletelése. Husson és társai [135] fogaskerékben gyártás okozta maradó feszültséget mértek röntgen diffrakcióval tengely és tangenciális irányba. A 95%-os ferrittartalomnak köszönhetően a diffrakciós csúcsok vékony, intenzív értéket mutattak. A mérési pontosság ±30 MPa volt. A kovácsolást és a megmunkálást követően három különböző feszültségmentesítő hőkezelés után határozták meg a maradó feszültséget. Első esetben nem történt feszültség oldás, második esetben 200°C-on 4 órás hőntartás után, harmadik esetben 600°C-on 4 órás hőntartás után végezték a mérést. Ennek következtében a feloldott feszültség a fogaskerék fogazatának deformációjában mutatkozott meg. A mérési sorozatból azt a következtetést vonták le, hogy a nagy értékű maradó feszültség nagy fog deformációt okoz. A maradó feszültség nagysága és iránya nem került megfigyelésre. Következtetésként a fogaskerék gyártási folyamata során figyelembe kell venni a maradó feszültséget és a folyamatok sorrendiségét, hogy a káros deformációk mértéke csökkenthető legyen. A megmunkálási folyamatot szintén nyomon kell követni. Maurice és társa [136] féktárcsák maradó feszültségét vizsgálták neutron diffrakciós módszerrel. A féktárcsák felmelegedése során a helyi súrlódás következtében deformálódhatnak, amely a pedál rángatózásában mutatkozik meg. A mérést kopott féktárcsán végezték 90°-onként, egy rácsformát alkalmazva, 20 mérési ponton. A mérések kimutatták, hogy húzófeszültség alakult ki a féktárcsa vastagsága mentén, amely elhajlította a kerékagytól a tárcsát. Ezek az elmozdulások elcsavarodáshoz és a pedál rángatózásához vezethetnek. Matejicek és társai [137] hidegen tekercselt teleszkóp rugókat vizsgáltak neutron diffrakcióval. A vizsgálat során azt tapasztalták, hogy a tekercselés hatására nagymértékű feszültség lép fel. Az eredmények azt mutatták, hogy a rugókban tangenciális irányban húzófeszültség lép fel, míg radiális és axiális irányban elenyésző a feszültség mértéke, amelyet feltételezhetően az alakítási keményedés okoz. Lágyító hőkezelés hatására a kezdeti érték 1/5-ére csökkentették a húzófeszültség értékét. A lágyítás hőmérsékletét 56 K-nel megemelve további 35%-os feszültségcsökkentés lépett fel.

91

Roncsolásos eljárások Carerra és társai [138] alumínium öntvényből készült, I-4 (soros 4 hengeres), illetve V8-as elrendezésű motorblokkokat vizsgáltak. Két henger közötti, legkeskenyebb pontra mérőbélyegeket helyeztek, majd ezután történt a blokkok szeletelése. A mérésből azt a következtetést vonták le, hogy abban az esetben, amikor a motorblokk öntése belső acél béléssel készül el, húzófeszültség alakul ki. Ezt az acélból készült belső bélésre vezették vissza, mivel más a két anyag hőtágulási tulajdonsága. A húzófeszültség értéke meghaladta a 150MPa-t. Abban az esetben, ahol nem volt belső acél bélés a maradó feszültség értéke a hengerek közti falban 20 MPa nyomófeszültség volt. További mérési eredményként szolgál, hogy a maradó feszültséget befolyásolja a blokkok térfogata és a belső acélfal vastagsága. V8as motorblokkok esetében a 160 MPa-os belső feszültség lecsökkent 120MPa-ra azzal, hogy a 3,4 mm-es falvastagságot megnövelték 4,8 mm-re. A [119] alapján egy táblázatos összefoglalást (27. táblázat) készítettünk a különböző megmunkálási technológiák esetén alkalmazott mérési módszerekről. 27. táblázat: Megmunkálási technológiákhoz köthető mérési módszerek [119] Maradó feszültség mérési módszer

Megmunkálás

Röntgen diffrakció

Bevonatolás

EBSD (elektron diffrakciós visszaverődés)

Ultraprecíziós gyémántesztergálás, marás

Barkhausen-zaj módszer

Csiszolás

Raman spektroszkópia

Beszúró esztergálás

Akusztikus emisszió vizsgálat

Kemény esztergálás

Újrakristályosításon alapuló módszer

Ortogonál esztergálás

A mérési módszerekről, azok pontosságáról és jellemző tulajdonságairól egy összefoglalást ad a 28. táblázat.

92

28. táblázat: Mérési módszerek összefoglaló táblázat [59] Eljárás

A vizsgálat behatolási mélysége

Felbontás

Pontosság

Megjegyzés Síkbeli, elsőrendű feszültség állapot mérésére alkalmas, fél roncsolásos technika. Ismert növekvő feszültségű minden tekintetben azonos darabokhoz viszonyítva számítható a maradó feszültség, így is csak síkbeli elsőrendű feszültségek mérhetőek. Roncsolásmentes eljárás, csak a felület közeli rétegek vizsgálatára alkalmas. Érzékeny a felület minőségére, csúcs eltolódásram I,II és III rendű feszültségeket is kimutat.

Lyukképzés, a lyuk deformációjának vizsgálata

~1,2x furat átmérő

50 μm mélység

± 50 MPa a behatolási mélység korlátozza az érzékenységet

Almen teszt, próba darab elhajlásának mérésén alapuló feszültség meghatározási módszer

0,1-0,5x vastagság

0,05x vastagság

A minimális görbület mérhetősége

Röntgen diffrakció

<50μm (Al); < 5μm (Ti); < 1 mm felület leválasztás esetén

1 mm

± 20 MPa nem lineárisan változik, függ a felületi érdességtől

20 μm, 1mm

±10x10-6 alakváltozás. A szemcseméret eloszlástól meghatározott

~lágy röntgen, nagyobb mélységet sugároz be.

Neutron diffrakció

200 mm (Al)> 25 mm (Fe); 4 mm (Ti)

500 μm

± 50x10 alakváltozás, feszültségmentes etalon kell

A neutronok gyorsítása komoly nehézséget jelent, az adatgyűjtés is csekély hatásfokú, a röntgen diffrakciónál lényegesen költségesebb.

Ultrahangos vizsgálat

>100 mm

5 mm

10 %

Szerkezet érzékeny.

Kemény röntgen diffrakció

150-50 mm (Al)

-6

Mágneses vizsgálat

10 mm

1 mm

10 %

Raman spektroszkópia

< 1μm

< 1 μm megközelíthetőlege sen

Δλ≈0,1 mm-1 ≡50 MPa

93

Érzékeny a mikro szerkezet milyenségére, kizárólagosan ferromágneses anyagok vizsgálatára alkalmas, I, II és III rendű feszültségek meghatározására is alkalmas. A vizsgálat felületi réteg vastagsága ennél a módszernél a legkisebb.

4. Technológiai maradó feszültségek hatásának elemzése a hegesztett járműipari szerkezetek integritására és élettartamára A különféle szerkezetek károsodás mechanizmusainak vizsgálatával és élettartam számításával a szerkezetintegritás foglalkozik. A szerkezetintegritás egy döntően mérnöki ismereteket integráló tudományterület, feladata annak eldöntése, hogy egy adott szerkezet, létesítmény milyen feltételek mellett üzemeltethető a továbbiakban, illetve mennyi a maradék élettartama és ez milyen módon menedzselhető. Ahhoz, hogy a szerkezet állapotát a lehető legnagyobb biztonsággal felmérhessük – ebből adódóan a további üzemeltethetőség feltételeit a legkisebb kockázattal megbecsüljük – elengedhetetlen az, hogy  diagnosztikai vizsgálatokkal felmérjük a szerkezet állapotát, 

tisztázzuk a valóságos üzemi körülményekre jellemző mechanikai állapotát,



megítéljük a beépített anyagok károsodásának folyamatát és mértékét az adott üzemeltetési feltételek mellett.

Nyilvánvaló egyrészt az, hogy az előzőkben említett három fő terület (méréstechnika – mechanika – anyagtudomány) egyforma jelentőséggel bír a szerkezet integritásának megítélésében és bármelyik terület elhanyagolása, súlyának csökkentése hibás döntéshez, esetleg katasztrófákhoz vezethet. Nyilvánvaló másrészt az, hogy minden műszaki döntésben, így az üzemeltethetőség feltételeinek megítélésében is, bizonyos kockázat rejlik, hisz a tudomány adott szintjét hasznosítjuk és a rendelkezésre álló eszközök ma is az adott kor színvonalát képviselik. Ebből adódóan mérlegelni kell az esetleges hibás döntés műszaki, jogi, közgazdasági és környezetvédelmi következményeit. Ezek együttes figyelembevételével viszont már kialakíthatók az ésszerű kockázatvállalás feltételei [60]. Manapság a hegesztés a fémszerkezetek legáltalánosabb kötéstechnológiája. Ennek az ipari alkalmazása kifejezetten fontos, hiszen a legtöbb nagy szerkezetek vagy autók, járművek gyártása, vagy összeállítása a korszerű hegesztési technológiák alkalmazása nélkül nem jöhettek volna létre. A mérnöki szerkezetekben előforduló hibák általánosak manapság, annak ellenére, hogy a gyártási rendszerek modern eszközei igen kifinomultak. Számítógéppel segített tervezés, végeselemes feszültség analízis, számítógépesített adatbázis az anyagok tulajdonságairól és rengeteg folyamatszimuláló eszköz áll rendelkezésre a mérnökök számára. Ezen kívül, az elmúlt 20-30 évben a nemzeti és nemzetközi törvények és szabványok is változtak az iparban, ez kifejezetten új irányelvet ad sok kérdésben, mint mondjuk az anyagválasztás, tervezési módszerek, szabványosított terheléstörténetek és biztonsági tényezők. A szerkezetek és alkatrészek vizsgálata megmutatja, hogy a hibák legtöbbször illesztéseknél és a hegesztett varratoknál indulnak meg. Fémek hegesztése esetén, számos nemkívánatos tényezővel is számolni kell, többek között a mikroszerkezetek és mechanikai tulajdonságok változása, maradó feszültségek ébredése, stb. Az üzemelési körülményektől és a terheléstől függően számos különböző mechanizmussal keletkezhetnek hibák. Az üzem közben megjelenő hibáknak rengeteg oka lehet:  a terhelések és ciklusok ismeretének hiánya, 

az üzemelési körülmények ismeretének hiánya,



a tervezési élettartam helytelen leírása, 94



a tervezési módszerek helytelen használata,



nem megfelelő tulajdonságú anyagok használata,



az anyag és hegesztés-technológia helytelen megválasztása [104].

A hegesztett szerkezetek szilárdsági elemzése nem igazán tér el a többi szerkezeti típustól. A gyártás során figyelni kell arra, hogy a különféle fáradási mechanizmusokat elkerüljük, továbbá a megfelelő anyagválasztás is lényeges. A tervezési paramétereket, úgy, mint a folyás, vetemedés, kúszás, korrózió és törés, figyelmesen kell ellenőrizni. Az viszont tény, hogy a hegesztett szerkezetek érzékenyek a fárasztó igénybevétellel szemben, ugyanis le kell győzniük az ismétlődő feszültségeket. A fáradási repedések főként a varrat környezetében alakulnak ki és növekednek a szerkezet élettartama alatt, még akkor is, hogyha a dinamikus feszültségeket csökkentik, és jóval a folyáshatár alá viszik. Feszültségcsökkentő hőkezelés nélkül a sarokvarratokban a maradó feszültségek egybeesnek a lemezek síkjával és repedést hozhatnak létre. Viszont, ha egy acélból gyártott szerkezetben lévő maradó feszültség a repedésszétnyílás ellen hat, akkor ez a feszültség igyekszik bezárni a repedést így a fáradási élettartam a többszörösére nőhet. Vagyis nyomó maradó feszültségek hatására a repedésterjedési sebesség lecsökkenhet, ha húzó maradó feszültség van a hegesztett lemezben, az viszont növeli a repedésterjedés sebességét. A kompozitokban lévő maradó feszültségek befolyásolják a repedés növekedés irányát, növelik a törési szívósságot. A nyomó maradó feszültségek pozitívan befolyásolják a repedés keletkezésének és terjedésének tulajdonságait nano-szerkezetű rétegzett fémlemezekben. Az egymáson gördülő alkatrészekben lévő megfelelő eloszlású nyomó maradó feszültségek is növelik a repedéskeletkezéssel és repedésterjedéssel szembeni ellenállást. Ebben a fejezetben a járműiparban használt hegesztett szerkezetek legjellemzőbb károsodás mechanizmusait fogjuk vizsgálni, a maradó feszültség függvényében: törés, kifáradás, korrózió, hidrogén okozta károsodás, illetve ezek interakciója.

4.1. Törés A törés tulajdonképpen az anyagfolytonosság megszakadását jelenti. Repedések megjelenésével kezdődik, majd a terhelés folytatása során a repedések elkezdenek terjedni. Ha a terhelést nem szüntetjük meg a szerkezeten, a repedés addig terjed, míg az anyag szétválik, tehát eltörik. Két fajtáját különböztetjük meg, a képlékeny- és a ridegtörést. Képlékeny törés esetén a tört felület felszíne egyenetlen, a károsodás bekövetkezte előtt az anyagban képlékeny alakváltozás lép fel. Ezzel ellentétben a ridegtörés hirtelen bekövetkező jelenség, minimális képlékeny alakváltozás előzi meg.

95

90. ábra: Egy Liberty típusú hajó törése San Diegoban Fémszerkezetekre és alkatrészekre vonatkozó törési kritériumokat tartalmaz a FITNET Fitness for Service [106] című gyűjtemény Törési Modulja, amellyel a folytonossági hiányokat és a képlékeny alakváltozás következtében létrejövő tönkremenetelt lehet értékelni. A jelenlegi gépipari technológiákban ezeknek nagyon fontos szerepe van. Az eljárás azon az elven alapul, hogy a gyártási hibák következtében a terhelés hatására a meglévő repedések növekedésnek indulnak. Az alkalmazott terhelés felülmúlja az anyag repedésszétnyílással szembeni ellenálló képességét. Az anyagnak a repedés terjedésével szembeni ellenálló képességét törési szívósságnak nevezzük. Ez az eljárástervezés, gyártás, minőségellenőrzés és üzemeltetés alatt is alkalmazható. a) Tervezési szakasz: ebben a szakaszban a módszert használhatjuk arra, hogy feltételezett síkbeli folytonossági hiányokat értékeljünk és meghatározzuk a szükséges anyagi tulajdonságokat, tervezési feszültségeket, vizsgálati módszereket és intervallumokat, valamint az elfogadási kritériumokat. b) Gyártási és minőségellenőrzési szakasz: A módszer alkalmas arra is, hogy a gyártási fázis alatt a munkadarabot egy adott célnak megfelelően értékeljünk, hogy megfelelőe, adott terhelést el fog-e bírni, alkalmas lesz-e az üzemeltetésre. Viszont ez az eljárás nem alkalmas arra, hogy a hiányos szakmai tudást kiszűrje, viszont meg kell vizsgálni ezt a tényezőt is, hiszen előfordulhat emberi hibából is repedés a szerkezeten, illetve nagyon fontos a gyártási szabályok betartatása. Ha a pillanatnyi gyártási állapotban észrevesznek egy elfogadhatatlan szerkezeti hiányosságot a következőket kell tenni: a. a gyártási folyamatok során keletkező hibákat helyre kell állítani, b. vagy a gyártás befejezése után a hibás terméket ki kell javítani. c) Üzemeltetési állapot: Ezt az eljárást alkalmazhatjuk arra is, hogy meghatározzuk a szerkezet, vagy alkatrész üzemeltetése folytatható-e, biztonságos-e a jelen állapotában. Ezt a módszert olyan esetekben is tudják használni, amikor a javítási és ellenőrzési folyamatoknál hibát észlelnek, akkor e módszer segítségével meghatározható, hogy a kijavításig a szerkezet tovább üzemeltethető-e biztonságosan. Az eljárás alkalmazható szerkezetek, berendezések üzemidejének meghosszabbítása során az élettartam számítások igazolásánál.

96

A törési vizsgálat három paraméterre vonatkozik:  az anyag töréssel szembeni ellenállása, 

törési geometria,



alkalmazott feszültségek, beleértve a maradó feszültségeket is.

Ezek közül, ha kettő ismert, a harmadik paramétert meg lehet határozni törésmechanikai összefüggésekkel. Lehetőség van: 1. Egy új alkatrész tervezésénél a posztulált repedések vizsgálatára. A repedés dimenzióit úgy kell megválasztani, hogy egy adott ellenőrzés, vizsgálat során a hiba nagy valószínűséggel detektálható legyen. A kritikus repedés méretet tudni kell ahhoz, hogy a követelményeket pontosan meg tudjuk határozni a minőségellenőrzés során. 2. Üzem közben talált repedés mellett, a szerkezet további üzemeltethetőségének eldöntésére. Amennyiben szükséges, a terheléseket csökkenteni kell a kritikus állapot elkerülése végett. Ha az elemzést kiegészítjük egy fáradásos repedésterjedési vizsgálattal, akkor a megbecsülhető a szerkezet maradó élettartama.

A törésmechanikában megkülönböztetünk elsődleges és másodlagos feszültségeket. Az elsődleges feszültségekbe, azokat soroljuk, amelyek hozzájárulnak az anyag képlékeny összeomlásához. A másodlagos feszültségek erre alkalmatlanok, viszont hozzájárulnak a képlékenység kialakulásához. A maradó feszültségek jellemzően másodlagos feszültségek, melyeket a törések értékelésénél, egy úgynevezett lineárisan rugalmas feszültség intenzitási tényező segítségével vesznek számítása. A feszültség intenzitási tényező nem más, mint a feszültség mezőben lévő repedéscsúcs szingularitásnak az amplitúdója [105]. A törés, minden esetben repedéskeletkezéssel vagy a szerkezetben már meglévő eltérések esetén repedésterjedéssel indul. Ezek az eltérések lehetnek különféle felületi bemetszések vagy a hegesztés során a varratban kialakult hegesztési eltérések is, melyek három átfogó kategóriába tartoznak:  Éles repedésszerű, síkbeli eltérések, amelyek csökkentik a hegesztett varratok kifáradási szilárdságát. Pl.: hidrogén okozta repedések, hiányos összeolvadás, réteges tépődés, meleg repedések.  A térfogati eltérésekbe a porozitás és a salakzárványok tartoznak. Mivel az ilyen típusú hiányosságok közel gömbszerűek, csekély bemetszési hatásról számolhatunk be, így általában kevéssé, vagy nem befolyásolják a fáradási viselkedést.  Alak-, és méreteltérésekbe többek között, az éleltolódás, túlzott varratdudor, szélkiolvadás, pikkelyesedés tartozik bele. A geometriai eltérések hatására a feszültség helyileg megnövekszik az alapfeszültségen felül. A gyártás során kialakuló véletlenszerű éleltolódások nem megengedettek a tervezés során, mivel azok korai tönkremenetelhez vezetnének [104]. A hagyományos törésmechanikában egy anyag repedésmegindulással szemben való ellenállását JIC-vel, vagyis a J-integrál kritikus értékével határozhatjuk meg. A gyakorlatban a fémek törési szívósságát Charpy-féle ütővizsgálattal határozzák meg. Ennek egyik lehetséges mérőszáma a KCV vagyis a fajlagos ütőmunka értéke. Habár ez egy kvalitatív mérőszám, korábbi tanulmányok empirikus kapcsolatot állapítottak meg a KCV felső határa és az alapanyagok törési szívósságának mennyiségi mértékei között. A KCV felső határa és a JIC közötti empirikus korreláció a következő képlet alapján határozható meg: 97

J ICKCV 

 127 Fy2  5.11  KCV   0.05   E  Fy 

(7)

ahol J ICKCV az empirikusan meghatározott J-integrál a törési szívósságra, KCV a fajlagos ütőmunka felső határa, Fy az anyag folyáshatára, E a rugalmassági modulus. Így, ha a KCV minimális értékei ismertek, akkor a törési szívósság paramétereket felhasználva a J ICKCV értékek a fent említett egyenlet alapján kiszámíthatóak, és felhasználhatók a törés előrejelzésére, a JIC-hez hasonló módon.

91. ábra: Rideg-szívós törés Charpy próbatesten A hegesztett szerkezeteknek vannak bizonyos velejáró problémái, amely az értékek kiszámítását és szimulációját nehézkessé teszik. Az első ilyen probléma, a próbatestek kimunkálása a hegesztett varratból, annak mérete vagy elhelyezkedése miatt. ilyenkor szabványos leélezésű varratból kell próbatestet kivenni, ahol azonos hozaganyagot használtak, mint a vizsgálandó varratnál. Ilyen esetben a próbatest és a vizsgált terület szívóssági és egyéb anyagtulajdonságai nem lesznek azonosak, a hűlési idők különbözősége és az eltérő varratrétegek miatti hőkezelés mértéke miatt. A második ilyen probléma a maradó feszültségek jelenléte a hegesztett szerkezetekben, amelyeket nehéz meghatározni, és ennek következtében nehéz őket reprodukálni a mintákban, illetve a végeselemes modellekben. Végül az alapanyaggal ellentétben, a hegesztett varratok anyagi tulajdonságai igen változatosak, jelentkezhet anizotrópia. Különbségek lehetnek az alapanyag és a varrat anyaga között [64]. A hegesztési eljárások hatása a keletkező maradó feszültségek szemléltetésére kutatásokat végeztek egy program keretében, mely a törésmechanikai tulajdonságok meghatározásával foglalkozik plazmaívhegesztéssel készült alumínium varratokon. A kutatók repedésterjedési vizsgálatokat végeztek CCT és CT próbatesteken. A két próbatest közötti különbség a maradó feszültségek, amelyek a CT próbatestben nem jelentek meg, jóval kisebb mérete miatt. A vizsgálatok eredményei teljes mértékben hasonlóak ahhoz az esethez, amikor egy anyagban repedés terjed egy hegesztett szerkezet varratában. A maradó feszültségek jelenlétében a 98

repedések nagyon lassan is terjedhetnek. A vizsgálatokat a nem hegesztett szerkezetekre is elvégezték, és összehasonlították az eredményeket. A repedésterjedés sebességét vizsgálták, mind a varrattal párhuzamosan, mind arra merőlegesen. Megfigyelték, hogy a varrattal párhuzamosan, ahol a maradó feszültségek hatása elenyésző, a plazmaívhegesztéssel készült alumíniumkötések nincsenek káros hatással a repedésterjedési sebességre. GTAW eljárás esetén, azonban nő a repedésterjedés sebessége. A varratra merőlegesen, a repedésterjedési sebességet a CCT próbatesteknél magasabb volt, mint a CT próbatestek esetében, amely a CCT próbatestekben lévő húzó maradó feszültségekkel magyarázható. A plazmaívhegesztéssel készített alumínium lemezek maradó feszültségét megvizsgálták előrepesztett és repedést nem tartalmazó próbatesteken is, így lehetővé vált egy tényleges feszültségarány meghatározása [72].

92. ábra Hosszirányú maradó feszültségek a hegesztett szerkezetben

93. ábra: Maradó feszültség a repedéscsúcsnál és a tényleges feszültség arány a repedés hosszának függvényében [72]

99

4.2. Kifáradás Kifáradás alatt a szerkezet progresszív helyi és végleges megváltozását értjük, amely ismétlődő vagy fluktuáló alakváltozásnak kitett anyagokban jelenik meg olyan névleges feszültség értékek mellett, melyek kisebbek (sok esetben jóval kisebbek), mint az anyag folyáshatára. A fáradásos károsodást a folyamatos, ciklikus feszültségek, húzófeszültségek és képlékeny alakváltozás okozzák. Ha ezek közül valamelyik nem alakul ki, nem következik be repedéskeletkezés és terjedés. A ciklikus feszültség okozta képlékeny alakváltozás hatására megindul a repedéskeletkezés, a húzófeszültségek, pedig a repedésterjedést segítik elő. Habár a nyomó feszültségek nem okoznak kifáradást, a nyomó terhelések hatására kialakulhatnak helyi húzófeszültségek.

94. ábra A maradó feszültségek hatása a feszültség ciklusokban A fáradásos tönkremenetel során a repedésszerű hibáktól mentes fémben, mikro-repedések alakulnak ki, majd azok egymással egyesülve vagy terjedve, makro-repedéseket formálnak, melyek addig terjednek, amíg be nem következik a törés. Ezek a mikro-repedések kialakulhatnak a szerkezetben hegesztés, hőkezelés vagy mechanikus megmunkálás hatására [104]. A FITNET [106] kifáradási modulja egy értékelési eljárás sorozatot mutat be, melyben nyomon követhető miként kell megvizsgálni egy fáradásos tönkremenetelt. Periodikus és váltakozó tönkremeneteleket vizsgálnak főként. Két eset létezik: 1. Nincs korábban keletkezett repedés. A vizsgálat célja, hogy meghatározzuk a fáradási tönkremenetelek felhalmozódását a kritikus helyeken. Ebben az esetben az alap megközelítés az, hogy meghatározzuk a váltakozó feszültségek tartományát az adott helyeken, és a megfelelő kifáradási görbéhez kapcsoljuk azt. Három különböző módszer (1, 2, 3) javasolt, attól függően, hogy feszültséget vagy nyúlást választunk az értékelés alapjául. 2. Egy valós vagy posztulált repedés van jelen, cél a kifáradási élettartam meghatározása. Két módszert (4, 5) lehet használni, az egyik a fáradásos repedésnövekedés elemzés, a másik pedig a Wöhler görbék használata. Az előbbi módszert a síkbeli repedések esetén, vagy olyan esetben javasolják, amikor szükséges a síkbeli, vagy nem-síkbeli

100

repedések növekedésének számszerű értékének meghatározása. A másik módszer csak nem síkbeli repedéseknél alkalmazható.

Ezek alapján öt lehetséges módszer van a kifáradás értékelésére: 1) módszer: Névleges feszültség segítségével fáradásos tönkremenetel vizsgálat Ebben az eljárásban a névleges rugalmas feszültségeket veszik figyelembe a főterhelési területek környékén. Hegesztett szerkezetek esetén a kifáradási élettartamot Wöhler görbékből határozzák meg. A helyi geometriai, hegesztési, mikro-szerkezeti hatások és a maradó feszültség figyelembevétele a Wöhler görbéken keresztül történik. Az IIW (International Institute of Welding) által kiadott útmutató alapján történik az értékelés. Változó terhelések esetén a Palmgren-Miner lineáris halmozódó károsodás szabályt lehet alkalmazni. A megengedhető névleges feszültséget a szerkezetben, a terhelés hatására ébredő feszültség érték alapján származtatják. 2) módszer: Kifáradás értékelése szerkezeti forró pont feszültség vagy bemetszési feszültség alapján. Ebben a módszerben a megfelelő szerkezeti feszültségeket a szerkezet egy kritikus környezetében képletek alapján számítják ki. Két megközelítés lehetséges: 

szerkezeti feszültségek kiszámítása és a megfelelő Wöhler görbék használata



bemetszési feszültség meghatározása feszültség koncentrációs tényezők segítségével, mint a Kt és Kf, majd a megfelelő Wöhler görbék használata.

3) módszer: Lokális feszültség-alakváltozás módszeren alapuló kifáradás értékelés Ez a módszer, főként a nem hegesztett szerkezetek értékelésére irányul, az előre látható alakváltozások közvetlen számításával. Az anyag viselkedésének leírása rugalmas, illetve rugalmas-képlékeny módon történik. A kifáradási élettartamot ezután az alakváltozási tartomány- ciklusszám alapján, vagy a Manson – Coffin törvény alapján határozzák meg. Az értékelés felhasználható törésmechanikai számításra a repedésnövekedés meghatározására. A károsodás halmozódást ciklusról-ciklusra számítják. A nemlineáris hatások figyelembevételére is van lehetőség, amennyiben szükséges. 4) módszer: Fáradásos repedésterjedés Ez az eljárás azokat a detektált vagy posztulált síkbeli repedéseket értékeli, amelyeket makro-repedésként vehetünk figyelembe. A kezdeti repedés pozíció, méret és orientáció két módon határozható meg: a felfedezett méreten alapuló roncsolásmentes vizsgálattal vagy posztulált repedéssel, figyelembe véve az üzemelési tapasztalatokat, gyártási eljárást, a roncsolásmentes vizsgálati módszer felbontóképességét, a feszültségintenzitási tényező küszöbértékét, stb. A Paris törvény alapján a fáradásos

101

repedésnövekedés előrejelezhető. A Foman – Mettu egyenlet alapján egy kifinomultabb módszer is alkalmazható. 5) módszer: Nem-síkbeli hibák értékelése A nem-síkbeli repedések értékelését néha ugyanazzal a módszerrel végzik el, mint a síkbeli repedéseknél, ahogy az a 4. módszer esetén is olvasható, azonban mivel ezek a hibák nem repedésszerűek, így ez konzervatív eredményhez vezet. Azonban ez az egyetlen alkalmazható módszer a repedésterjedés számszerű meghatározására. Egyébként az 1. módszer, Wöhler görbékkel használható hegesztési varratok értékelésénél, amennyiben az ekvivalens kifáradási szilárdság nem-síkbeli hiba esetére lett meghatározva. Jelenleg ez a módszer csak felület közeli salakzárványok vagy acél és alumínium ötvözetek tompavarrataiban található porozitások értékelésére használható. Feszültségintenzitási tényező számítása: A legáltalánosabb alakjában a feszültségintenzitási tényező KI, az alábbi módon határozható meg:

KI   0  a

(8)

ahol σ0 a névleges feszültség mező, a pedig a repedés mélysége. Fárasztó igénybevétel esetén ismerni kell a feszültségintenzitási tényező maximális és minimális értékét is (Kmax, Kmin), ugyanis a számításoknál a kettő különbségéből képzett ΔK feszültségintenzitási tényező tartományt használják. K  K max  K min

(9)

K max  K r  r , a   K max  n , a 

(10)

K min  K r  r , a   K min  n , a 

(11)

ahol

és

ahol Kr a feszültségintenzitási tényező és az anyag törési szívósságának hányadosa, σr maradó feszültség és σn a névleges feszültség.

Reff a  

K min K max

(12)

ahol Reff effektív feszültség arány. Az Reff nagyon eltérhet az alkalmazott névleges feszültség aránytól. A maradó feszültséget két módon lehet figyelembe venni a számítások során. Az első az, hogy a ΔK értékekre alapozva választjuk ki a megfelelő C és az m anyagállandók értékeit. A második pedig, hogy az úgynevezett effektív feszültségintenzitási tényező tartományt, ΔKeff határozzuk meg, majd ennek eredményeit használjuk fel a további számításokhoz. 102

K eff  K max  K op

(13)

ahol Kop a repedéskinyíláshoz tartozó feszültségintenzitási tényező. Ahogy az egyenletből is látszik, Reff a repedés mélységétől függ, mivel az önegyensúlyban lévő maradó feszültségek nagymértékű húzó feszültségekből átalakulhatnak nyomó feszültségekké. Ebben az esetben az Reff, és a ΔKeff csökkenni fog a repedésterjedés során. Ez a magyarázat arra, hogy hegesztett varratoknál relatíve miért nagyobb a növekedési sebesség a kisebb repedések esetén, mint nagyobbaknál összevetve feszültségcsökkentett varratokkal. Egy dolgot még meg kell jegyezni, hogy, ha σr(x) nem ismert (mint az esetek nagy többségében), akkor feltételezzük, hogy a konstans maradó húzó feszültség nagysága közel van a folyáshatárhoz. Ez elfogadható egy konzervatív repedésnövekedés becsléséhez [102]. A maradó feszültségek hatását, fáradásos tönkremenetel esetén, az említett lineáris feszültségintenzitási tényezőn kívül, az 1. módszer veszi figyelembe, egy úgynevezett kifáradást fokozó tényező f(R) használatával. Erre a tényezőre R<0.5 feszültség arány esetén van szükség és értéke a maradó feszültségek nagyságaitól és irányaitól függ. Feszültségcsökkentő hőkezelésen átesett varratok esetén: Feszültség (R) R <-1 -1 ≤R ≤0,5 R >0,5

arány f(R) 1,6 -0,4R+1,2 1

Rövid varratot tartalmazó, vékonyfalú, kisméretű egyszerű szerkezeti elemek esetén: Feszültség arány f(R) (R) R <-1 1,3 -1 ≤R ≤-0,25 -0,4R+0,9 R >-0,25 1 Összetett két-; vagy háromdimenziós alkatrészek, illetve globális maradó feszültséggel rendelkező alkatrészek esetén: Nincs fokozás [105]. Fáradás a hegesztett varratokban [105]

95. ábra Térfogati hiba hatása

103

Manapság elfogadott tény, hogy a hegesztési varratok megváltoztatják a ciklikusan terhelt szerkezeti elemek üzemi viselkedését. Ez könnyen belátható, ha összehasonlítjuk egy hegesztett szerkezet kifáradási élettartamát egy egyszerű szerkezetével. A hegesztett szerkezetek kifáradási élettartama tizede is lehet az egyszerű komponensekéhez képest. Ennek a jelenségnek a következtében gyakran látjuk, hogy ciklikusan terhelt hegesztett szerkezetek tervezési feszültségeit a hegesztett szerkezetek kifáradási határa korlátozza. Különböző okai lehetnek annak, hogy a hegesztés miért csökkenti a szerkezet fáradási élettartamát. Ezek az okok a következő kategóriába eshetnek:   

Feszültség koncentrálódás a varrat alakja és a kötés geometriája következtében Hegesztési maradó feszültségek Feszültségkoncentráció a hegesztési eltérések következtében.

A hegesztési maradó feszültségek elég nagyok lehetnek, megközelíthetik, akár az anyag folyáshatárát is. Alapesetben, ezek a feszültségek kiegyenlítik egymást, azonban, ha a szerkezetet ciklikus terhelés éri, a külső feszültségek szuperponálódnak a maradó feszültség mezőbe és a varratban ható effektív feszültségek folyáshatár alatti szintre csökkennek. Ez a csökkenés fluktuáló jellegű. Az egyes ciklusok tartománya nem változik, de az effektív középfeszültségek jelentősen eltérhetnek az alkalmazott középfeszültségektől. A repedésterjedés dominanciája miatt a hegesztett kötésekben valamint a nagy húzó maradó feszültségek miatt a középfeszültség hatása elhanyagolható és a kifáradási élettartamot a feszültség tartomány irányítja. Ezt szemlélteti a 96. ábra.

104

96. ábra: Hegesztési maradó feszültségek hatása a kifáradásra (a) Az alkalmazott feszültség arány hatása a hegesztett kötésekre (b) A feszültségcsökkentés hatása a húzó terhelési ciklus függvényében (c) A feszültségcsökkentés hatása a húzó-nyomó terhelési ciklus függvényében

4.3. Korrózió A járműipari szerkezeteknél a korróziós folyamatok megjelenhetnek önmagukban is, de többek között maradó feszültségek hatására úgynevezett feszültségkorróziós törés is kialakulhat. Korróziónak nevezzük elsősorban azokat a kémiai reakciókat, melyek során a fémek felületéről kiinduló és a fémek belseje felé haladó kémiai vagy elektrokémiai változások során az adott fémfelület roncsolódik. A kémiai reakciók hajtóereje minden esetben a nemesgázszerkezet elérése, így a fémek idővel, a levegő oxigénjével és a levegőben található vízpárával reakcióba lépnek és így alacsonyabb energiaszintre kerülnek. 105

A feszültségkorrózió hatására kialakuló repedések azokat a szerkezeteket veszélyeztetik, amelyek korrozív közegnek és húzó feszültségnek vannak kitéve. Korrozív közegben lévő maradó feszültségek, legfőképpen húzó maradó feszültségek felgyorsíthatják a korróziós folyamatot alumínium ötvözetekben, amely repedéshez vezethet. Egy egyszerű tapasztalati szabály szerint, ha a felületi feszültségek húzó feszültségek, megnövelik az esélyét a feszültségkorróziós repedésnek, az ellentétes nyomó felületi feszültségek pedig lecsökkentik. A feszültségkorróziós repedéssel szembeni ellenállás javítható sörétezéssel. A korrózió az utóbbi évek fő problémájává vált az autógyártók számára. A jégoldó vegyületek alkalmazása az 1950-es évek közepétől a tízszeresére növekedett ÉszakAmerikában. Az autóipar számos módon próbálta megoldani a korrózió káros hatásainak kérdéskörét, beleértve a korrózióálló anyagok használatát, a festési rendszerek fejlesztését és a jobb tervezési módszereket. G.V. Akimov szovjet tudós, a polielektródos elmélet világhírű megalkotója a korróziós folyamatokat jellegük szerint, nagyon szemléletesen két fő csoportra osztja:  

kémiai és elektrokémiai korrózióra.

Az első csoportba a szerkezeti anyag és a közeg közötti közvetlen kémiai kölcsönhatás tartozik. Ekkor reakció következtében megy végbe a fém oxidálása, pl. a vas levegőn, nagy hőmérsékleten bekövetkező oxidációja. Ezt nevezzük reveképződésnek. A második csoportot azok a korróziós folyamatok alkotják, amelyek elektrokémiai reakcióból származnak. A fém szétbomlásakor az elektronok a fém egyik részéről a másikba vándorolnak át. Az ilyen korróziós folyamatban elektromos áram keletkezik. Gyakori példa erre a vas, az alumínium és más fémek vízben, savas, lúgos oldatokban, sókban kibontakozó igen sokrétű korróziós jelensége. A gépkocsikon jól látható, hogy a fémeken a korrózió milyen sokféle alakban jelenik meg. A korrózió megjelenési formája szerint a következőképpen csoportosítható: 

pont-, lyukkorrózió: kis átmérőjű (max. 1 mm), azonban nagyobb mélységű, tűszúrásszerű lyukakról ismerhető fel. Pl.: autók hűtőrendszerének alsó vízszekrényén.



korróziós bemaródások: az anyagot ért korróziós támadás sokkal mélyebbre hatol, mint amire a felületen látható elváltozásból általában következtethetünk. Pl. Hengerperselyben tapasztalható korrózió.



egyenletes, általános korrózió: A korróziós támadást általánosnak tekinthetjük akkor, ha a korrózió az egész felületen többé-kevésbé egyenletes elvékonyodást és csak kismértékű érdességet okoz. Pl.: gázok kémiai támadása.



korróziós repedések: A fémben korrózió hatására gyakran keletkeznek hajszálrepedések. Ezeket súlyosabb esetben már szabad szemmel is jól fel lehet ismerni. A korrózió típusára alapvetően jellemző hajszálrepedéseket, csak mikroszkóppal tudjuk megvizsgálni. Repedés rendszerint akkor keletkezik, ha a korrózióval egyidejűleg az alkatrészt mechanikai terhelés is éri.



szelektív korrózió esetén a fém, különböző ötvöző vagy kristályelemei egyenletes sebességgel oldódnak ki. Helyükön pedig parányi üregek keletkeznek. A szelektív korrózió által megtámadott fém elszíneződik, rideg, törékeny lesz. Az autó hűtőrendszerének sárgaréz eleme a cink oldódása miatt vörös színű lesz. Ennek következtében lyukacsos szerkezet marad vissza.

106

97. ábra: Sematikus ábra a hajszálrepedéses korrózió bemutatására

98. ábra: Lyukkorrózió Korróziót előidéző körülmények: A korróziós folyamatot számos külső és belső tényező idézi elő. Külső tényezők:  az oldat savas, lúgos vagy semleges kémhatása, 

stimulátorok az oldatban,



semleges sók koncentrációja,



támadó oldat mozgásának következménye,



hőmérséklet hatása,



kóboráram,



különböző fémekkel való érintkezés,



nem fémekkel létrejövő kapcsolat,



korróziós mikroorganizmusok.

Belső tényezők:  a fémek kémiai ellenállása, 

a belső feszültségek és deformációk,



korróziós kifáradás,



a felület állapotának hatása,



a fém szerkezete. 107

Gépjárművek korróziós jelenségei: A gépjárműi környezetben a korrózió sajátos romboló hatásának csaknem minden megjelenési alakja előfordul. Ez következik abból is, hogy a gépkocsit a legkülönfélébb fémekből gyártják, és mindemellett nem fémes szerkezeti anyagokat is felhasználnak. A gépjármű üzemanyaga a szénhidrogén-származékok, a kenő- és hajtóanyagok, valamint a hűtésre használt víz, mind korrozív közeget jelentenek az alkatrészek számára. A gépkocsi rendeltetésszerű használata közben különféle korróziós és mechanikai hatásoknak van kitéve. Az úttestről felcsapódó víz, homok, kavics, sár, eső, a hideg és meleg néha egészen szélsőséges határok közötti váltakozása, a nap sugárzása, a szállított anyagok, a gépkocsi belsejében a széndioxidot tartalmazó pára, a garázsok égéstermékekkel szennyezett levegője, a mozgás, az ipari körzetek atmoszférája, stb. mind-mind az alkatrészek korróziós károsodásához járulnak hozzá. Elektrokémiai korrózióról akkor beszélünk, ha a fém korrodálását elektromos áram okozza, pl.: a hengerfejtömítésben. Nagyon súlyos károkat okozhat a légköri korrózió is, amikor a levegőből a karosszériára, vagy éppen a kocsi belsejében pára csapódik le. A korrózió legismertebb általános alakja a vasat támadó vörös színű rozsda. Az alumíniumon viszont fehér színű alumínium-oxid keletkezik. A rézen barna vagy zöld, a krómozott felületen szürkésbarna, a horganyzott alkatrészeken pedig fehér színű korróziós termékek keletkeznek. Az elöregedés, korrodálás jelei, nem csak a fémes vegyületeken szembeötlőek. Így pl. a nedvesség és a napsugárzás együttes hatására a textilanyagok szálai szétmállanak, a műanyagok színüket vesztik, megrepedeznek, eltöredeznek. Ha csupán nedvesség hat a fa- vagy textilanyagokra, akkor penészedés és korhadás következik be. A festékanyagok a légkör hatására megrepedeznek, felhólyagosodnak. A gumit tartalmazó alkatrészek korróziós tönkremenetele éppen a gyenge olajállóságuk miatt anyagértékben is számottevő. Ennél is figyelemre méltóbb azonban mindezeknek a gépjárművek üzembiztonságát érintő hatása [100]. A feszültségkorróziós repedés A feszültségkorróziós repedés során környezeti hatások okozta lassú repedésterjedés következik be. Ez a mechanikai feszültségek és korróziós folyamatok szinergikus kölcsönhatásából fakad. A feszültségkorrózió által okozott repedéskárosodás elsősorban a hegesztett varratok hőhatásövezeteiben és a nagy szilárdságú elemeknél fordul elő, de általában megelőzhető előmelegítéssel, a hegesztett varratok és hőhatásövezetek hegesztés utáni hőkezelésével, hegesztési gyártás és karbonegyenérték ellenőrzéssel. Az üzemeltetési környezettől függően, a kis keménységű zónák 22 HRC-ig ellenállóak a feszültségkorrózió által okozott repedésekkel szemben. Feszültségkorróziós repedés értékelése Amikor a szerkezetek repedéseit és repedésszerű hibáit vizsgáljuk, a szerkezet integritásának meghatározása céljából, fontos, hogy megnézzük a szubkritikus repedésnövekedés potenciális tényező-e. Amennyiben igen, az üzemelési ellenőrzés során megkövetelik a tervezési élettartam során keletkező tolerálható növekedések mennyiségének megbecslését. Szerkezetintegritási vizsgálatokat kell végezni, hogy a környezet hatásai által létrejött törésekkel összefüggésben a roncsolódási folyamat különféle karakterisztikáit meg lehessen határozni. A FITNET Korrózió című fejezetében vizsgálják a feszültségkorrózió hatására létrejövő szubkritikus repedésnövekedést, valamint a korróziós kifáradást statikus, vagy lassan növekvő terhelés esetén üzemelés közben becsült repedésterjedési sebesség

108

alapján. Feltételezés, hogy a hiba vagy repedés mechanikai hajtóereje a lineárisan rugalmas törésmechanika segítségével leírható. A főbb kihívás a szerkezet repedésnövekedésének előrejelzésében az, hogy figyelembe vegyük a szerkezet javítási előéletét is, beleértve a feszültség, hőmérséklet és vízösszetétel tervezett és ellenőrizetlen változásait. Ez hatással lehet a repedés megindulásának megítélésére, és hogy megállapítsák a növekedés kvázi folyamatos vagy a gyakorlati tranziensekre reagál. Mindenesetre a szerkezetintegritási vizsgálathoz hozzátartozik a szubkritikus repedés növekedés meghatározása. Vizsgálni kell a repedések és a környezet közötti kölcsönhatásokat, mely vizsgálatokat komoly szakmai tudású mérnököknek kell végezniük. Ennek egyik módszere a kétparaméteres megközelítés, melynél a két vizsgált paraméter: az a küszöbfeszültség, ami felett bármely keletkezett repedés folytatja terjedését, σSCC illetve, a tartós repedésnövekedéshez tartozó küszöb feszültségintenzitási tényező, ami felett, minden keletkezett repedés tovább növekszik, KI SCC. Az utóbbi értékét sok minden befolyásolja, többek között a környezeti állapotok, a hőmérséklet és a terhelési karakterisztikák, melyeket a maradó feszültségek is meghatároznak.

99. ábra A kétparaméteres módszer feszültségkorróziós repedésekhez A korrózió funkcionális szempontjai: Vízállóság: A környezeti összetevőket nem szabad beengedni a szerkezetekbe, így is csökkentve a korrózió lehetőségét. Mechanikai teherbírás: Olyan szerkezeteknek, amelyeknek különösen nagy terhelést kell elviselniük, nem szabad korrodálniuk, mert veszélybe kerülnek a szerkezet üzemelési képességei. Fizikai tulajdonságok: Nem szabad megengedni, hogy a korrózió negatív hatással legyen a szerkezetek, berendezések, és anyagok fizikai tulajdonságaira, úgymint a hővezetés, elektromos tulajdonságok.

109

Korrózió hatásai a Biztonságra: A váratlan hibák repedést okoznak, melyek katasztrófához vezetnek. Tűzesetet is jelentettek már, mely korrózió következtében jött létre, mert a gázcsövek korrodáltak, és kiszivárgott a gáz belőle. A korróziónak nagyon veszélyes hatásai vannak az alkatrészek szerkezetintegritására is. Sok autóbaleset végződött már halállal, mert a korrózió meggyengítette az autó szerkezetét, és amit eredetileg elbírt volna terhelést, korrodált állapotban már nem volt képes elviselni. Azonban igen jelentős tényező ez a civil utasszállító és katonai repülőgépeknél is, valamint mindenféle közlekedési eszköznél. A korróziós hibák mind érintik a hidakat, hajókat, repülőket, repülőtereket, stadionokat. Termék élettartamra: A korrózió súlyosan megrövidíti a termékek élettartamát, azonban megfelelő tervezéssel ez meghosszabbítható. Az autók élettartama kb. 12 év, egy-két márka esetében ez lehet több is. A DC 3 repülőgépet kb. 20 éves üzemelésre tervezték, de még 60 év múltán is repülnek. Az Eiffel toronynak 2 éves tervezési élettartamot jósoltak, azonban 100 év múltán is ékesíti még Párizst. Ennek az oka az, hogy a mérnökök ötletesen tervezték meg ezeket a szerkezeteket, nagy hangsúlyt fektettek az anyagválasztásra és a korróziómentes karbantartásra. Ezeknek megléte mellett egy termék élettartama hosszabbítható, és a korrózió elkerülhető [101]. Korrózió elleni küzdelem [104]: Az 1950-es évek kezdetén úgy küzdöttek a korrózió kihívásai ellen, hogy a karosszéria panelek összeállításakor előre bevont lemezeket alkalmaztak, főleg galvanizált acélokat (100. ábra). A cink bevonatolt acélok használata folyamatosan növekedett. Az autóipar különféle bevonatokat alkalmaz még, mint pl.: Zr-Al, Zr-Fe, Al, Pn, Pb-Pn. A bevonatolás egy American Society of Testing and Materials szabvány szerint történik. Az összhangra törekszenek, az alakíthatóságra és hegeszthetőségre nagy hangsúlyt fektetnek. A bevonatot g/m2-ben határozzák meg, de még sokszor a bevonat vastagságát adják meg. Cink bevonatolt acél: Az acélból készült karosszéria elemek cink bevonatolása a legáltalánosabb korrózió ellenes eljárás. Különféle vastagságú bevonatok készíthetőek. Több féle módon lehet bevonatolni, lehet egy oldalas, két oldalas vagy két oldalas, de más vastagságú egy-egy oldalon. Egy oldalú galvanizálást vagy forró bemártással vagy elektrogalvanizálással hajtanak végre. Az egy oldalon galvanizált acélt főleg motorháztetőn, ajtón, illetve negyed-panelen alkalmazzák. A másfél oldalas galvanizálásnál a belső felületen tiszta cinket alkalmaznak, a külső felületen pedig cink-vas ötvözetet. Ez a kozmetikai korrózióval szemben nagyon jó ellenálló képességet ad, amely a külső felületet érinti. A két oldalon galvanizálás folyamatánál tiszta cinket alkalmaznak az acéllemez mindkét oldalán. Olyan helyeken alkalmazzák, mint a padlólemez, kerékdob, az ajtó belső peremei. Más fémmel bevonatolt acélok: - Az alumínium bevonatolt acélok 8-12 %-ban szilíciumot tartalmaznak. Magas hőmérséklet hatására létrejövő korrózió ellen alkalmazzák, főleg olyan területen, mint a kipufogó rendszer, tűzfal. - Ón-ólom ötvözettel bevont acélokat a benzin tanknál, olajcsöveknél, fékcsöveknél alkalmaznak leginkább. - Szerves kompozitokkal bevonatolt acélokat a japán acélgyártók fejlesztették ki, együttműködve az ország autóiparával.

110

Festék rendszerek: A festés elsődleges funkciója az autóiparban, hogy védelmet nyújtson a környezetben előforduló korrozív anyagok ellen. Ez egy festési rendszer segítségével történik, amely tartalmaz egy konverziós alapot, azt felviszik egy vagy több rétegben, majd egy színezett fedőréteget visznek fel. Az általános rendszer úgy néz ki, hogy először egy konverziós réteget alkalmaznak, majd egy galvanizált réteget 30 μm vastagon, egy alapszínt 15 μm vastagon, és egy tiszta végső réteget 40 μm vastagon. Ezt azért csinálják így, mert A módszer oka, hogy a korrózió általában a bevonatolási hibáknál indul el.

100. ábra: Cink bevonatolt acélok használata az autóiparban [104] Korrózió különböző autóipari rendszerekben Ebben a részben különböző autóipari rendszereket mutatunk be, amelyek érintettek a korrózióban.  Üzemanyag-ellátó rendszer: Ahogy azt már korábban is említették, az üzemanyagtartályok és csövek ólom-ón ötvözetekből készülnek az USA-ban. Ez nagyon jól ellenáll a korróziónak, azonban ha az üzemanyagtartályba víz kerül, lyuk típusú korrózió alakul ki. Elektro-galvanizált acélt is alkalmaznak üzemanyag tanknak, 111







ez jól véd a lyukkorrózió ellen, azonban fehér korrózió (tipikus cink korrózió, cink rozsda) alakulhat ki. Hűtési rendszer: Az autók hűtési rendszerének korrodálása gyorsabb, mert különböző fém párokat alkalmaznak annak gyártására. Ennek a hűtési rendszer korróziójának oka a kipufogó gázok szivárgása, valamint a magas üzemelési hőmérséklet. Az autók hűtési rendszerében az anyagok széles választéka megtalálható. Kovácsolt sárgarezet és alumíniumot használnak radiátornak és fűtőmagnak. Préselt acélt különféle kis alkatrészeknek és alumíniumot a hűtőfolyadék szivattyú részeiben. Elektronikus rendszer: A hagyományos korróziós rendszerek korróziós problémái minimalizálhatók még a tervezési állapotban úgy, hogy szigetelő anyagokat építenek be oda, ahova csak lehet. Erre a célra használnak szerves és szervetlen keverékeket. Az utóbbi időben drasztikusan megemelkedett az elektromos alkatrészek használata. Kezdetben ezeket csak a motor ellenőrzésére használták, de mostanában széles körben használják felügyeleti funkciókra. Kipufogó rendszer: Külső- és belső korrózió is előfordul a kipufogórendszernél, amelyet a kipufogó gáz okoz. A gáz hőmérséklete kb. 870 °C, míg a fém hőmérséklete kb. 595 °C.

Az autóipar korróziós vizsgálatai Az autóipar sokféle korróziós vizsgálatot alkalmaz.  Mobil vizsgálat: Mobil vizsgálatnál, vizsgáló állványokat alkalmaznak, melyeket vagy a jármű alá szerelnek vagy a járműbe, hogy megvizsgálják az előre bevont acélokat és a festett próbatesteket. A vizsgálatokba beletartozik a lepattogzások felügyelete, azok sűrűségének, mélységének meghatározása, és annak kiszámítása, hogy az alapanyaghoz képest százalékosan mennyi még az ép felület.  Próbaterep: Ezzel a módszerrel a prototípust vagy a legyártott járművet korróziós vizsgálatnak vetik alá, melyet a gyártó cég végez. A tesztkörökön gyorsított módon vizsgálják a gyártmányokat. Különböző korróziós eseteket szimulálnak, és ez alatt figyelik meg az üzemi állapotokat. A vizsgálat ideje 10 héttől 10 hónapig terjedhet.  Terepi mérések: Az anyagokat és a bevonatokat direkt módszerrel hasonlítják össze. Ez a módszer gyakran jár roncsolásos felülvizsgálattal. A járművek üzemelési története pontosan meghatározható.  Laboratóriumi vizsgálatok: Az ismétlődéses laboratóriumi vizsgálatokat az utóbbi években fejlesztették ki. Célja az, hogy relatíve rövid idő alatt, az évek elteltének hatását szimulálni tudja, normál üzemelési körülmények szerint. Ezzel a módszerrel 14 hét leforgása alatt, közel 6 év elteltének hatását tudják szimulálni.

112

4.4. Hidrogén okozta károsodás [102] A maradó feszültség, a hidrogén és az érzékeny mikro-szerkezet együttes jelenléte okozhat repedéseket a hegesztett kötésekben, egy meghatározott hőmérséklet tartományban. A hidrogén legfontosabb és legveszélyesebb következménye a késleltetett törés, amely viszonylag alacsony húzófeszültség hosszas jelenléte után bekövetkező törést jelent. A hidrogénnek számos forrása lehet, hegesztett szerkezetek gyártásakor. Származhat magából az alapanyagból, ha annak nem megfelelő a minősége az adott feladathoz, valamint a hegesztési folyamat során is bekerülhet a hegesztési ömledékbe, azután pedig a hőhatásövezetbe diffundálhat . A képlékeny alakváltozás növeli a hidrogén oldhatóságát. A hegesztési utasítás szigorú betartatásával, valamint korszerű hegesztési eljárásokkal és eljárásváltozatokkal, mint pl. lézer-hibrid hegesztés a hidrogén okozta repedés veszélye csökkenthető. A hidrogén jelenléte a varratban, elridegedést, hólyagosodást (a hidrogén reakcióba lép a karbonnal, így metán képződik, ezáltal gázbuborékok jelennek meg a szemcsehatáron) és repedést okozhat az anyagban. Az acélok hidrogén felvételi forrásai a következők lehetnek acélgyártás során:  betétanyagok nedvesség tartalma 

betétanyagok hidrogén tartalma



gázfázis hidrogén tartalma



kemencefalazat, öntőszerelvények

A vízgőz a folyékony vassal érintkezve a következő egyenlet szerint reagál: Fe + H2O = FeO + 2H

(14)

A keletkező hidrogén a fémfázisba oldódik be. A hidrogén felvételi források közül a gázfázis a legjelentősebb. Az olvadék állapotú fém csapolás és öntés közben a levegővel történő érintkezéskor annak nedvességtartalmával reagál és jelentős mennyiségű hidrogént vesz fel. Az acélban interstíciósan oldott állapotban jelenhet meg. Oldott állapotban elektronját leadja, így a proton méretű hidrogén diffúziós úthossza sokkal nagyobb a többi gázhoz képest. Az acél a hőmérséklet csökkenésével mind kevesebb hidrogént tud oldani. A hidrogén egy része az acélban bennreked. A H az acél keménységét növeli, nyúlását csökkenti, tehát ridegítő hatása van. Az oldott H a diszlokációk expandált zónájában gyűlik össze. Kellő mennyiségű hidrogén csoportosulása esetén ismét felveszi elektronjait és keletkező H2 gáz miatt helyileg akár 104-105 bar nyomás is keletkezhet. Ez repedéseket indíthat el, ún. pelyhességet, vagyis a törésfelületen fénylő, foltosságot okoz [109]. A hidrogén okozta károsodásnak számos fajtája ismeretes, ám, ami a maradó feszültségek szempontjából releváns, az a hidrogén okozta elridegedés. Hidrogén okozta elridegedés A károsodás leírása Az atomos hidrogén behatolása csökkenti az alakíthatóságot és ridegtöréshez vezethet a nagyszilárdságú acéloknál. A gyártás, hegesztés vagy olyan üzemeltetés során, ahol hidrogén 113

tud jutni az acélba korrozív, vizes vagy gáznemű környezetből, könnyedén hidrogén elridegedés jelentkezhet a fémben. Érintett anyagok Szénacélok és gyengén ötvözött acélok, 400-as sorozatú és néhány nagyszilárdságú nikkel ötvözetű anyag. A hidrogén okozta elridegedés bekövetkezéséhez három feltételnek kell teljesülnie: a. A hidrogén jelenléte kritikus mennyiségben az acélban vagy ötvözetben, b. A mikro-szerkezetnek hajlamosnak kell lennie az elridegedésre, c. Határérték feletti feszültség jelenléte, maradó vagy/és külső terhelésből származó feszültségekből.

Befolyásoló tényezők a) A hidrogén forrása:  Hegesztésnél, a szennyezett felületből, nem megfelelő védelem esetén a levegőből, illetve a nem megfelelően kiszárított nedves elektródából vagy nagy nedvességtartalmú fedőporból.  Tisztítás és maratás savas oldatban.  Nagy hőmérsékletű hidrogén gáz környezetben, a hidrogén molekulák atomos hidrogénekre disszociálnak, amelyek be tudnak diffundálni az acélba.  Olvasztásnál vagy gyártási eljárásoknál, különösen ahol a komponensek bevonatoltak.  Katódos védelem esetén. b) Hőmérséklet: a hatás szobahőmérséklet és 149 C között jelentkezik. Ezek a hatások a hőmérséklet emelkedésével csökkenek. A hidrogén elridegedés valószínűsége 71 C és 82 C között nagyon csekély. c) Feszültségállapot: a hidrogén elridegedés sokkal inkább a statikus tulajdonságokat befolyásolja, mint a dinamikusokat. A meghibásodás hamar bekövetkezik, ha elegendő hidrogén és feszültség van jelen. d) Anyaghibák szerepe: a bent rekedt hidrogén mennyisége függ a környezettől, felületi reakcióktól és a hidrogén csapdáktól, mint például az anyagfolytonossági hibák, zárványok és már létező hibák és repedések. e) Az anyag mechanikai állapota: a hidrogén mennyiségének mérhető hatást kell kiváltania a mechanikai jellemzőkön kombinálva a szilárdsági szinttel, szövetszerkezettel és hőkezeléssel az ötvözetben. Néhány esetben a kritikus hidrogén tartalom határértéke meg lett állapítva. f) Feszültségek, beleértve a hűtést gyártás közben, a maradó feszültségeket a hegesztésből vagy a külső terhelésből származó feszültségeket. 114

g) Falvastagság: a vastag falú komponensek - a növekvő termikus feszültségek és szigorú korlátozások következtében - érzékenyebbek, és ezeknél továbbtart a hidrogén kidiffundálása. h) Szövetszerkezet: általában ha a szilárdság növekszik, nő a hajlam a hidrogén okozta elridegedésre. Bizonyos szövetszerkezetek, mint a meg nem eresztett martenzit vagy perlit érzékenyebbek az elridegedésre, mint az azonos szilárdságú megeresztett martenzit. A szénacél, amely túltelített hidrogénnel, kisebb szívósággal rendelkezik, mint a nem túltelített. A károsodás megjelenése és morfológiája a. A hidrogén elridegedés okozta repedés keletkezhet az anyag belsejében, de a legtöbb esetben felületen képződik. b. A hidrogén elridegedés a nagy maradó és háromtengelyű feszültségek lokalizációjánál jelentkezik, ahol a szövetszerkezet hozzájárul, például a hőhatásövezetekben. c. A makro méretekben a töret felülete ridegtörési jelleget mutat. A mikro méretekben, a töret kevésbé képlékeny jellegű, de leggyakrabban hasonló olyan töréssekkel, amelyek nem tartalmaznak hidrogént. d. Nagyobb szilárdságú acéloknál a repedés gyakran interkrisztallin. Megelőzés és károsodás csökkentése 1. Függ a hidrogén forrásától, az ötvözet összetételétől és gyártási/hőkezeltségi állapottól. 2. Az alakíthatóság növelése és a maradó feszültségek, valamint a keménység csökkentése érdekében, kisebb szilárdságú és hegesztés utáni hőkezeléssel megeresztett szövetszerkezetű anyag használata ajánlott. 3. Hegesztéshez kis hidrogén tartalmú, száraz elektróda és előmelegítés ajánlott. Ha a hidrogén várhatóan bediffundál a fémbe, akkor egy emelt hőmérsékletű (204 C és ezt meghaladó) hőntartás alkalmazása szükséges a hidrogén eltávolítása érdekében a hegesztés előtt (tegez használata). 4. Korrozív vizes üzemben, védőbevonat, korrózióálló acél bevonat vagy plattírozás szükséges a hidrogén felületi reakciói ellen. Vizsgálat és ellenőrzés a.

Felületi repedések vizsgálatához: 

Folyadékbehatolásos vizsgálat



Mágneses vizsgálat



Mágneses fluoreszcencia vizsgálat 115

b. A hidrogén elridegedés okozta repedések kimutatására ultrahangos vizsgálat is alkalmazható. c.

A röntgen vizsgálatok nem mindig elegendően érzékenyek a hidrogén okozta elridegedés felderítésére.

d. Ha a hidrogén forrása egy kis hőmérsékletű vizes környezet, akkor speciális műszereket használva kimutatható a hidrogén áramlása [102]. A hidrogén okozta elridegedésnek két jellemző változata jelenik meg hegesztett szerkezetek esetén. Ezek jellemzőit a 29. Táblázat szemlélteti. 29. Táblázat Hidrogén okozta elridegedés változatai

Jellemző állapotok

Tönkremenetel kezdete Mechanizmusok

Hidrogén okozta elridegedés Hidrogénes környezet Feszültség orientált hidrogén okozta repedés okozta repedés 0.1-10 ppm teljes hidrogén -6 8 2 10 -10 N/m gáznyomás tartalom -100-700 °C között -100-100 °C között (legsúlyosabb (legsúlyosabb szobahőmérsékleten) szobahőmérsékleten) Alakváltozási sebességre Alakváltozási sebességre érzékeny érzékeny (kisebb sebességnél (kisebb sebességnél súlyosabb) súlyosabb) Felületi vagy belső keletkezés, nincs inkubációs Belső repedéskeletkezés periódus Felületi vagy felület alatti Belső diffúzió feszültség folyamatok koncentrációig

a) Hidrogén okozta repedés Hidrogén hólyagok a felülettől különböző mélységekben keletkezhetnek az acélban. Akár a lemez közepén vagy hegesztett varratok közelében is. Egyes esetekben a szomszédos vagy egymással határos pórusok között, amelyek alig különböző mélységekben találhatóak, repedések keletkezhetnek, amelyek összekötik őket. Az összekötő repedések a pórusok között, gyakran lépcsőzetes megjelenésűek, ezt hidrogén okozta “lépcsőzetes repedésnek” is nevezik. b) Feszültség orientált hidrogén okozta repedés A feszültség orientált hidrogén okozta repedés hasonló a hidrogén okozta repedéshez, de meglehetősen károsabb formája a meghibásodásnak. A repedések sorokban halmozódnak egymásra. A következmény a keresztmetszeten áthaladó repedés, amely merőleges a felszínre. Ezt egy nagy szintű feszültség (maradó vagy külső igénybevételből származó) okozza. Általában a hegesztési hőhatásövezet mellett az alapanyagban keletkeznek, ahol hidrogén okozta vagy más repedések, hibák találhatók. Érintett anyagok: Szénacélok és gyengén ötvözött acélok. 116

Kritikus tényezők: a. A legfontosabb változók, amelyek befolyásolják és megkülönböztetik a különféle károsodásokat: a környezeti körülmények (pH, alkotók, hőmérséklet), az anyag tulajdonságok (keménység, szövetszerkezet, szilárdság) és a húzófeszültség (maradó vagy külső igénybevételből származó). Ezeket a tényezőket a következőkben tárgyaljuk. b. Az összes ilyen károsodási mechanizmus összefüggésben van a hidrogén abszorpciójával és áthatolásával az acélban.

1. pH érték  A hidrogén áthatolás és diffúzió mértéke a pH 7-es szinten a legalacsonyabb és növekszik ennek csökkenésével és növekedésével is. 2. Hőmérséklet  A hidrogén okozta repedés és a feszültség orientált hidrogén okozta repedés szobahőmérsékleten és 300 C között vagy nagyobb hőmérsékleten fordul elő. 3. Keménység  A hidrogén okozta repedés és a feszültség orientált hidrogén okozta repedéskárosodások nem függnek a keménységtől. 4. Acélgyártás  A zárványok és átlapolódások jelenléte helyet biztosít a hidrogén diffúziójának és felhalmozódásának, ezért a hidrogén okozta repedéskárosodások erősen függnek ezektől a tényezőktől.  Az acél vegyi összetétele és gyártási eljárásai szintén befolyásolják a hajlamosságot. Ezeket a hidrogén okozta repedés ellenálló acélokat a NACE Publication 8X194 szerint kell előállítani.  A tisztaság és gyártás fejlesztése, javítása nem elegendő a hidrogén okozta repedés érzékenység csökkentésére.  A vizuális jelek, hólyagok hiánya téves érzéseket okozhat. Azt gondolhatjuk, hogy a károsodás még nem indult meg, de már elkezdődhettek a belső feszültség orientált hidrogén okozta repedés lépései.  A hidrogén okozta repedés gyakran előfordul a “piszkos” acélokban, amelyek a gyártásból kifolyólag nagy mennyiségű zárványt és belső anyagfolytonossági hibákat tartalmaznak. 5. Hegesztés utáni hőkezelések

117

 A hidrogén okozta repedéskárosodások külső terhelésből származó- és maradó feszültségek nélkül fejlődnek, ezért a hegesztés utáni hőkezeléssel nem megelőzhetőek.  A nagy helyi feszültségek vagy bemetszés típusú anyagfolytonossági hiányok - mint például a sekély feszültség repedések - kiinduló helyei lehetnek a feszültség orientált hidrogén okozta repedéseknek.  A feszültség orientált hidrogén okozta repedés helyi feszültségek által irányított károsodás, ezért némiképp hatásos megoldást nyújt a hegesztés utáni hőkezelés. A károsodás megjelenése és morfológiája a. A hidrogén hólyagok dudorként jelennek meg az acél belső/külső felületén. Hólyagosodás csak ritkán fordul elő a varrat közepében. A hidrogén okozta repedéskárosodás bárhol előfordulhat, ahol hólyagok vagy felszín alatti átlapolódások találhatók. b. A hegesztett szerkezeteknél, a feszültség orientált hidrogén okozta repedés a feszültségkorrózió által okozott repedéskárosodáshoz hasonlóan legtöbbször a hegesztett részekkel párosul. A feszültség orientált hidrogén okozta repedés megtalálható bármely olyan zónában, ahol nagy keménység van vagy a nagyszilárdságú acél komponensekben. Megelőzés és károsodás csökkentése a. Az ötvözött plattírozás és bevonatolás hatásos megoldás, amely akadályként megvédi az acél felületét. b. A hidrogén okozta repedés és hólyagosodás minimalizálása céljából hidrogén okozta repedéssel szemben ellenálló acélok használhatók. Részletes anyag és gyártási útmutató található a NACE Publication 8X194-ben. c. A hegesztés utáni hőkezelés segíthet minimalizálni a feszültség orientált hidrogén okozta repedésre való hajlamot. Az utólagos hőkezelésnek korlátozott a hatása a hidrogén okozta repedéskárosodás kezdetének megelőzésében, de hasznos a maradó feszültségek és szilárdsági szintek csökkentésére, amelyek másképpen hozzájárulnak a repedés-keletkezéshez. Vizsgálat és ellenőrzés Habár a repedések gyakran szabad szemmel láthatók, a legjobb érzékenységű repedés vizsgálatok:  mágnesezhető poros vizsgálat  örvényáramos (EC) vizsgálat, a nem mágnesezhető anyagokhoz  örvényáramos vizsgálat  radiográfiai vizsgálat

118

101. ábra: Örvényáramos hibakereső A mágnesezhető poros vizsgálathoz szemcsefúvással, nagynyomású vízsugárral vagy más módszerrel a felület tisztítása szükséges. A folyadékbehatolásos vizsgálat nem képes kimutatni a kisebb repedéseket. Használható az ultrahangos vizsgálat is, beleértve a fázisvezérelt ultrahangos vizsgálat is. A fázisvezérelt vizsgálat főképpen a repedések méretének meghatározásánál és térfogati vizsgálatoknál hasznos. Az elektromos műszerek nem használhatók a repedés mélységének meghatározására.

102. ábra: Fázisvezérelt ultrahangos készülék Ajánlott a repedések mélységének meghatározása, majd kiköszörülése vagy ívgyalulással történő eltávolítása [102].

119

5. Összefoglalás A jelentés a technológiai maradó feszültségek modellezési és méréstechnikai kérdéseivel foglalkozik, valamint áttekintést ad a károsodási mechanizmusok értékelése során a maradó feszültség hatásának figyelembevételére. Ennek keretében a projekt első szakaszában kiterjedt irodalomkutatást végeztünk, melynek során feltártuk a maradó feszültség kialakulásának okait, részletes leírást adtunk az egyes gyártási technológiák során a maradó feszültségek kialakulásának mechanizmusáról, valamint hogy milyen technológiák segítségével lehet szándékosan maradó feszültséget létrehozni különböző szerkezetekben. Összefoglalást készítettünk ezen technológiák modellezési lehetőségeiről, valamint az alkalmazható vizsgálati módszerekről. A mérési technológiák bemutatása során kitértünk a roncsolásos, félig roncsolásos és roncsolásmentes módszerek ismertetésére és alkalmazási területére. A technológiai maradó feszültségek hatásának elemzése során a töréssel, feszültségkorrózióval, kifáradással és a hidrogén okozta elridegedéssel foglalkoztunk. Megvizsgáltuk, hogyan lehetséges ezek értékelése során a maradó feszültség figyelembevétele. Ezek alapján a projekt következő részében modellezési útmutatót dolgozunk ki a hőbevitellel és fázisátalakulással járó technológiák közben ébredő maradó feszültségek és alakváltozások meghatározására, valamint elemzési módszertant hozzunk létre a különböző károsodási mechanizmusok esetére. A jelentés elkészítését a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

120

6. Hivatkozások [1]

[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

[16] [17]

[18] [19] [20] [21] [22]

[23] [24] [25] [26] [27]

Dr. Lukács János: Technológiai vizsgálatok, GÉIK – III. évfolyam –BSc képzés, 12. előadás -2009/2010. Tanév, 1. félév., D) Nyúlásmérő bélyeges mérések, E) Maradó feszültségek, Miskolci Egyetem, Mechanikai-Technológiai Tanszék, Miskolc, 2010. G. Tottem, M. Howes, T. Inoue Handbook of Residual Strees and Deformation of steel ASM international, 2002. Paul S. Prevéy X-ray Diffraction Residual Stress Techniques Udo Welzel: Diffraction Analysis of Residual Stress, 2002 IAEA-TECDOC-1457 Measurement of Residual Stress in Materials Using Neutrons, 2003 P. J. Withers and H. K. D. H. Bhadeshia Measurement techniques, 2001 Enrique Garcia Sobolevski Residual stress analysis of components with real geometries using the incremental Hole-drilling Technique, 2007 Colorado State University Measurement of Residual Stress by X-ray Diffraction G.S. Schajer Relaxation Methods for Measuring Residual Stresses: Techniques and Opportunities, 2010 THAMM, F.: Maradó feszültségek mérési módszerei. Anyagvizsgálók Lapja, 1991/2. Strain Gages and Instrumentation for Residual Stress Measurements. Measurements Group, Inc., Raleigh, 1988. BULLETIN 304-D. V. Pistoria, D. Lauerova, N. Taylor, P. Minnebo: Benchmark analyses for fracture mechanics methods for assessing of sub-clad flaws, Final report of Nesc-VI project, 2009 V.I. Kostylev, B.Z. Margolin Determination of residual stress and strain ®elds caused by cladding and tempering of reactor pressure vessels, 2000 Jinya Katsuyama, Makato Udagawa Evaluation of Weld Residual Stress near the Cladding and J-weld in Reactor Pressure Vessel Head for assessment of PWSCC Behavior, Japan Assessment of Dissimilar Weld Integrity: Final Report of the NESC-III Project, 2006 Dieter Memhard: Complete validated welding simulation technique, Final report, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg, 2004. Extending plant life through improved fabrication and advanced repair methodology, Final Technical Report, Elixir Project, Project No.: GRD1-2000-25239, 2004. P. Dupas and D. Moinereau: Evaluation of Cladding Residual Stresses in Clad Blocks by Measurements and Numerical Simulations, 1996 V. Pistoria, D. Lauerova, N. Taylor, P. Minnebo: Benchmark analyses for fracture mechanics methods for assessing of sub-clad flaws, Final report of Nesc-VI project, 2009. Rimár Miklós: Meta-Lax feszültség-mentesítő és hegesztés kondicionáló eljárás, Heat Treat Progress Magazin, 2004. Január/Február –i száma. http://www.auriam.hu/technologia1.html Richard Skinner, PE: An Investigation into theTheory Behind Sub-resonant Stress Relief, 1987, p10. T.E. Wong&G.C. Johnson: Ultrasonic Evaluation of the Nonlinearity of Metals from a Design Perspective, 1987, p15. Kutatási jelentés a Reaktortartály alapanyag és plattírozás eltérő hőfizikai tulajdonságai következtében ébredő maradó feszültség meghatározásának kidolgozása és végrehajtása című projektről, Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány, Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet, Miskolc, 2011. 121

[28] I. Kutatási részjelentés, A műszerezett keménységmérés alkalmazhatóságá-nak vizsgálatára módszer kidolgozása a mechanikai és törésmechanikai anyagjellemzők becslésére, az atomerőművi anyagok öregedési folyamatainak monitorozása során, Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány, Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet, Miskolc, 2011. [29] Kutatási jelentés, Műszerezett, helyszíni felületi keménységmérés, eredmények értékelése, Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány, Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet, Miskolc, 2011. [30] Részjelentés, Öregedéskezeléssel kapcsolatos nemzetközi tapasztalatok feldolgozása, adaptálása, jelentések készítése - 2011 évre, Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány, Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet, Miskolc, 2011. [31] Részjelentés, Öregedéskezeléssel kapcsolatos nemzetközi tapasztalatok feldolgozása, adaptálása, jelentések készítése - 2010 évre, Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány, Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet, Miskolc, 2010. [32] Benchmark Analyses for Fracture Mechanics Methods for Assessing Sub-Clad Flaws, NESC-VI Final Report, EUR 23968 EN – 2009, European Communities, 2009 [33] Szabolcs Szávai, Róbert Beleznai: Report for “Assessment of sub-clad flaws, J-integral calculation”, Bay Zoltán Foundation for Applied Research, Institute for Logistics and Production Systems, Miskolc-Tapolca, Hungary, 2007. [34] NESC-III Project, Assessment of Dissimilar Weld Integrity: Final Report of the NESCIII Project, European Communities, 2006. [35] NESC-IV Project, An investigation of the transferability of Master Curve technology to shallow flaws in reactor pressure vessel applications, Final report, European Communities, 2005. [36] R. Beleznai, Sz. Szávai: Analysis of warm pre-stressing effect for RPV assessment, 4th International Conference, Fracture Mechanics of Materials and Structural Integrity (ISBN 978-966-02-5275-2 pp 365-370), L'viv, 22-25. June 2009. [37] Sz. Szávai, R. Beleznai: Numerical determination of J-integral value in case Sub-Clad Flaw Fracture Mechanics of Materials and Structural Integrity (ISBN 978-966-02-52752 pp 453-458), L'viv, 22-25. June 2009. [38] R. Beleznai, Sz. Szavai: Analysis of Warm Presstressing Effect on Fracture Toughness of Reactor Pressure Vessel Steel, Strength of Materials, Vol. 42., No. 1., Springer Science, pp. 120-123., 2010. 106 [39] D.A. Lados, Apelian, D. Wang, L.: Minimization of residual stress in heat-treated Al– Si–Mg cast alloys using uphill quenching: Mechanisms and effects on static and dynamic properties, Materials Science and Engineering A 527 (2010) pp3159–3165 [40] E. Brinksmeier, J. T. Cammett, W. König P. Leskovar; J. Peters ,H. K. Tönshoff: Residual Stresses - Measurement and Causes in Machining Processes, Annals of the CIRP Vol. 31/2/1982; [41] http://xa.yimg.com/kq/groups/13354653/449308252/name/Residual+Stresses+%E2%80 %94+Measurement+and+Causes+in+Machining+Processes.pdf [42] Khan, Z. et al. (2007). "Manufacturing induced residual stress influence on the rolling contact fatigue life performance of lubricated silicon nitride bearing materials". Materials & Design 28: 2688. doi:10.1016/j.matdes.2006.10.003 [43] Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, Eds: G. Totten, M. Howes, T. Inoue, 2002 ASM International., ISBN: 0-87170-729-2 [44] Schajer, G.S. and Prime, M.B. "Use of Inverse Solutions for Residual Stress Measurements", Journal of Engineering Materials and Technology, vol.128, no.3, pp.375-382, 2006.

122

[45] Schajer, G.S. “Hole-Drilling Residual Stress Profiling with Automated Smoothing.” Joural of Engineering and Technology. In press. 2007. [46] Schajer, G.S., “Residual Stresses: Measurement by Destructive Methods.” Section 5a in “Encyclopedia of Materials: Science and Technology”, eds. K. H. J. Buschow et al. Elsevier Science, Oxford. 2001 [47] Bo-Hsiung Wu, Chen-Kuei Chung, Ting-Ruen Shih, Cheng-Chang Peng and UditSurya Mohanty, "Effect of residual stress on nanoindented property of Si/C/Si multilayers", J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 8, 033030 (Jul 14, 2009); http://dx.doi.org/10.1117/1.3158358 [48] Ma, C.-H., Huang, J.-H.. Chen, Haydn: Nanohardness of nanocrystalline TiN thin films, Surface & Coatings Technology , ISSSN 0257-8972, Vol.200, May:2006, pp3868-3875 [49] Hans Gripenberg, Heikki Keinanen, Carsten Ohms, Hannu Hanninen, anut Stefanescu, David Smith: Prediction and measurement of residual stresses in cladded steel, Materials Science Forum Vols. 404-407 (2002), pp. 861-866. Trans tech Publications, Switzerland. [50] Dieter Memhard: Complete validated welding simulation technique, Final report, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg, 2004. [51] Assessing welding residual stress in A335 P12 steel welds before and after stressrelaxation annealing through instrumented indentation technique, Jae-il Jang, Dongil Son, Yun-Hee Lee, Yeol Choi, Dongil Kwon, Scripta Materialia 48 (2003) 743– 748 [52] Reaktortartály alapanyag és plattírozás eltérő hőfizikai tulajdonságai követeztében ébredő maradó feszültség meghatározásának kidolgozása és végrehajtása, Háttéranyag és műszaki megalapozás, VEIKI Energia+ Energetikai Kutató Fejlesztő és Kivitelező Kft., Budapest. 2010. december. 107 [53] Dr Anas Yaghi, Professor Adib Becker: State of the Art Review - Weld Simulation Using Finite Element Methods, FENET-UNOTT-DLE-08, University of Nottingham, UK, 2004. [54] Man Gyun Na, Jin Weon Kim, Dong Hyuk Lim: Prediction of residual stress for dissimilar metals welding at nuclear power plants using fuzzy neural network models, NUCLEAR ENGINEERING AND TECHNOLOGY, VOL.39 NO.4 AUGUST 2007. [55] APPLICATION OF INSTRUMENTED INDENTATION TECHNIQUE TO ESTIMATE STRENGTH AND RESIDUAL STRESS, Min-Jae Choi, Kyung-Woo Lee1, Ju- Young Kim, Kwang-Ho Kim, and Dongil Kwon, HARDMEKO 2007, Recent Advancement of Theory and Practice in Hardness Measurement, 19-21 November, 2007, Tsukuba, Japan [56] Gyímesi Ferenc, Füzessy Zoltán, Borbély Venczel, Bolla Róbert, Krállics György, Németh Árpád, Orbulov Imre, Bobor Kristóf, Nyulász Pál, Bogár István, Szigethy Dezső (BME, Fizikai Intézet, Fizika Tanszék), Túl a mérőbélyegen holográfiával: 3D-s felületi elmozdulás-mező kimérése, VII. Roncsolásmentes Anyagvizsgáló Konferencia és Kiállítás, 2011. április 12-14, Eger. [57] Carsten Ohms, Robert C. Wimpory, David Smith, Chris Truman, Hans Gripenberg, Anastasius G. Youtsos: Measurement of residual stress in as received and repaired clad components, Proceedings of PVP2006-ICPVT-11, 2006 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, July 23-27, 2006, Vancoucer, BC, Canada [58] Measurement of residual stresses by the hole-drilling* strain gage method, Tech Note TN-503, Micro-Measurements, 2010. [59] Maradó feszültség vizsgálata röntgendiffrakcióval - Dr Mertinger Valéria, Sólyom Jenő, Cseh Dávid

123

[60] Guy Pluvinage, Tóth László: Kísérleti és numerikus feszültséganalízis, Miskolci Egyetem, 1999 [61] Extending plant life through improved fabrication and advanced repair methodology, Final Technical Report, Elixir Project, Project No.: GRD1-2000-25239, 2004. [62] http://termek.ktk.bme.hu/anyag/7kj_javitastechnologia_2003.pdf [63] John N. DuPont, Ronald E. Mizia: Review of Dissimilar Metal Welding for the NGNP Helical Coil Steam Generator, INL/EXT-10-18459, Idaho National Laboratory, 2010. [64] A.M. Kanvinde, B.V. Fell, I.R. Gomez, M. Roberts: Predicting fracture in structural fillet welds using traditional and micromechanical fracture models, Engineering Structures 30 (2008) 3325-3335 [65] C. Faidy, G. Chas, S. Bhandari, M.P. Valeta, R. Hurst, A. Youtsos, P. Nevasmaa, W. Brocks, D. Lidbury, C. Wiesner: BIMET: structural integrity of bi-metallic components, Nuclear Engineering and Design 209 (2001) 79–85. [66] C. Faidy, G. Martin, S. Chapuliot, Y. Kayser, N. Safa, MF. Cipierre, P. Gilles, H. Keinanen, A. Laukkanen, A. Sherry, D. Lidbury, J. Wintle, N. Taylor, A. Youtsos, G. Lenkey: ASSESSMENT OF AGED PIPING DISSIMILAR METAL WELD INTEGRITY (ADIMEW), ADIMEW project report, 2003. [67] Eija Karita Puska, Vesa Suolanen, SAFIR 2010 Annual Plan 2010, Research report, VTT-R 03666-10. [68] http://www.scienceinschool.org/print/409 [69] http://www.forgacsolaskutatas.hu/elmelet/feluletminoseg [70] J. Toribio, V. Kharin, M. Lorenzo, D. Vergara: Role of drawing-induced residual stresses and strains in the hydrogen embrittlement susceptibility of prestressing steels, 2011 [71] Zoran Krstic, Vladimir D. Krstic: Crack propagation and residual stress in laminated Si3N4/BN composite structures, 2010 [72] R. Galato, A. Lanciotti: Fatigue crack propagation in residual stress fields of welded plates, 1996 [73] Youngsik Choi: A study on the effects of machining-induced residual stress on rolling contact fatigue [74] Association, W. S. (dátum nélk.). http://www.worldautosteel.org/. 120 Rue Colonel Bourg, B-1140 Brussels, Belgium. [75] Bruno Geoffroy Scuracchio, N. B. (3. january. 2013.). Role of residual stresses induced by double peening on fatigue durability of automotive leaf springs. Materials and Design, 672-676. [76] Edit, J. (1998. március 20-21.). A hőkezelési méretváltozások alapjai. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka. [77] Erzsébet, N. (dátum nélk.). Maradó feszültségek meghatározása. Miskolci Egyetem, Anyag és Kohómérnöki Kar, Fémtani Tanszék: miskolci Egyetem. [78] Gyula, K. (1980). Közúti járműmotorok könnyűfém dugattyúi. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. [79] Hyungyil Lee, H. S.-J. (2003). Design enhancement for stress relaxation in automotive multi-shell-structures. International Journal of Solins and Structures , 5319-5334. [80] Maurice I. Ripley, O. K. (2006). Residual stresses in a cast iron automotive brake disc rotor. Physica , 604-606. [81] Maximator Test, L. w.-t. (dátum nélk.). Autofrettage. 1350 Tri State Parkway, Suite 130, Gurnee, IL. [82] Miklós, D. B.-D.-D. (2007). Mechanikai Technológiák. Miskolc: Miskolci Egyetem. [83] Uddeholm. (dátum nélk.). ALUMEC Nagyszilárdságú alumínium. Uddeholm.

124

[84] Viktor, B. (2012.okt.24.). Műveleti sorrendtervezés az autóipari lézerhegesztés területén. [85] Patrik Dahlman, Fredrik Gunnberg, Michael Jacobson: The influence of rake angle, cutting feed and cutting depth on residual stresses in hard turning, Journal of Materials Processing Technology, Volume 147, Issue 2, 2004. április 10., Pages 181-184 [86] B. Podgornik, S. Milanovic, J. Vizinzin: Effect of different production phases on residual stress field in double-layer cast rolls, Journal of Materials Processing Technology, Volume 210, Issue 8, 2010. Június 1., Pages 1083-1088 [87] R.T.R McGrann, D.J. Greving, J.R. Shadley, E.F. Rybicki, T.L. Kruecke, B.E. Bodger: The effect of coating residual stress on the fatigue life of thermal spray-coated steel and aluminium, Surface and Coatings Technology, Volumes 108-109, 1998. Október 10., Pages 59-64. [88] P.J. Bouchard: Code characterisation of weld residual stress levels and the problem of innate scatter, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Volume 85, Issue 3, 2008. március, Pages 152-165. [89] G. Gomez-Rosas, C. Rubio-Gonzalez, J.L. Ocana, C. Molpeceres, J.A. Porro, W. ChiMoreno, M.Morales: High level compressive residual stresses produced in aluminium alloys by laser shock processing, Applied Surface Science, Volume 252, Issue 4, 2005. November 15, Pages 883-887. [90] http://prostreet-tech.blog.hu/2009/04/29/par_dolog_a_futomu_tuningal_kapcsolatban [91] (http://www.szakalmetal.eu/hu/dokumentumok/fogalomtar/auto/514-FutomuFelfuggesztes) [92] [http://en.wikipedia.org/wiki/Autofrettage] [93] http://hu.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnium [94] ALUMEC, Nagyszilárdságú aluminium, UDDEHOLM [95] Thomas J. Watson, South Windsor, United Technologies Corporation: High Strength Aluminum Alloy, 1999. December 22. [96] Magnézium a dízelmotorban, Anyagtechnológia, 2003/10 autótechnika [97] Magnéziumötvözetek, Anyagtechnológia, 2006/3 autótechnika [98] Magnézium a gépkocsiban, Anyagtechnológia, 2003/9 autótechnika [99] http://www.unimiskolc.hu/home/web/wwwkoh/www/hun/kemiai_int/kollegak/o_banhidi/korrozio_3.p df [100] Vargha Zoltán, Almássy tabor, Dr. Rónay Dezső, Cser Teréz, Radakovits Miklós: Gépjárművek korrózióvédelme, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983 [101] Zaki Ahmad: Principles of Corrosion Engineering and Corrosion Control, 2006. szeptember, Elsevier Science and Technology Books. [102] Szigeti Eszter: Hidrogén okozta károsodások vizsgálata, szakdolgozat. [103] Tom Lassen, Naman Recho: Fatigue Life Analyses of Welded Structures, Flaws, ISTE [104] ASM Handbook, Corrosion, Volume 13 [105] ASM Handbook, Fatigue and Fracture, Volume 19 [106] M. Kocak, S. Webster, J.J. Janosch, R.A. Ainsworth, R. Koers: FITNET FITNESSFOR-SERVICE (FFS) PROCEDURE, Vol. I., European Fitness-for-service Network. [107] http://en.wikipedia.org/wiki/Peening [108] Dr. Tisza Miklós, Dr. Fülöp Tibor, Adorján Gábor, Dr. Kiss Antal Magyar Zoltán, Reza Rowshan, Szabó Péter, ifj. Tisza Miklós: Modellezés és szimuláció az Anyagtudományban és az Anyagtechnológiákban, Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék (http://www.met.uni-miskolc.hu) [109] Thiele Ádám: Az acélok szennyező anyagai, Anyag- és gyártástechnológia, Budapesti Műszaki Egyetem, 2011 125

[110] http://hu.wikipedia.org/wiki/Kif%C3%A1rad%C3%A1s_%28anyag%C3%A9%29 [111] K. Dalaei, B. Karlsson, L.-E. Svensson – Stability of shot peeninginduced residual stresses and their influence on fatigue lifetime, Material Science and Engineering A, 538 (2011), 1008-1015 [112] G.H. Majzoobi, G.H. Farrahi, A.H. Mahmoudi – A finite element simulation and an experimental study of autofrettage for strain hardenes thick-walled cylinders, Materials Science and Engineering A359 (2003) 326-331 [113] G.H. Majzoobi, R. Azizi, A. Alavi Nia – A three-dimensional simulation of shot peening process using multiple shot impacts, Journal of Materials Proccessing Technoogy 164 – 165 (2005) 1226-1234 [114] Y.C. Yen, P. Sartkulvanich, T. Allan – Finite Element Modelling of Roller burnishing Process, Enineering Research Center for Net Shape Manufacturing, USA. [115] Molnár Dániel – Visszamaradó öntési feszültségek végeselemes szimulációja, Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 459-466 [116] Z. Barsoum – Residual Stress Analysis and Fatigue Assessment of Welded Steel Structures, pp. 20-22 [117] Robert Howard – A Study in the Prediction of Residual Stresses in Shot Peening, Thesis [118] N. Kenneth Burrel – Controlled Shot Peening of Automotive Components, Metal Improvement Co., Inc. [119] I.S. Jawahir, E. Brinksmeier, R.M’Saoubi, D.K. Aspinwall, J.C. Outeiro, D. Meyer, D. Umbrello, A.D. Jayal – Surface integrity in material removal processes: Recent advances, CIRP Annals – Manufacturing Technology [120] D. Bähre, H. Brünner – Simulation of Removing Autofrettage-induces Residual Stress Loaded Layers by Finite Element Analysis, Procedia Engineering 19 (2011) 9-15 [121] EQUIST [122] Dr. Mertinger Valéria, Sólyom Jenő, Cseh Dávid - Maradó feszültség vizsgálata röntgen diffrakcióval, 2010 [123] G. Totten, M. Howes, T.Isoue - Handbook of residual stress, 2002 [124] G.S. Schajer - Relaxation Methods for Measuring Residual Stresses [125] Colorado State University Measurement of Residual Stress by X-ray Diffraction [126] ASTM E837 [127] Reaktortartály alapanyag és plattírozás eltérő hőfizikai tulajdonságai követeztében ébredő maradó feszültség meghatározásának kidolgozása és végrehajtása, Háttéranyag és műszaki megalapozás, VEIKI Energia+ Energetikai Kutató Fejlesztő és Kivitelező Kft., Budapest. 2010. december. 10 [128] R.M. Sanderson , Y.C. Shen - Measurement of residual stress using laser generated ultrasound, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2010, 762-765 [129] http://www.scienceinschool.org/print/409 [130] Philip J. Withers - Mapping residual and internal stress in materials by neutron diffraction, C.R. Physique 8 (2007), 806-820 [131] Mágneses Barkhausen zaj vizsgálat [132] J. Gauthier, T.W. Krause, D.L. Atheron - Measurement of residual stress in steel using the magnetic Barkhausen noise technique, NDT& E International, Vol.31. 23-31 [133] A Carrado, F. Fiori, E. Girardin, T. Pirling, P. Powell, F. Rustichelli - Neutron diffraction measurement of residual stresses in metal matrix composite samples, Radiation Physics and Chemistry 61 ( 2001), 575- 577 [134] John W Wilson, Giu Yun Tian, Simon Barrans - Residual magnetic field sensing fos stress measurement, Sensor and Actuator A 135 (2007), 381- 387

126

[135] Re´mi Husson, Jean-Yves Dantan, Cyrille Baudouin, Serge Silvani, Thomas Scheer, Re´ gis Bigot -Evaluation of process causes and influences of residual stress on gear distortion, Manufacturing Technology 61 (2012) 551–554 [136] Maurice I., Oliver Kirstein - Residual stresses in a cast iron automotive brake disc rotor, Physica B 385–386 (2006) 604–606 [137] J. Matejicek P.C. Brand , A.R. Drewsc, A. Krause , C. Lowe-Mac - Residual stresses in cold-coiled helical compression springs for automotive suspensions measured by neutron diffraction, Materials Science and Engineering A 367 (2004) 306–311 [138] E. Carrera a, A. Rodr´ıguez a, J. Talamantes a, S. Valtierra a, R. Col´as b, Measurement of residual stresses in cast aluminium engine blocks, Journal of Materials Processing Technology 189 (2007) 206–210 [139] V. Schulze, M. Klemenz, M. Zimmermann, State of the Art in Shot Peening Simulation [140] Klemenz, M., Schulze, V., Rohr, I., Löhe, 2009. Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening. J. Mater. Process.Technol. 209, 4093–4102. [141] Zimmermann, M., Schulze, V., Hoffmeister, J., 2010. Finite element modelling of coverage effects during shot peening of IN718. Int. J. Mater. Res. 101 (8), 951– 962. [142] Meguid, S., 1999, “Finite element modeling of shot-peening residual stresses,” Trans. Journal of Materials Processing Technology, 92-93, pp. 401-404. [143] Meguid, S., 1999, “Three-dimensional dynamic finite element analysis of shot-peening induced residual stresses,” Trans. Finite Elements in Analysis and Design, 31, pp. 179191. [144] Meguid, S., 2007, “Development and Validation of Novel FE Model for 3D Analysis of Peening of Strain-Rate Sensitive Materials,” Trans. Journal of Engineering Materials and Technology, 129, pp. 271-283. [145] Guagliano, M., 2001, “Relating Almen intensity to residual stresses induced by shot peening: a numerical approach,” Trans. Journal of Materials Processing Technology, 110, pp. 277-286. [146] Hong, T., 2008, “Numerical study of the residual stress pattern for single shot impacting on a metallic component,” Trans. Advances in Engineering Software, 39, pp. 743-756. [147] Hong, T., Ooi, J.Y., Shaw, B., 2008a. A numerical simulation to relate the shot peening parameters to the induced residual stresses. Eng. Fail. Anal. 15, 1097–1110. [148] G.H. Majzoobi, R. Azizi, A. Alavi Nia, A three-dimensional simulation of shot peening process using multiple shot impacts, Journal of Materials Processing Technology 164– 165 (2005) 1226–1234 [149] M.A.S. Torres, H.J.C. Voorwald, An evaluation of shot peening, residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel, Int. J. Fatigue 24 (2002) 877– 886. [150] A. Gariépy, S. Larose, C. Perron, M. Lévesque, Shot peening and peen forming finite element modelling – Towards a quantitative method, International Journal of Solids and Structures 48 (2011) 2859–2877 [151] Pascale Balland, Laurent Tabourot, Fabien Degre, Vincent Moreau, An investigation of the mechanics of roller burnishing through finite element simulation and experiments, International Journal of Machine Tools & Manufacture 65 (2013) 29–36 [152] P. LI, D.M. MAIJER, T.C. LINDLEY, P.D. LEE, Simulating the Residual Stress in an A356 Automotive Wheel and Its Impact on Fatigue Life, DOI: 10.1007/s11663-0079050-5, The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007 [153] http://fea.varinex.hu/contents/view/120

127