A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai Kalmár Emília ÓE Kandó MTI
Szerkezeti anyagok igénybevételei Az elemzés szükséges: • A szerkezeti anyagok tulajdonságainak meghatározásához, • A károsodási folyamatok megértéséhez, • Ahhoz, hogy a megfelelő szerkezeti anyagot választhassuk ki az eszköz működési funkciójához.
A szerkezeti anyagok funkció által meghatározott igénybevételei: •
•
Térfogatra ható igénybevételek: - mechanikai igénybevételek, - termikus igénybevételek, - sugárfizikai igénybevételek, Felületre ható igénybevételek: - sugárfizikai igénybevételek (felületre hatók is), - kémiai igénybevételek, - biológiai igénybevételek, - tribológiai igénybevételek.
Térfogatra ható mechanikai igénybevételek: • • • • •
Húzás-nyomás, Nyírás, eltolás,csúszás, Hajlítás, Csavarás, torzió, Hidrosztatikai nyomás.
Húzás-nyomás: Δl/2
F h A l0 d0
Húzó fesz.
F ny A l nyúlás l0 kontrakció
d k d0
Nyírás, eltolás, csúszás: w Nyíró feszültség
F
υ
F A
w Nyíró alakváltozás tg l0
Hajlítás: Hajlító nyomaték:
F/2
Behajlás:
M max
Fl0 4
h u l0
F
F/2
h MEMS kapcsoló poliszilíciumból (Micro-Electro-Mechanical System)
~ 5 μs
Csavarás, torzió: Forgató nyomaték
F φ
Torzió
M Fr
l0
F
Törési felület: A pont: a törés kiindulópontja – körülötte fáradási zónák, jobbra a torziós törés befejező szakasza
Torziós mező szemléltetése tenzorokkal
Hidrosztatikai nyomás: A nyomás minden oldalról „p”
Kompresszió
V K V0
A szerkezeti anyagokra ható igénybevételek időbeli lefolyása Igénybevételek: • Állandó: - statikus, - kúszási, • Periódikusan változó (lengő), • Sztochasztikusan változó. Az igénybevételek szinte mindig egymásra szuperponálódva, komplexen hatnak.
Statikus, tartós igénybevétel:
ig.v. 1(t)
t
Minden bekapcsolás, ill. az ellentettje a kikapcsolás, feszültségmentesítés. Valóságban a jel erre a jelre, mely a készülék sajátja, szuperponálva jelenik meg.
Erőteljes, rövid ideig tartó igénybevétel: ig.v. δ(t) Valós igénybevétel t
Rövid ideig tartó nagy energia közlést jelent: pl.: ha leesik a készülék vagy hozzácsapódik valami.
Periódikusan változó, lengő vagy lüktető igénybevétel:
Az állandó amplitúdójú lengőterhelés valamilyen állandó előterhelésre szuperponálva jelenik meg.
Sztochasztikusan változó igénybevétel: A véletlenszerűen változó igénybevétel állandó vagy változó előterhelésre ültetve hathat.
ig.v.
t
A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai Jellemző paraméterek: Adott erő vagy feszültség hatására a vizsgált szerkezeti anyag (mechanikai igénybevételre terhelt anyagok) milyen alakváltozást szenved ill. milyen terhelés hatására törik el.
A szerkezeti anyagok alakváltozásai lehetnek: • Reverzibilis: a terhelés megszűnik – az alakváltozás is megszűnik időben: rugalmas – azonnali, egyidejű, viszkorugalmas – időben elhúzódó, • Irreverzbilis: a terhelés megszűnik – maradó alakváltozás (képlékeny viselkedés) időben: plasztikusság, viszkoplasztikusság, • Törés: A szerkezeti anyag szétválása, folytonosságának megszakadása a repedések makroszkopikus tartományban való terjedése következtében. (rideg viselkedés)
A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai állapotfüggőek. Állapotváltozók:
• Hőmérséklet, • Feszültségi állapot, • Alakváltozás sebessége.
Rugalmasság:
Lineárisan rugalmas: • Húzás:
Hook-törv. σ = εE, E=rug.modulus • Nyírás: τ = γG G=csúsztató modulus • Hidrosztatikai nyomás: βh = kK K=nyomási modulus
σ
ε
Csekély alakváltozás (ε ≤ 0,01%) esetén minden szilárdtest rugalmas.
A görbe alatti terület a befektetett alakítási energia – veszteség nélkül visszanyerhető!
A rugalmassági állandók a kristályt felépítő atomok/ionok között ható erőkre jellemzők → A köbös kristályú fémekben a rugalmassági állandók függetlenek az iránytól (izotróp), az alacsonyabb szimmetriájú kristályokban az anyagállandók tenzorok
Az anyag olvadáspontja és a rugalmassági állandók között arányosság, eredete a vonzó és taszító erők természetében. A rugalmassági állandó a hőmérséklet növekedésével csökken.
emlékeztető
Nem-lineárisan rugalmas: A terhelés megszűnte után az alakváltozási energia teljes mértékben felszabadul. pl.:gumi (kb.500% nyúlásig!
Rugalmatlan: Rugalmatlan hiszterézis: nyúlásgörbék a terheléskor és a terhelés megszűnte után nem esnek egybe. pl.: vibrációs csillapításnál előnyös. Energiabevitel–veszteség
Viszkorugalmasság: A viszkorugalmasság (viszkoelaszticitás) időtől függő, reverzibilis alakváltozás.
Fogalom összevonás: - viszkózus viselkedés: nyúlás lineárisan függ az időtől – irreverzibilis folyamat, - rugalmas (elasztikus) viselkedés: lineáris összefüggés van a feszültség és a nyúlás között. Jellemzői: Er= relaxációs modulus, a viszkorugalmas alakváltozással szembeni ellenállás mértéke, Τ = relaxációs idő, relaxációs alakváltozás sebességének mértéke.
Szilárdság és alakváltozás Szilárdság: a szerkezeti anyag vagy szerkezeti elem töréssel szemben támasztott ellenálló képessége. Függ: • szerkezeti anyag (kémiai jellemzők, kötések, mikroszövet), • szerkezeti elem geometriája (alak, érdesség, bemetszések), • igénybevétel jellege, • igénybevétel – idő függvény, • hőmérséklet, • környezeti feltételek (pl.: korróziós közeg). Mechanikai-technológiai vizsgáló módszerekkel határozható meg.
Szakítóvizsgálat Az S0 kiinduló keresztmetszetű és L0 kezdeti hosszúságú próbatestet egytengelyű húzó igénybevétellel adott sebesség mellett addig nyújtunk, míg be nem következik a szakadás. A vizsgálat során mérjük a terhelés változását a darab nyúlásának a függvényében.
I Rugalmas alakváltozás: a terhelés megszűnése után a darab visszanyeri eredeti alakját.
Szakítódiagram
σ
II
I
III
Δ ε σeL…alsó folyáshatár σeH…felső folyáshatár σm….szakítószilárdság
II Egyenletes alakváltozás: a képlékeny deformáció a mérőhossz minden egyes pontján azonos. A terhelés megszűnése után az egyenletes nyúlás egyenesével párhuzamosan tér vissza a 0 terhelésre, van visszamaradó deformáció (Δε).
III Kontrakció: a képlékeny deformáció egy szűk tartományra korlátozódik.
A képlékenység vagy a ridegség nem csak az anyag, hanem annak állapotának a jellemzője. A mérésből meghatározhatóak még a következő mutatószámok: εt…teljes törési nyúlás,
l lu l0 t l0 l0
lu…törés utáni próbatest hossz,
l0...próbatest eredeti hossza. Z…kontrakció,
A Z A0
ΔA…legnagyobb keresztmetszet változás, A0…kiinduló keresztmetszet.
Ezekből a viszonyszámokból számolható vagy becsülhető: • a szerkezeti elem méretezése,
• konstrukció terhelhetősége, • a szerkezeti anyag képlékenységének megítélése az alakítás alatt.
A szerkezeti anyagok kúszása és terhelés alatti viselkedése Kúszás: Az állandó, tartós terhelés alatt jelentkező, a „t” időtől és a „T” hőmérséklettől függő alakváltozás. Ε =f(σ; t; T) Okai: A termikusan aktivált folyamatok (pl.: diszlokációs és kristályhatár mozgások). Ezek olyan hőmérsékleten lépnek fel, amely függ: • Szerkezeti anyag fajtájától, • Tm olvadási hőmérséklettől, • (Tü üvegesedési hőmérséklettől). pl: fémek: Tü >(0,3 – 0,4)Tm, keramikus anyagok: Tü >(0,4 – 0,5)Tm
Kúszási görbe:
tartós terhelési görbe, időtől függő ε = f(t) alakváltozás, ha σ = const.; T = const.
Szakaszai: I.
Átmeneti v. primer kúszás szakasza – kezdeti képlékeny alakváltozás, II. Állandó v. szekunder kúszás szakasza – dinamikus egyensúly a keményedés és a szilárdság csökkenés között, III. Gyorsuló v. tercier kúszás szakasza – kúszási megnyúlás gyors növekedése, irreverzibilis folyamatok – kúszási törés
Kúszáshatár: Az a feszültség, amely adott hőmérsékleten (T) végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb maradó alakváltozást (σT0,2). Időtartam-szilárdság: Az a feszültség, amely t idő alatt adott εt maradó alakváltozást hoz létre.
A szerkezeti anyagok kúszási folyamatairól: A szerkezeti anyagok kúszása feszültségrelaxációval van összefüggésben, azaz valamely konstrukcióba előfeszítéssel bevitt feszültségek az anyag képlékeny megnyúlása nyomán idővel csökkennek. Emiatt pl. a fémszerkezetek csavarkötéseit 0,3Tm feletti üzemi hőmérsékleten rendszeresen meg kell húzni!
A kúszás „hatása” turbinalapáton – a lapát tönkremenetele
Kifáradás és kifáradási határ Kifáradás: A szerkezeti anyag változó ill. lengő igénybevétel mellett bekövetkező tönkremenetele.
• Mikroszkópikusan: Az ide-oda csúszkáló diszlokációs vonalak csúszási sávokká történő felhalmozódásából tevődik össze. • Makroszkópikusan: Keményedés formájában jelentkezik. A próbatest felületén nyíródási jelenségek, repedések kiindulása lehet. A kiinduló keresztmetszet lecsökken – erőszakos szakadás lép fel.
A szerkezeti anyag kifáradásának okai lehetnek: • A hirtelen ébredő túlterhelés, • A terhelő feszültség gyakori és nagy ingadozása, • Az ismételt igénybevételek túl nagy száma, • Feszültség koncentrációs helyek jelenléte, • Hőmérséklet ingadozása, • Korrózió, • Az anyag belső feszültségeinek nagysága és eloszlása, • Az anyag szerkezete, • Többtengelyű feszültségi állapot.
Wöhler-görbe: szám.
feszültség – lengő igénybevétel
Kísérleti úton határozzák meg.
0,2 < σ w /σ F<1,2 ahol
σ w =kifáradási határ, σ F=folyási határ. A görbe acélra vonatkozik, tartós szilárdsággal rendelkezik: ha a terhelés ≤ σ w , akkor N→∞. De pl.: a Cu, Al esetén a görbe asszimptotája a vízszintes tengely!
Boeing 707 Hawaii Oka: anyagfáradás „csak” 1 áldozat
1998. június, Németország A baleset oka: a kerék repedése. Akkor még nem volt törésmechanikai előrejelzés, csak az átmérő csökkenést ellenőrizték.
Anyagkárosodás, anyagvédelem A szerkezeti anyagokat technikai alkalmazásuk során különböző hatások érik, melyek működésüket és élettartamukat károsan befolyásolják, ezek az anyagkárosodási folyamatok.
Az anyagkárosodást okozhatják: • A térfogatra ható igénybevételek: – mechanikai, – termikus, – sugárfizikai,
• A felületre ható igénybevételek: – – – –
sugárfizikai, kémiai, biológiai, tribológiai.
Az anyagkárosodások csoportosítása: • • • • •
törés, öregedés, korrózió, biológiai anyagkárosodás, kopás.
A károsodási ismeretek célja: • feltárni az anyagkárosodások okait, • anyagvédelemre módszereket kidolgozni,
• módszerek a károsodás ellensúlyozására, • módszerek a károsodás megelőzésére.
Törés A szerkezeti anyag makroszkópikus megszakadása, amelyet a mechanikai igénybevétel okoz, amennyiben az túllépi a szilárdtest belsejében fennálló kötőerőt.
Szívós törés
Rideg törés
Törésmechanika A szerkezeti anyagokban meglévő repedésszerű hibahelyek alakjában jelentkező hibák jelenlétéből indul ki és a szerkezeti anyagnak a repedés tovaterjedésével szemben tanúsított ellenállását vizsgálja.
Öregedés • Az idő folyamán valamely anyagban lezajló összes olyan kémiai vagy fizikai folyamat, amelyekhez a szerkezeti anyag tulajdonságainak (többnyire negatív) megváltozása kapcsolódik.
• Okai lehetnek: – belső (pl. összetétel változások), – külső (pl.: hőmérsékletváltozás, sugárzás).
Különböző anyagok különböző öregedési jelenségeket mutatnak: • Fémek esetében - mechanikai mutatószámok megváltoznak, • Szervetlen anyagok esetében – bizonyos anyagok kiválása következtében „kiizzadás” vagy „kivirágzás”, • Polimer szerkezeti anyagok esetében – duzzadás, zsugorodás, vetemedés, diffúzió, repedésképződés elszíneződés, különösen megfakulás következtében.
Öregedés elleni védelem érhető el: • Inhibitorokkal – olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciókat késleltetik, • Stabilizátorokkal – ezek az anyagok a feldolgozással ill. az öregedéssel okozott tulajdonságváltozásokat csökkentik. Pl.: hőstabilizátorok, sugárzás elleni védőanyagok.
