ME
ANYAGVIZSGÁLAT GÉIK, I. évfolyam – BSc 7. előadás – 2010/2011. tanév, 2. félév C) KEMÉNYSÉGMÉRÉSEK D) FÁRASZTÓVIZSGÁLATOK Előadó: Dr. Lukács János egyetemi tanár Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék
Az előadási anyag elérhetősége az Interneten
http://edu.uni-miskolc.hu/
Információk a fóliák olvasásához 9 A tananyag tagolása (fejezetek, részek számozása, címek, alcímek) az előadásokon és a fóliákon azonos 9 Az alkalmazott színek segítséget kívánnak nyújtani a tananyag megértéséhez azzal, hogy felhívják a figyelmet egy-egy részletkérdésre (a zárójelben sárga színnel írott rész példát jelent) (a zárójelben zöld színnel írott rész korábban alkalmazott és/vagy rokon értelmű, illetve idegen nyelvű jelölést, kifejezést jelent) piros színnel írott és/vagy bekarikázott rész ¾ a figyelemfelhívást jelent, amelyhez az előadáson általában szóbeli magyarázat is kapcsolódik ¾ a fehér hátterű dia tájékoztató, magyarázó, szemléltető jellegű ¾ ¾
9 Az előadási anyag végén megtalálhatók azok a források, amelyek az anyag összeállításánál felhasználásra kerültek ¾ a felkészüléshez ajánlott tankönyv vonatkozó részeinek oldalszámai, a tananyag tagolásához rendelve ¾
1. előadás: A) BEVEZETŐ ISMERETEK
A tantárgyról II. – témakörök 9 Az anyagvizsgálat feladatai, az anyagvizsgáló eljárások csoportosítása 9 A szakítóvizsgálat és alkalmazásai 9 A nyomóvizsgálat és alkalmazásai 9 A keménységmérések és alkalmazásaik 9 Ismétlődő igénybevételek, fárasztóvizsgálatok, biztonsági diagramok 9 Az állapottényezők, ridegség és szívósság 9 A kúszásvizsgálat 9 Az ütővizsgálat és alkalmazásai 9 A hajlítóvizsgálat és alkalmazásai 9 Vizuális vizsgálatok 9 Ultrahangvizsgálatok 9 Radiográfiai vizsgálatok 9 Mérések és mérőszámok: matematikai-statisztika az anyagvizsgálatban
C) 5. A keménységmérés alkalmazásai 1. előadás: A) BEVEZETŐ ISMERETEK
5. (Gyártás)technológiák 9 anyag – technológia – konstrukció egysége 9 a technológiák csoportosítása gyártási folyamat szemléletben (fémek és ötvözeteik) alapanyaggyártás (kohászat) ¾ előgyártmányok, félgyártmányok alakadása (öntés, képlékenyalakítás, porkohászat) ¾ gyártmány elemek alakadása, tulajdonságainak beállítása (képlékenyalakítás, forgácsolás, hőkezelés, felületkezelés) ¾ gyártmányok létrehozása (hegesztés, forrasztás, ragasztás, szerelés) ¾
C) 5.1.3. Hegesztett kötések keménységvizsgálata 9 indok: a hegesztett kötés különböző részei különböző tulajdonságúak → eltérő keménység értékek 9 példák a mérési helyekre (E) acélok esetén: tompakötés ¾ merőleges kötés ¾
C) 5.2. Sormérések, keménység profilok C) 5.2.1. Felületi rétegek vizsgálata 9 indok: a szerkezeti elem tulajdonságai a felülettől befelé haladva eltérőek → eltérő keménységek 9 keménység függvény 9 sajátosságok: pontos eljárásra van szükség (HV, HVM, HK) ¾ vonal mentén kell mérni ¾ a lenyomatok felülettől való távolságára ügyelni kell ¾ a lenyomatok egymástól való távolságára ügyelni kell ¾
C) 5. A keménységmérés alkalmazásai 1. előadás: A) BEVEZETŐ ISMERETEK
5. (Gyártás)technológiák 9 anyag – technológia – konstrukció egysége 9 a technológiák csoportosítása gyártási folyamat szemléletben (fémek és ötvözeteik) alapanyaggyártás (kohászat) ¾ előgyártmányok, félgyártmányok alakadása (öntés, képlékenyalakítás, porkohászat) ¾ gyártmány elemek alakadása, tulajdonságainak beállítása (képlékenyalakítás, forgácsolás, hőkezelés, felületkezelés) ¾ gyártmányok létrehozása (hegesztés, forrasztás, ragasztás, szerelés) ¾
C) 5.2.2. Hegesztett kötések keménységvizsgálata 9 indok: a hegesztett kötés tulajdonságai különböző irányokban (különböző vonalak mentén) eltérőek 9 példák lenyomatsorokra (R) acélok esetén: tompakötés ¾ merőleges kötés ¾
C) 5.2.2. Hegesztett kötések keménységvizsgálata (folytatás)
C) 6. A keménységmérő eljárások (skálák) alkalmazási területei Eljárás/skála Brinell Poldi Vickers
Jellemző alkalmazási körülmények; anyagminőségek átlagkeménység igény, felületi benyomódás megengedhető; lágyacélok, öntöttvasak, színes-, könnyűfémek és ötvözeteik helyszini mérések; ugyanaz mint Brinell pontos mérés igénye, kis felületi roncsolódás engedhető meg, vékony egyedek; minden anyagminőség
Miko-Vickers
helyi keménység érték igény, pontos mérés igénye, vékony vizsgálati egyedek; minden anyagminőség
Knoop
helyi keménység érték igény, pontos mérés igénye, vékony vizsgálati egyedek; minden anyagminőség
Rockwell
gyors és egyszerű mérés igénye, nincs komoly pontossági követelmény; minden anyagminőség
felületiRockwell
vékony vizsgálati egyedek, gyors és egyszerű mérés igénye, automatizálhatóság; minden anyagminőség
szkleroszkóp
helyszini mérések, nagy méretű és nagy tömegű vizsgálati egyedek; fémek és ötvözeteik
Leeb
helyszini mérések, nagy méretű és nagy tömegű vizsgálati egyedek, gyors és automatizálható mérések; fémek és ötvözeteik
Shore
gyors és egyszerű mérés igénye; polimerek, textíliák
C) 6. A Rockwell eljárások (skálák) alkalmazási területei Ská Skála
Jellemző Jellemző alkalmazá alkalmazási terü területek Általá ltalános eljá eljárások
HRA
kemé keményfé nyfémek, vé vékony acé acéllemezek, vé vékony ké kéregben beté betétben edzett acé acélok
HRB
lágyacé gyacélok, temperö temperöntvé ntvények, nyek, Al ötvö tvözetek, Cu ötvö tvözetek
HRC
acé acélok, kemé kemény öntö ntöttvasak, perlites temperö temperöntvé ntvények, nyek, Ti, vastag ké kéregben beté betétedzett acé acélok
HRD
vékony acé acéllemezek, kö közepes kemé keménysé nységű beté betétedzett acé acélok, perlites temperö temperöntvé ntvények
HRE
öntö ntöttvasak, Al és Mg ötvö tvözetek, csapá csapágyfé gyfémek
HRF
lágyí gyított Cu ötvö tvözetek, vé vékony lá lágy fé fémlemezek
HRG
foszforfoszfor-bronzok, berilliumberillium-bronzok, temperö temperöntvé ntvények
HRH
Al, Al, Zn, Zn, Pb
HRK HRL HRM HRP HRR
csapá tmé érőt és csapágyfé gyfémek, egyé egyéb nagyon lá lágy vagy vé vékony anyagok – mindig azt a legkisebb golyóá golyóátm legnagyobb terhelő terhelő erő erőt kell vá választani, amelyekné amelyeknél az alá alátámasztá masztás befolyá befolyásoló soló hatá hatása nem jelentkezik (a benyomó benyomódás mé mélysé lysége ne haladja meg a vizsgá vizsgálati egyed vastagsá vastagságának tizedé tizedét)
HRS HRV Felü Felületi eljá eljárások (szuper Rockwell eljá eljárások) HRN
ugyanaz, mint A, C és D ská skálák, de vé vékonyabb vizsgá vizsgálati egyedek
HRT
ugyanaz, mint B, F és G ská skálák, de vé vékonyabb vizsgá vizsgálati egyedek
HRW HRX HRY
nagyon lá lágy anyagok
C) 6. A Leeb (Equotip) keménységmérők jellegzetességei Típus (HL _)
Maximális egyenértékű HRC keménység
Az egyed minimális tömege, kg
Leírás; jellemző alkalmazási terület
D
68
5
alap készülék; kovácsolt és öntött acélok, Al és Cu ötvözetek, öntöttvasak
DC
68
5
speciális készülék szűk helyekre; mint D
D+15
68
5
speciális készülék nagyon vékony egyedekhez; mint D
G
60
15
speciális készülék, nagyobb mérettel és ütési energiával, nagy és nehéz egyedekhez; kovácsolt és öntött acélok, öntöttvasak
C
68
1,5
speciális készülék, kis ütési energiával; betétedzett acélok, bevonatok, vékony acél egyedek
E
70
5
speciális készülék; nagy keménységű kovácsolt és öntött acélok
C) 6. A duroszkópok (durométerek) jellemzői és alkalmazási területeik Típus (Shore _)
Szerszám
Rugóerő, gramm
Jellemző alkalmazási terület
A
csonka kúp (30 °)
822
lágy, vulkanizált gumik, elasztomerek, természetes gumik, bőr
B
kúp (35 °)
822
mérsékelten kemény gumik
C
csonka kúp (30 °)
4540
közepesen kemény gumik és műanyagok
D
kúp (35 °)
4540
közepesebb kemény gumik és műanyagok
D0
gömb (2,38 mm)
4540
nagy sűrűségű textíliák
0
gömb (2,38 mm)
822
lágy nyomtató hengerek, közepes sűrűségű textíliák
00
gömb (2,38 mm)
113
szivacsok, kis sűrűségű textíliák
000
gömb (12,7 mm)
113
nagyon lágy szivacsok
T
gömb (2,38 mm)
822
közepes sűrűségű textíliák
C) 7. A keménység értékek átszámítása: acélok 800 700
Vickers keménység, HV
600 500 400 Brinell keménység, HB
300
Rockwell keménység, HRA Rockwell keménység, HRB
200
Rockwell keménység, HRC Knoop keménység, HK
100
Szkleroszkóp keménység 0 0
100
200
300
400 Keménység
500
600
700
800
C) 7. A keménység értékek átszámítása: acélok
C) 7. A keménység értékek átszámítása: polimerek 100 Shore B 90
Shore C Shore D
Durometer A skála (Shore A)
80
Shore 0 Shore 00
70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Durométer skála (Shore _)
70
80
90
100
C) 8. A keménység és a szakítóvizsgálati mérőszámok összefüggése – az Rm = c*HB, illetve Rm = c*HV összefüggések állandói – Anyagminőség
Keménység
Az állandó (c) értéke minimum
maximum
lágyított állapotú ötvözetlen acélok
HB
3,55
3,86
hőkezelt ötvözetlen és ötvözött acélok
HB
3,24
3,55
acélok: lemez, szalag, cső
HV
2,85
3,71
ausztenites Cr-Ni acélok
HV
3,09
3,32
minden acél
HB
3,09
3,55
alumínium ötvözetek: rudak, extrudált profilok
HB
2,94
4,48
HV
2,85
4,17
alumínium ötvözetek: lemez, szalag, cső
HV
3,24
4,01
alumínium-réz öntvények
HB
1,70
2,94
alumínium-szilícium öntvények
HB
2,32
2,94
alumínium-szilícium-nikkel öntvények
HB
2,63
3,71
foszfor-bronz öntvények
HB
2,32
3,24
sárgaréz öntvények
HB
3,24
4,63
1. előadás: A) BEVEZETŐ ISMERETEK
A tantárgyról II. – témakörök 9 Az anyagvizsgálat feladatai, az anyagvizsgáló eljárások csoportosítása 9 A szakítóvizsgálat és alkalmazásai 9 A nyomóvizsgálat és alkalmazásai 9 A keménységmérések és alkalmazásaik 9 Ismétlődő igénybevételek, fárasztóvizsgálatok, biztonsági diagramok 9 Az állapottényezők, ridegség és szívósság 9 A kúszásvizsgálat 9 Az ütővizsgálat és alkalmazásai 9 A hajlítóvizsgálat és alkalmazásai 9 Vizuális vizsgálatok 9 Ultrahangvizsgálatok 9 Radiográfiai vizsgálatok 9 Mérések és mérőszámok: matematikai-statisztika az anyagvizsgálatban
D) I. AZ ISMÉTLŐDŐ IGÉNYBEVÉTELEK D) I.1. Az ismétlődő igénybevételek jelentősége 9 9
különböző szerkezet-típusok károsodása töréshez vezető káresetek statisztikája
D) I.1. Az ismétlődő igénybevételek jelentősége – mérnöki szerkezetek károsodása –
túlterhelés 11%
korrózió 29%
ridegtörés 16%
SCC, korróziós fáradás, HE 6%
korrózió magas hőmérsékleten, kúszás 10% fáradás 25%
kopás, erózió 3%
SCC = Stress Corrosion Cracking – feszültségkorróziós repedés HE = Hydrogen Embrittlement – hidrogén okozta elridegedés
D) I.1. Az ismétlődő igénybevételek jelentősége – repülőgép szerkezetek károsodása –
ridegtörés 0%
túlterhelés 14%
korrózió 16%
korrózió magas hőmérsékleten, kúszás 2%
SCC, korróziós fáradás, HE 7%
kopás, erózió 6%
fáradás 55% SCC = Stress Corrosion Cracking – feszültségkorróziós repedés HE = Hydrogen Embrittlement – hidrogén okozta elridegedés
D) I.1. Az ismétlődő igénybevételek jelentősége – töréshez vezető káresetek statisztikája – A törést előidéző okok megoszlása a terhelés sajátosságai szerint feszültségkorrózió 5% statikus törés 13% egyéb fáradás (korróziós, kontakt stb.) 12% kisciklusú fáradás 8%
korróziós lyukadás 3%
nagyciklusú fáradás, fáradásos repedésterjedés 59%
D) I.1. Az ismétlődő igénybevételek jelentősége – töréshez vezető káresetek statisztikája – A töréseket előidéző okok megoszlása a terhelés sajátosságai szerint, összevonva a kvázistatikus és az ismétlődő igénybevételeket
ismétlődő igénybevétel 79%
kvázistatikus igénybevétel 21%
D) I.2. Az ismétlődő igénybevételek csoportosítása 9 bonyolultság alapján: egyszerű (M, T, K igénybevételi típus) ¾ összetett ¾
9 egy igénybevételi típuson belül (M: húzás és hajlítás) 9 igénybevételi típusok között (M + T: kúszás)
9 az időbeli változás alapján: állandó terhelésamplitúdó ¾ változó terhelésamplitúdó ¾
9 blokkszerűen változó 9 üzemállapotnak megfelelően változó → szerkezet, illetve szerkezeti elem függőség 9 véletlenszerűen változó (random)
D) I.2. Az ismétlődő igénybevételek csoportosítása – példa az időbeli változásra és annak modellezésére –
D) I.2. Az ismétlődő igénybevételek csoportosítása (folytatás) 9 a károsodás módja ≈ ciklusszám alapján: kisciklusú fáradás (LCF = Low Cycle Fatigue): 102104 (5*104) ¾ nagyciklusú fáradás (HCF = High Cycle Fatigue): 104 (5*104)-107 (109) ¾ ultra nagy ciklusú fáradás (UHCF = Ultra High Cycle Fatigue): >107 (109) ¾ fáradásos repedésterjedés (FCG = Fatigue Crack Growth): ebben az értelemben nem köthető ciklusszámhoz ¾
D) I.3. A károsodási folyamat szakaszai 9 9
repedések keletkezése repedések terjedése ¾ ¾
9
mikrorepedések terjedése makrorepedések terjedése
törés
D) I.4. Az ismétlődő igénybevételek jellemzői 9 az igénybevétel leírása minimális és maximális feszültség: σmin, σmax ¾ középfeszültség és feszültség amplitúdó: σm (σk), σa ¾ terhelés aszimmetria tényező (feszültségarány): R ¾ a feszültségek közötti kapcsolatok ¾
9 az igénybevételek változásának típusai lüktető nyomó ¾ lengő ¾ lüktető húzó ¾
D) I.5. Kifáradási görbék (Wöhler görbe, S-N görbe) 9 mit szeretnénk tudni? adott terhelés esetén mennyi az elviselt terhelési ciklusok száma? ¾ változik-e, és ha igen, akkor hogyan, az elviselt ciklusszám a terhelés nagysága függvényében? ¾ van-e olyan terhelés, amelynél az elviselt terhelési ciklusok száma végtelen?; illetve „mennyi” is a végtelen? ¾ a meghatározható mennyiségek közül melyik lehet méretezési alapadat? ¾
D) I.5. Kifáradási görbék (Wöhler görbe, S-N görbe) 9 a klasszikus Wöhler görbe 9 a klasszikus Wöhler görbe szakaszának kiegészítése 9 a teljes Wöhler görbe (1) 9 a teljes Wöhler görbe (2)
élettartam
D) I.5. Kifáradási görbék: A teljes Wöhler görbe (2) Nagyciklusú fáradás
Feszültség, σ
Kisciklusú fáradás
Élettartam
Ultra nagyciklusú fáradás
Extra kisciklusú fáradás Kifáradási határ
Normál kisciklusú fáradás
Törésig elviselt ciklusszám, N
D) II. VIZSGÁLATI EGYEDEK 1. előadás: A) BEVEZETŐ ISMERETEK
6.3. Az anyagvizsgáló eljárások csoportosítása a vizsgálati egyed méretei alapján 9 mikropróbatest vizsgálata 9 normál próbatestes vizsgálatok 9 nagyméretű próbatestes vizsgálatok 9 szerkezeti elem vizsgálatok 9 teljes szerkezet vizsgálata
D) II. VIZSGÁLATI EGYEDEK 9 próbatestek vizsgálata cél: az (alap)anyag fáradási tulajdonságainak meghatározása ¾ követelmények: ¾
9 kiindulási alapanyag azonos előélete 9 kiindulási műveletek és paraméterek egyezősége 9 méretek
9 szerkezeti elemek, szerkezetek vizsgálata ¾
cél: a szerkezeti elem, illetve a szerkezet fáradási tulajdonságainak meghatározása
Források jegyzéke I. 9 10. dia: A megjelenítés sorrendjében ¾
POHLE, C. Zerstörende Werkstoffprüfung in der Schweisstechnik. Deutscher Verlag für Schweisstechnik, Düsseldorf, 1990. Bild 2-107. p. 87. ¾ POHLE, C. Zerstörende Werkstoffprüfung in der Schweisstechnik. Deutscher Verlag für Schweisstechnik, Düsseldorf, 1990. Bild 2-108. p. 87.
9 12. dia: ASM Handbook, Vol. 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International, Materials Park, Ohio, 2000. Table 2 p. 205. 9 13. dia: ASM Handbook, Vol. 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International, Materials Park, Ohio, 2000. Fig. Table 2 p. 254. 9 14. dia: ASM Handbook, Vol. 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International, Materials Park, Ohio, 2000. Table 3 p. 255. 9 15. dia: ASM Handbook, Vol. 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International, Materials Park, Ohio, 2000. Table 5 p. 286. 9 16. dia: POHLE, C. Zerstörende Werkstoffprüfung in der Schweisstechnik. Deutscher Verlag für Schweisstechnik, Düsseldorf, 1990. Bild 2-119. p. 94. 9 17. dia: ASM Handbook, Vol. 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International, Materials Park, Ohio, 2000. Fig. 8 p. 273. 9 18. dia: ASM Handbook, Vol. 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International, Materials Park, Ohio, 2000. Table 15 p. 272. 9 21. dia: Findlay, S. J., and Harrison, N. D., 2002, “Why Aircraft Fail,” Materials Today, (11), pp. 18-25. 9 22. dia: Findlay, S. J., and Harrison, N. D., 2002, “Why Aircraft Fail,” Materials Today, (11), pp. 18-25.
Források jegyzéke II. 9 23. dia: Gál, I.; Kocsisné, B. M.; Lenkeyné, B. Gy.; Lukács, Nagy, Gy.; Tisza, M.: Anyagvizsgálat. Szerk.: Tisza, M. Kiadó, 2001. 1.9. ábra. 9 24. dia: Gál, I.; Kocsisné, B. M.; Lenkeyné, B. Gy.; Lukács, Nagy, Gy.; Tisza, M.: Anyagvizsgálat. Szerk.: Tisza, M. Kiadó, 2001. 1.9. ábra. 9 26. dia: A megjelenítés sorrendjében
J.; Marosné, B. M.; Miskolci Egyetemi J.; Marosné, B. M.; Miskolci Egyetemi
¾
BROEK, D.: The Practical Use of Fracture Mechanics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London, 1988. ¾ http://www.mts.com
9 28. dia: Newman, J. C. Jr., 1997, “The Merging of Fatigue and Fracture Mechanics Concepts: A Historical Perspective,” Fatigue and Fracture Mechanics: 28th Volume, ASTM STP 1321, Underwood, J. H., Macdonald, B. D., and Mitchell, M. R., eds., ASTM, pp. 3-51.
A felkészüléshez ajánlott tankönyv és a vonatkozó oldalszámok 9 Gál, I.; Kocsisné, B. M.; Lenkeyné, B. Gy.; Lukács, J.; Marosné, B. M.; Nagy, Gy.; Tisza, M.: Anyagvizsgálat. Szerk.: Tisza, M. Miskolci Egyetemi Kiadó, 2001. ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
C) 5.2.1. – p. 120-121. C) 6. – p. 121-123. C) 7. – p. 126. C) 8. – p. 127-128. D) I.1. – p. 37. D) I.2. – p. 28-29. D) I.4. – p. 194-197. D) I.5. – p. 207-209. D) II. – p. 26-27.
ME
ANYAGVIZSGÁLAT GÉIK, I. évfolyam – BSc 7. előadás – 2010/2011. tanév, 2. félév C) KEMÉNYSÉGMÉRÉSEK D) FÁRASZTÓVIZSGÁLATOK
Köszönöm a figyelmet!
