Az eloadás során megismerjük: BME ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK
• az alapveto anyagi tulajdonságok csoportosítását; • a rugalmas és a képlékeny alakváltozás jellemzoit; • a valódi és a mérnöki rendszer feszültség- és alakváltozás-fogalmát; • a rugalmas test anyagjellemzoit; • a szakítóvizsgálattal meghatározható alakváltozási, feszültségi és szívóssági méroszámokat; • a statikus és dinamikus keménységméro eljárásokat, és az egyes eljárások méroszámait.
Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2003/04
Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk Dr. Krállics György
[email protected] 1
Szerkezet, folyamat és tulajdonságok
Az eloadás fo pontjai • • • • • •
3
• Az anyag tulajdonsága függ a szerkezetétol; Pl: az acél keménységének és szerkezetének kapcsolata HB (c)
Bevezetés Rugalmas és képlékeny alakváltozás Egyszeru igénybevételek Szakítóvizsgálat és méroszámai Zömíto-, hajlító- és csavaróvizsgálat Keménységmérési eljárások és alkalmazási területük
600
(b)
500 (a)
(d)
400
4µm
300
30 µ m 30 µ m
30 µ m
200
Lehulési sebesség (ºC/s) 100 0.01 2
0.1
1
10
100
1000
• Folyamat is változtathatja a szerkezetet; Pl.: Szerkezetváltozás a lehulési sebesség hatására
4
1
Képlékeny alakváltozás
Anyagtulajdonság csoportok
Terhelve
Kezdeti állapot
kötések megnyúlása, síkok elcsúszása
• Mechanikai (terhelés és alakváltozás hatása) • Elektromos (elektromos tér hatása) • Hofizikai (homérséklet-mezo hatása) • Mágneses (mágneses tér hatása) • Optikai (elektromágneses tér hatása) • Kémiai
F
Képlékeny = maradó
F Rugalmas = reverzibilis Rugalmas alakváltozásnál a térfogat nem állandó.
F
?L ∆Lképlékeny ? Lrugalmas
7
Húzó és nyomó igénybevétel
3. Unload Tehermentesítve
ε=
?L
Lineárisan rugalmas
Képlékeny alakváltozásnál a térfogat állandó.
visszatérés az eredeti állapotba
F
A
Alakváltozás
kötések megnyúlása
∆Lképlékeny
F
Rugalmas alakváltozás 2. Small load Terhelve
a síkok elcsúszva maradnak
∆Lrugalmas+képl ékeny
5
1. Initial állapot Kezdeti
Tehermentesítve
A
A0
l0
Feszültség σ=
Nemlineárisan rugalmas
∆L 6
A0
? l/2
l − l0 l l
Lineárisan rugalmas
F
F F ≈ A A0
? l/2
l
l0
? l/2
F
? l/2
F
Rugalmas állapotban σ= E ε (Hooke-törvény)
Húzás
Nyomás 8
2
Nyíró igénybevétel A0
Szabványos méroszámok Feszültségi méroszámok
M F
θ
Folyáshatár [MPa]
r
ReH
F Egyszeru nyírás τ=
R p 0,2 =
Csavarás
F F ≈ A A0
Fe S0 F = eH , S0
Rugalmas állapotban
τ = Gγ
τ=
M r Ip
Szakadási nyúlás A=
11
• Mérnöki rendszer l − l0 l0 S0 ε= −1 S
• Valódi rendszer
ε= Fu
FeL
σE = III.
Lu − L0 100 [% ] L0
Mechanikai mennyiségek
Fm
II.
FeH S0
S0 − Su 100 [%] S0
Fm S0
Rm =
Szakítódiagram
I.
ReL =
Szakítószilárdság [MPa]
Szakítóvizsgálat
FeH
Z=
Fp0 ,2 S0
9
F, N
Kontrakció
Re =
γ
γ
Alakváltozási méroszámok
F S0
ϕ = ln
l l0
ϕ = ln
S0 S
σT =
F S
Alakváltozás
Feszültség
L, mm ∆L=L-L 0
I. Rugalmas alakváltozás II. Egyenletes képlékeny alakváltozás III. Kontrakció
εu
Wc = ∫ σ E dε 0
10
ϕu
Fajlagos törési W = σ dϕ c ∫0 T munka [J/cm 3] 12
3
Feszültségi és alakváltozási állapot a kontrakciónál r −r σ zz = σ 1 + ln 1 + 2r R min g σ rr = σ ϕϕ = σ zz − σ 2 min
ϕ z = 2 ln
2
Lineáris rugalmas tulajdonságok • Rugalmassági modulusz: E (Young-modulusz) • Hooke- törvény: σ=E ε
ν =−
εr ε
fémek: kerámiák : polimerek :
d ϕ r = ϕϕ = ln min d0 ϕ = ϕz 13
Feszültség
-ν
Egységek: E: [GPa] vagy [MPa] ν: dimenzió nélküli
F Egytengelyu igénybevétel
1
εr - radiális alakváltozás Ekerámia > Efém >> Epolimer 15
M
G
γ
1
csavaróvizsgálat
• Hooke- törvény:
τ=Gγ
u
• Térfogati rugalmassági modulusz, K
m
e
ε
τ
ϕ = ln (1 + ε )
σT-ϕ
εr
• Csúsztató rugalmassági modulusz, G
F = σ T S = σ E S0 ⇒ σ T = σ E (1 + ε )
ε
Lineárisan rugalmas
ν ~ 0,33 ν ~ 0,25 ν ~ 0,40
Feszültség - alakváltozás görbék
F
E 1
• Poisson-tényezo, ν:
d0 dmin
σ − egyenértéku feszültség, ϕ − egyenértéku alakváltoz ás
σ
σE-ε
∆ p = -K V Vo
u
E K= 3 (1 − 2ν ) Alakváltozás 14
G=
E 2(1 + ν)
p
M p
∆V p Vo
-K 1
p p
Hidrosztatikus nyomás alkalmazása kezdeti térfogat : Vo térfogat változás: dV 16
4
Képlékeny / rideg viselkedés rideg Mérnöki feszültség
képlékeny
Mérnöki alakváltozás ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg, ha a maradó alakváltozás jelentos , akkor képlékeny 17
Különbözo anyagok mechanikai tulajdonságai 20 oC-on
Szívósság Az anyag törésig tartó energiaelnyelo képessége. kerámia: kis szívósság (nagy szilárdság, rideg viselkedés) fém: nagy szívósság (közepes szilárdság, képlékeny viselkedés) polimer: kis szívósság (kis szilárdság, képlékeny viselkedés)
Anyag Acél Alumínium-ötv.
Mérnöki feszültség
Mérnöki alakváltozás
19
18
E [GPa] Rp0.2 [MPa] Rm [MPa]
A50 [%]
190-210
200-1700
400-1800
65-2
69-79
35-550
90-60
45-4
Réz és ötv.
105-150
75-1100
140-1300
65-3
Titán és ötv.
80-130
340-1400
410-1450
25-7
Kerámiák
70-1000
-
140-2600
0
Gyémánt
820-1050
-
-
-
Polimerek
1,4-3,4
-
7-80
1000-5
Karbonszál
275-415
-
2000-3000
0
Kevlárszál
62-120
-
2800
0 20
5
Ideális súrlódási viszonyok Alakváltozások ε=
h − h0 h , ϕ = ln h0 h0
ε& =
v zöm h
Feszültségek nagy viszkozitású kenoanyag
Nyomó folyáshatár: Forrás: Ashby
σT =
F 4F F 4F = , σE = = S d 2π S 0 d 02π
Re =
Fe S0
21
23
Nyomóvizsgálat
Hordósodás jelensége
∆h
Ero
d0
növekvo súrlódás Rg
h
h0
súrlódás nélkül d0
Fe
dmin
h0
d max R g σ zz = −σ 1 − ln 2 d max 2 d max Rg − +r 4 σ ϕϕ = σ rr = σ + σ zz
dmax
∆h elmozdulás ϕ z = 2 ln 22
d0 d , ϕr = ϕϕ = ln max , ϕ = ϕ z d max d0 24
6
Lemezanyag alakíthatóságának vizsgálata
Csavaróvizsgálat A
B
d max M
M θ
Z,z
R, r
σ = 3
σ zϕ
Csavaró 2 3M e R = 3 folyáshatár e π rmax
t
t
0
0
ε = ∫ ε& dt = ∫
1 r dθ dt = 3 l dt
ØD
1 r θ 3 l
= Csavarónyomaték
l
s α l
Me
θe
A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez tartozó α hajlítási szöget.
Elcsavarodás szöge
25
Keménységmérés
Hajlítóvizsgálat x2 x3 d max
L/2
F
L/2
x2 x3
x1
F
L/2
• A (statikus) keménység fogalma: – A vizsgált anyag ellenállása az adott geometriájú szúrószerszám behatolásával szemben.
L/2
x1
b a
M
L1
M
M
L1
Fτ
Me
3 pontos hajlítás
FL L κ E= + 4 f max 12I A 2
• A keménység kapcsolata más tulajdonságokkal: – Keménységi adatokból becsülhetok a szilárdsági és technológiai tulajdonságok.
Fτ
f max
M Re = e rmax I Me Re = b 2I
27
4 pontos hajlítás
(
FL 3L2 − 4 L12 E= 1 48 If max
• A keménységmérés kivitelezése: – Alakváltozás létrehozásával – Fizikai hatások alkalmazásával
) 26
28
7
Brinell-keménységmérés 0.102F 0.102F 0.204F HBW = = = A Dπ h π D D − ( D2 − d 2 )
(
keményfémgolyó
Knoop-keménységmérés
)
gyémánt gúla
0,102 F 1,14487 F = A l2 F − terhelo ero [N ] HK =
F − terheloero [ N ]
[
A − lenyomatfelület mm2 D − golyóátméro [ mm]
A − lenyomat felület mm2
]
l − a lenyomat hosszabbik átlója [mm]
d − lenyomat átméro [mm ]
h − lenyomatmélység [ mm ] Átlagos keménység értéket ad (inhomogén anyag vizsgálatánál elonyös). Következtetni lehet az anyag szilárdságára. Öntöttvasak, színes- és könnyufémek, lágyacélok mérésére alkalmazható.
Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. Fémek és nagyon rideg anyagok (üveg, muszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas. 29
Vickers-keménységmérés
31
Rockwell-keménységmérés F0
gyémántgúla
HV =
F0+F1
0.102F F = 0.189 2 A d
1
2
F − terheloero [ N ] A− lenyomatfelület mm2 d − lenyomat átló [ mm]
Lokális keménység pontos meghatározása. Tetszoleges anyagminoség laboratóriumi vizsgálata. A kis terhelésu és mikro-Vickers eljárás vékony lemezek, rétegek és szövetelemek vizsgálatára használható.
12345630
5
F0 6
3
4
a lenyomat mélysége az F0 eloterhelésnél a lenyomat mélysége az F1 foterhelésnél a rugalmas visszarugózás az F1 foterhelés levétele után a maradó lenyomat h mélysége a mintadarab felülete a mérés referenciasíkja 32
8
Rockwell-eljárások Jel
Szúrószerszám
HRA HRB HRC HRH …
120° 1,5875 mm 120° 3,175 mm …
HR15N
HR45T
120° 1,5875 mm
Mérés Poldi-kalapáccsal
Eloterhelés
Foterhelés
Keménys ég
98,07 N
490,3 N
100-h/0,002
98,07 N
882,6 N
130-h/0,002
98,07 N
1373 N
100-h/0,002
98,07 N
490,3 N
130-h/0,002
…
…
…
29,42 N
117,7 N
100-h/0,001
29,42 N
411,9 N
100-h/0,001
- ac acé él- vagy kemé kem ényf nyfé ém golyó golyó
minta etalon
HBx − apróbatestkeménysége dm − alenyomatátmérojeamintán az etalonon
Gyors egyszeru, kevésbé pontos eljárás, minden anyagminoségre és geometriai formára.
- gy gyé ém ántk ntkú úp
2
HBm d x = HBx dm HBm − aazmintakeménysége etalon keménysége
dx − a lenyomatátmérojeapróbatesten
próbatest
33
Dinamikus keménységméro eljárások
35
Eljárások a rugalmas visszahatás alapján • Mérés elve
• Gyors, lökésszeru erohatással végzett mérése k
A vizsgált tárgy felületére adott energiával ráejtett kalapács / golyó visszapattanásának magassága arányos a tárgy keménységével
• Kivitelezés Szúrószerszámmal lenyomatot mérve
• Berendezések
Rugalmas visszapattanást mérve
Szkleroszkóp Duroszkóp 34
36
9
Muszerezett keménységmérési eljárások
Szkeloroszkóp 1. Ejtosúly (gyémántvéggel)
Roncsolásmentes , egyszeru és gyors módszer.
Ero - benyomódás görbe felvétele
2. Üvegcso E=tan β
Ero µN
3. Libella 4. Mérendo tárgy
β
p
F=αh terhelés h0
A mé m érend rendo o tárgy tö tömege befolyá befolyásolja a m érési eredmé eredm ényt : kis tö tömeg ? rezg rezgé ések ? kisebb visszapattaná visszapattanás .
tehermentesítés F=a(h-h0)
m
benyomódási mélység nm
37
Duroszkóp
Vékony rétegek mérésére
39
Keménység konverzió 400 HB 3000
350 HRB, HRC, HB500,HB3000
1. Mérokalapács 2. Doboz 3. Mérendo tárgy 4. Mutató
300 250 HB 500
200 150
HRB HRC
100 50 0 0
A tömeg és felület minosége befolyásolja. 38
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 HV 10
40
10
Fogalmak • • • • • • • • • • • •
Rugalmas alakváltozás Képlékeny alakváltozás Mérnöki / valódi feszültség Mérnöki / valódi alakváltozás Folyáshatár, egyezményes folyáshatár Szakítószilárdság Kontrakció Fajlagos törési munka Szívósság Rugalmassági modulusz Nyíró rugalmassági modulusz Poisson-tényezo
• Térfogati rugalmassági modulusz • Nyomó folyáshatár • Csavaró folyáshatár • Hajlító folyáshatár • Statikus keménység • Brinell-keménység • Vickers-keménység • Knopp-keménység • Rockwell-keménység • Dinamikus keménység • Muszerezett keménységmérés 41
11
