ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2005/06
Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk 1-2 Dr. Krállics György
[email protected] 1
Az előadás fő pontjai • • • • • •
Bevezetés Rugalmas és képlékeny alakváltozás Egyszerű igénybevételek Szakítóvizsgálat és mérőszámai Zömítő-, hajlító- és csavaróvizsgálat Keménységmérési eljárások és alkalmazási területük 2
1
Az előadás során megismerjük: • az alapvető anyagi tulajdonságok csoportosítását; • a rugalmas és a képlékeny alakváltozás jellemzőit; • a valódi és a mérnöki rendszer feszültség- és alakváltozás-fogalmát; • a rugalmas test anyagjellemzőit; • a szakítóvizsgálattal meghatározható alakváltozási, feszültségi és szívóssági mérőszámokat; • a statikus és dinamikus keménységmérő eljárásokat, és az egyes eljárások mérőszámait. 3
Szerkezet, folyamat és tulajdonságok • Az anyag tulajdonsága függ a szerkezetétől; Pl: az acél keménységének és szerkezetének kapcsolata HB (c)
600
(b)
500 (a)
(d)
400
4 µm
300
30 µm 30 µm
30 µm
200
Lehűlési sebesség (ºC/s)
100 0.01
0.1
1
10
100
1000
• Folyamat is megváltoztathatja a szerkezetet; Pl.: Szerkezetváltozás a lehűlési sebesség hatására
4
2
Anyagtulajdonság csoportok • Mechanikai (terhelés és alakváltozás hatása) • Elektromos (elektromos tér hatása) • Hőfizikai (hőmérséklet-mező hatása) • Mágneses (mágneses tér hatása) • Optikai (elektromágneses tér hatása) • Kémiai 5
Rugalmas alakváltozás 1. Initial állapot Kezdeti
2. Small load Terhelve
3. Unload Tehermentesítve
kötések megnyúlása
visszatérés az eredeti állapotba
∆L F Rugalmas = reverzibilis
Rugalmas alakváltozásnál a térfogat nem állandó.
F
Lineárisan rugalmas Nemlineárisan rugalmas
∆L 6
3
Képlékeny alakváltozás Tehermentesítve
Terhelve
Kezdeti állapot
kötések megnyúlása, síkok elcsúszása
a síkok elcsúszva maradnak
∆Lképlékeny
∆Lrugalmas+képlékeny
F
F Képlékeny = maradó
Lineárisan rugalmas
Képlékeny alakváltozásnál a térfogat állandó.
∆L ∆Lképlékeny ∆Lrugalmas
7
Húzó és nyomó igénybevétel
ε =
l − l0 l
Feszültség σ =
F
A
Alakváltozás
A
F
A0 ∆l/2
∆l/2
l
F F ≈ A A0
A0
l0
l
l0
∆l/2
∆l/2
F
F
Rugalmas állapotban
σ=Eε
Húzás
Nyomás
(Hooke-törvény) 8
4
Nyíró igénybevétel A0
M
F
θ
r
γ
γ
F Egyszerű nyírás
F F τ= ≈ A A0
Csavarás
Rugalmas állapotban τ = Gγ
τ=
M r Ip 9
Szakítóvizsgálat Szakítódiagram Fm
F, N
Fu
F eH
F eL
I.
II.
III.
L, mm ∆L=L-L 0
I. Rugalmas alakváltozás II. Egyenletes képlékeny alakváltozás III. Kontrakció 10
5
Szabványos mérőszámok Feszültségi mérőszámok Folyáshatár [MPa] Re =
Alakváltozási mérőszámok Kontrakció
Fe S0
ReH =
Z=
FeH , S0
R p 0, 2 =
ReL =
FeL S0
Fp 0, 2
S0 − Su 100 [%] S0
Szakadási nyúlás
S0
A=
Szakítószilárdság [MPa]
Lu − L0 100 [%] L0
Fm S0
Rm =
11
Mechanikai mennyiségek • Mérnöki rendszer
• Valódi rendszer
l − l0 l0
ϕ = ln
l l0
ϕ = ln
S0 S
ε=
S ε = 0 −1 S
σE =
εu
F S0
Wc = ∫ σ E dε 0
Alakváltozás
Feszültség
σT =
F S
ϕu
Fajlagos törési W = σ dϕ c ∫0 T munka [J/cm3] 12
6
Feszültségi és alakváltozási állapot a kontrakciónál
σ zz = σ 1 + ln 1 +
2 − r 2 rmin 2rmin Rg
σ rr = σ ϕϕ = σ zz − σ ϕ z = 2 ln
d0 d min
ϕ r = ϕϕ = ln
d min d0
ϕ = ϕz
σ − egyenértékű feszültség, ϕ − egyenértékű alakváltozás
13
Feszültség–alakváltozás görbék F = σ T S = σ E S 0 ⇒ σ T = σ E (1 + ε )
ϕ = ln (1 + ε )
Feszültség
σT-ϕ
u
m e
σE-ε
u
Alakváltozás 14
7
Lineáris rugalmas tulajdonságok • Rugalmassági modulusz: E (Young-modulusz)
σ
• Hooke- törvény: σ=Eε
εr ε
fémek: kerámiák : polimerek :
ε
1
Lineárisan rugalmas
• Poisson-tényező, ν:
ν =−
F
E
εr ε
ν ~ 0,33 ν ~ 0,25 ν ~ 0,40
-ν
F Egytengelyű igénybevétel
1
εr - radiális alakváltozás
Egységek: E: [GPa] vagy [MPa] ν: dimenzió nélküli
Ekerámia > Efém >> Epolimer 15
τ • Csúsztató rugalmassági modulusz, G
M
G
γ
1
csavaróvizsgálat
• Hooke- törvény:
τ=Gγ • Térfogati rugalmassági modulusz, K
p = -K
K=
∆V Vo
E 3 (1 − 2ν )
G=
E 2(1 + ν)
p -K
∆V p Vo 1
M p p p
Hidrosztatikus nyomás alkalmazása kezdeti térfogat : Vo térfogat változás: dV 16
8
Képlékeny / rideg viselkedés rideg Mérnöki feszültség
képlékeny
Mérnöki alakváltozás ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg, ha a maradó alakváltozás jelentős, akkor képlékeny 17
Szívósság Az anyag törésig tartó energiaelnyelő képessége.
Mérnöki feszültség
kerámia: kis szívósság (nagy szilárdság, rideg viselkedés) fém: nagy szívósság (közepes szilárdság, képlékeny viselkedés) polimer: kis szívósság (kis szilárdság, képlékeny viselkedés)
Mérnöki alakváltozás 18
9
19
Különböző anyagok mechanikai tulajdonságai 20 oC-on Anyag Acél
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
Alumínium-ötv.
20
10
Forrás: Ashby
21
Nyomóvizsgálat
Erő
∆h
növekvő súrlódás
h0
d0
Fe
súrlódás nélkül
∆h elmozdulás
22
11
Ideális súrlódási viszonyok Alakváltozások ε=
h − h0 h , ϕ = ln h0 h0
ε& =
v zöm h
Feszültségek nagyviszkozitású kenőanyag
Nyomó folyáshatár:
σT =
F 4F F 4F = 2 , σE = = 2 S d π S0 d0 π
Re =
Fe S0 23
Hordósodás jelensége d0
Rg
h
d min
h0
d max Rg σ zz = −σ 1 − ln 2 d max + r2 d max Rg − 4 σ ϕϕ = σ rr = σ + σ zz
dmax
ϕ z = 2 ln
d0 d , ϕ r = ϕϕ = ln max , ϕ = ϕ z d max d0 24
12
Csavaróvizsgálat A
B
d max M
M θ
Z,z
R, r
σ zϕ =
σ 3
2 3M e Csavaró Re = 3 folyáshatár π rmax
t
t
0
0
ε = ∫ ε& dt = ∫
1 r dθ dt = 3 l dt
1 r = θ 3l Csavarónyomaték
l
Me
θe
Elcsavarodás szöge 25
Hajlítóvizsgálat x2
L/2
F
x3
x3 dmax
x2
L/2
x1
b a
M
3 pontos hajlítás FL E= 4 f max
L2 κ + 12 I A
Me
F
L/2
x1 L1
M
Fτ
L/2
M
L1
Fτ fmax
M Re = e rmax I M Re = e b 2I
4 pontos hajlítás
(
FL1 3L2 − 4 L12 E= 48If max
)
26
13
Lemezanyag alakíthatóságának vizsgálata ØD
s α l
A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez tartozó α hajlítási szöget. 27
Keménységmérés • A (statikus) keménység fogalma: – A vizsgált anyag ellenállása az adott geometriájú szúrószerszám behatolásával szemben. • A keménység kapcsolata más tulajdonságokkal: – Keménységi adatokból becsülhetők a szilárdsági és technológiai tulajdonságok. • A keménységmérés kivitelezése: – Alakváltozás létrehozásával – Fizikai hatások alkalmazásával
28
14
Brinell-keménységmérés HBW =
keményfémgolyó
0.102F 0.102F 0.204F = = A Dπ h π D D − ( D2 − d 2 )
(
)
F − terhelőerő [ N ] A − lenyomat felület mm2 D − golyóátmérő [ mm] d − lenyomat átmérő [ mm] h − lenyomat mélység [ mm]
Átlagos keménység értéket ad (inhomogén anyag vizsgálatánál előnyös). Következtetni lehet az anyag szilárdságára. Öntöttvasak, színes- és könnyűfémek, lágyacélok mérésére alkalmazható.
29
Vickers-keménységmérés gyémántgúla
HV =
0.102F F = 0.189 2 A d
F − terhelőerő [ N ] A − lenyomatfelület mm2 d − lenyomat átló [ mm]
Lokális keménység pontos meghatározása. Tetszőleges anyagminőség laboratóriumi vizsgálata. A kis terhelésű és mikro-Vickers eljárás vékony lemezek, rétegek és szövetelemek vizsgálatára használható. 30
15
Knoop-keménységmérés gyémánt gúla
0,102 F 1,14487 F = A l2 F − terhelőerő [N ]
HK =
[
A − lenyomat felület mm 2
]
l − a lenyomat hosszabbik átlója [mm]
Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. Fémek és nagyon rideg anyagok (üveg, műszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas. 31
Rockwell-keménységmérés F0
F0+F1 1 2
5
F0 6
3
4
1 - a lenyomat mélysége az F0 előterhelésnél 2 - a lenyomat mélysége az F0 + F1 terhelésnél 3 - a rugalmas visszarugózás az F1 főterhelés levétele után 4 - a maradó lenyomat h mélysége 5 - a mintadarab felülete 6 - a mérés referenciasíkja 32
16
Rockwell-eljárások Jel
Szúrószerszám Előterhelés Főterhelés Keménység
HRA
120˚
98,07 N
490,3 N
100-h/0,002
HRB
1,5875 mm
98,07 N
882,6 N
130-h/0,002
HRC
120˚
98,07 N
1373 N
100-h/0,002
HRH
3,175 mm
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
…
… HR15N
HR45T
120˚ 1,5875 mm
Gyors, egyszerű, de kevésbé pontos, minden anyagminőségre és geometriai formára.
- gyé gyémántkú ntkúp
- acé acél- vagy kemé keményfé nyfém golyó golyó
33
Dinamikus keménységmérő eljárások • Gyors, lökésszerű erőhatással végzett mérések • Kivitelezés – szúrószerszámmal lenyomatot mérve – rugalmas visszapattanást mérve
34
17
Mérés Poldi-kalapáccsal 2
HBm dx = HBx dm etalon keménysége HBm − aazminta keménysége
minta etalon
HBx − a próbatest keménysége etalonon dm − a lenyomat átmérője aazmintán
dx − a lenyomat átmérője a próbatesten
próbatest 35
Eljárások a rugalmas visszahatás alapján • Mérés elve A vizsgált tárgy felületére adott energiával ráejtett kalapács vagy golyó visszapattanásának magassága arányos a tárgy keménységével.
• Berendezések – Szkleroszkóp – Duroszkóp
36
18
Szkeloroszkóp 1. Ejtősúly (gyémántvéggel)
Roncsolásmentes, Roncsolásmentes, egyszerű és gyors módszer.
2. Üvegcső 3. Libella 4. Mérendő tárgy
A mé mérendő rendő tárgy tö tömege befolyá befolyásolja a mé mérési eredmé eredményt : kis tö tömeg → rezgé rezgések → kisebb visszapattaná visszapattanás. 37
Duroszkóp 1. Mérőkalapács 2. Doboz 3. Mérendő tárgy 4. Mutató
A tömeg és felület minősége befolyásolja. 38
19
Műszerezett keménységmérési eljárások Erő - benyomódás görbe felvétele
Erő µN
E=tanβ
β
p
F=αh terhelés
tehermentesítés m
F=a(h-h0)
h0
benyomódási mélység nm
Vékony rétegek mérésére 39
Keménység konverzió 400 HB 3000
HRB, HRC, HB500,HB3000
350 300 250
HB 500
200 150
HRB HRC
100 50 0 0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 HV 10 40
20
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-tényező
• Térfogati rugalmassági modulusz • Nyomó folyáshatár • Csavaró folyáshatár • Hajlító folyáshatár • Statikus keménység • Brinell-keménység • Vickers-keménység • Knopp-keménység • Rockwell-keménység • Dinamikus keménység • Műszerezett keménységmérés 41
21
