Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16

Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk Dr. Krállics György [email protected]

Az előadás fő pontjai • • • • •

Bevezetés Rugalmas és képlékeny alakváltozás Egyszerű igénybevételek Szakítóvizsgálat és mérőszámai Zömítő-, hajlító- és csavaróvizsgálat

2

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;

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 mm

300

30 mm 30 mm

30 mm

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

Anyagtulajdonság csoportok • Mechanikai (terhelés és alakváltozás hatása) • Elektromos (elektromos tér hatása) • Hő fizikai (hőmérséklet-mező hatása) • Mágneses (mágneses tér hatása) • Optikai (elektromágneses tér hatása) • Károsodási (kémiai reaktivitás hatása) 5

Rugalmas alakváltozás 1. Initialállapot Kezdeti

2. Small load Terhelve

3. Unload Tehermentesítve

kötések megnyúlása

visszatérés az eredeti állapotba

ΔL F

Rugalmas = reverzibilis Rugalmas alakváltozásnál a térfogat nem állandó.

F

Lineárisan rugalmas Nemlineárisan rugalmas

L 6

Képlékeny alakváltozás Kezdeti állapot

Tehermentesítve

Terhelve kötések megnyúlása, síkok elcsúszása

Lképlékeny

Lrugalmas+képlékeny

F

F Képlékeny = maradó Képlékeny alakváltozásnál a térfogat állandó.

a síkok elcsúszva maradnak

Lineárisan rugalmas

ΔL Lképléken ΔLrugalmas y

7

Húzó és nyomó igénybevétel F

A

Alakváltozás l  l0  l

Feszültség

A

F

A0 Δl/2

Δl/2

l

A0

l0

l

l0

Δl/2

Δl/2

F F   A A0

F

F

Rugalmas állapotban

=E

Húzás

Nyomás

(Hooke-törvény) 8

Nyíró igénybevétel A0

M F

 



F Egyszerű nyírás

F F   A A0

r

Csavarás

Rugalmas állapotban   G

M  r Ip D 4 Ip  64 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 rugalmas-képlékeny alakváltozás III. Kontrakció 10

Szabványos mérőszámok Feszültségi mérőszámok Folyáshatár [MPa] Re  ReH

Fe S0

FeH  , S0

R p 0, 2 

FeL ReL  S0

Fp 0 , 2 S0

Szakítószilárdság [MPa]

Alakváltozási mérőszámok Kontrakció S 0  Su Z 100 % S0

Szakadási nyúlás

Lu  L0 A 100 % L0

Fm Rm  S0 11

Mechanikai mennyiségek • Mérnöki rendszer l  l0  l0



• Valódi rendszer

Alakváltozás

S0 1 S

m 

F S0

u

l   ln l0

  ln

Feszültség

Fajlagos törési Wc   m d 3] munka [J/cm 0

S0 S

F  S

Wc 

u

 d 0 12

Feszültségi és alakváltozási állapot a kontrakciónál 2 2    rmin  r   zz   1  ln 1   2 r R  min g      rr      zz  

d0  z  2 ln d min d min  r    ln d0

  z

  egyenértékű feszültség,   egyenértékű alakváltozás

13

Feszültség–alakváltozás görbék F   S  m S0    m 1      ln 1   

u Feszültség



m

e

M  

u

Alakváltozás 14

Szakítóvizsgálat két nyúlásmérővel

15

Egyezményes folyáshatár meghatározása

Mérnöki feszültség MPa

400

Rp0,2

Rp0,1 Rt0,2

200 E=190 000 MPa

Rt0,1

0 0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Mérnöki alakváltozás 16

Lemezszakítás

17

Lineáris rugalmas tulajdonságok • Rugalmassági modulusz: E (Young-modulusz)



• Hooke- törvény: =E • Poisson-tényező, n:

r n  

fémek: n ~ 0,33 kerámiák : n ~ 0,25 polimerek : n ~ 0,40

Egységek: E: [GPa] vagy [MPa] n: dimenzió nélküli

F

E



1

Lineárisan rugalmas

r 

-n

1

F Egytengelyű igénybevétel

r - radiális alakváltozás Ekerámia > Efém >> Epolimer 18

 • Csúsztató rugalmassági modulusz, G

M

G



1

csavaróvizsgálat

• Hooke- törvény:

=G • Térfogati rugalmassági modulusz, K

V p = -K Vo

E K 3 (1  2n )

E G 2(1  n)

p

p -K

M

V p Vo 1

p p

Hidrosztatikus nyomás alkalmazása kezdeti térfogat : Vo térfogat változás: dV 19

Képlékeny / rideg viselkedés

Mérnöki feszültség

rideg képlékeny

Mérnöki alakváltozás

ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg, ha a maradó alakváltozás jelentős, akkor képlékeny 20

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 21

22

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.

23

Forrás: Ashby

24

Nyomóvizsgálat

Erő

h

növekvő súrlódás

h0

d0

Fe

súrlódás nélkül h elmozdulás

25

Ideális súrlódási viszonyok Alakváltozások h  h0 h  ,   ln h0 h0 vzöm   h

Feszültségek nagyviszkozitású kenőanyag

Nyomó folyáshatár:

F 4F F 4F    2 , m   2 S d S0 d 0  Fe Re  S0 26

Hordósodás jelensége d0

Rg

h

d min

h0

    d max Rg   zz   1  ln 2  d max 2  d R   r   max g 4       rr     zz

dmax

d0 d max  z  2 ln ,  r    ln ,   z d max d0 27

Csavaró vizsgálat A

B

d max M

M 

R, r

 z 

 3

2 3M e Csavaró Re  3 folyáshatár  rmax

t

t

0

0

    dt  

Z,z

1 r d dt  3 l dt

1 r   3l Csavarónyomaték

l

Me

e

Elcsavarodás szöge 28

Hajlító vizsgálat x2

L/2

F

x3

x3 dmax

x2

L/2

x1

b

F

L/2

x1

a

M

L1

M F

3 pontos hajlítás

FL E 4 f max

L/2

 L      12 I A  2

Me

M

L1

F

fmax

Me R e  rmax I Me Re  b 2I

4 pontos hajlítás



FL1 3L2  4 L12 E 48If max



29

Lemezanyag alakíthatóságának vizsgálata ØD

s

 l

A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez tartozó  hajlítási szöget. 30

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

31

Brinell-keménységmérés 0.102 F 0.102 F 0.204 F HBW    A D h  D D   D 2  d 2 



keményfémgolyó



F  terhelőerő  N  A  lenyomat felület  mm 2  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. 32

Vickers-keménységmérés gyémántgúla

0.102F F HV   0.189 2 A d F  terhelőerő  N  A  lenyomat felület  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. 33

Knoop-keménységmérés gyémánt gúla

0,102 F 1,14487 F  A l2 F  terhelőerő N  HK 





A  lenyomat felület mm2 l  a lenyomat hosszabbik átlója mm

Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. Fémek és nagyon rideg anyagok (üveg, műszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas. 34

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 35

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.

- gyémántkúp

- acél- vagy keményfém golyó 36

Dinamikus keménységmérő eljárások • Gyors, lökésszerű erőhatással végzett mérések

• Kivitelezés – szúrószerszámmal lenyomatot mérve – rugalmas visszapattanást mérve

37

Mérés Poldi-kalapáccsal 2

HBm  d x    HBx  d m  etalon keménysége HBm  aazminta keménysége

minta etalon

HBx  a próbatest keménysége etalonon d m  a lenyomat átmérője aazmintán

d x  a lenyomat átmérője a próbatesten

próbatest 38

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

39

Szkeloroszkóp 1. Ejtősúly (gyémántvéggel)

Roncsolásmentes, egyszerű és gyors módszer.

2. Üvegcső 3. Libella 4. Mérendő tárgy

A mérendő tárgy tömege befolyásolja a mérési eredményt: kis tömeg → rezgések → kisebb visszapattanás. 40

Duroszkóp 1. Mérőkalapács 2. Doboz

3. Mérendő tárgy 4. Mutató

A tömeg és felület minősége befolyásolja. 41

Műszerezett keménységmérési eljárások Erő - benyomódás görbe felvétele

Erő mN

E=tan F=h terhelés h0



p

tehermentesítés m

F=a(h-h0)

benyomódási mélység nm

Vékony rétegek mérésére 42

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 43

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 44

Angol nyelvű irodalom: William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction, 7th edition, 2006

Chapter 6 Mechanical Properties of Metals 131-173 pp.

45