Mechanikai tulajdonságok Kalmár Emília
5.1. Igénybevételek 5.1.1. Igénybevételek fajtái A mőszaki gyakorlatban alkalmazott anyagokra különbözı igénybevételek hatnak. Az igénybevételek elemzésére szükség van. •
az alkalmazott anyagok tulajdonságainak meghatározásához,
•
az igénybevételek hatására keletkezett károsodási folyamatok megértéséhez,
•
a szerkezet mőködési funkciójához megfelelı anyagok kiválasztásához.
Az alkalmazott anyagokra ható igénybevételek lehetnek: •
teljes térfogatra ható igénybevételek: - mechanikai igénybevételek, - termikus igénybevételek, - sugárfizikai igénybevételek,
•
felületre ható igénybevételek: - sugárfizikai igénybevételek (felületre hatók is), - kémiai igénybevételek, - biológiai igénybevételek, - tribológiai igénybevételek.
5.1.2 Felületre ható igénybevételek A mőszaki termékek külsı felületére, ha semmiféle igénybevétel nem hat, akkor is érintkezik a környezettel és az éghajlati hatások is igénybevételként kezelhetık. A felületek ezek hatására szennyezıdhetnek, a környezetben lévı gáznemő anyagok adszorpciója zajlik le és jelentkezik az elhasználódás. A hımérsékleti változások, a környezetbıl érkezı különféle sugárzások, a villamos áram hatásai (pl.: szigetelések, villamos érintkezık) további felületi terhelést jelenthetnek. A felületek ennek eredményeként passziválódnak, megindul az oxidálódás, revésedés. A mőszaki termékeink nagy része üzemszerően érintkezik folyadékokkal. Ilyen felületei vannak a tartályoknak, tároló edényeknek kapcsolatba kerülnek olyan folyadékkal, amelyek nyugalomban vannak. Ezek a felületek elektrokémiai igénybevételeknek vannak kitéve. Elektrolízis, korróziós folyamatok indulhatnak meg a felületeken. Gyakoribb eset, amikor a környezet és a mőszaki termékek egymáshoz képest elmozdulnak. Ilyenkor a viszonylagos mozgás, mint folyadékáramlás vehetı számba. Ez az áramlási igénybevétel. A felületek eróziója indul meg, nagy sebességnél kavitációs károsodás tapasztalható. Ilyen jellegő meghibásodást elıször hajólapátok felületein tapasztaltak. Nagy sebességgel áramló folyadékokban, amikor a folyadékokban keletkezett gızbuborékok szétpattannak, hirtelen nyomáshullámot hoznak létre, és ezek megsértik a felületet. A kavitáció kemény kopogó hangot ad. Jelenleg nem ismerünk olyan anyagot, amely a kavitációnak ellenáll. Mozgó ellendarabokkal érintkezı felületek (pl.: csapágyak, fékek, hajtómővek) tribológiai, súrlódási igénybevételnek vannak kitéve. A felületek károsodnak, ez a károsodás lehet az érintkezésbıl eredı kopás, torzulás. 1
A mikroorganizmusokkal érintkezı felületeken az élı szervezetek megtelepedhetnek a felületeken, a felületeket vegyi hatások is érhetik ennek eredményeként. Esetleg rágcsálás is károsíthatja a felületeket. Ezeket az igénybevételeket összefoglalóan biológiai igénybevételnek nevezik. A felület károsodását biológiai károsodásnak nevezik.
5.1.3. Igénybevételek idıbeli lefolyása Az igénybevételek idıbeli lefutásuk ill. hatásuk szerint lehetnek: •
állandó: - statikus, - kúszási,
•
periódikusan változó (lengı, lüktetı),
•
sztochasztikusan változó.
Az igénybevételek szinte mindig egymásra szuperponálódva, komplexen hatnak. a/ statikus, tartós igénybevétel ig.v. 1(t)
t
5.1. ábra Statikus, tartós igénybevétel valós idıbeli lefutása. Statikus, tartós igénybevétel akkor hat a berendezésre ill. a berendezés anyagaira, ha egy idıpillanatban az eddig terheletlen anyagra terhelést adunk. Készülékeknél ilyen hatás a be(ki)kapcsolás. Általában az egyéb terhelések erre szuperponálva hatnak a mőszaki termékek anyagára. Az elméleti terhelés a nulla idıpillanatban eléri a maximális értékét, a valós terhelés görbe – mint azt az 5.1. ábra is mutatja – egy bizonyos idı eltelte után éri el ezt az értéket. b/ rendkívül rövid ideig tartó, nagy terhelés
t
5.2. ábra Rendkívül rövid ideig tartó, terhelés elméleti és a valódi igénybevétel idıbeli lefolyása. 2
Az 5.2. ábrán látható igénybevétel azt jelenti, hogy az anyaggal, a berendezéssel szinte nulla idı alatt nagy energiát közölnek. Ilyen igénybevétel éri a berendezést ill. a terméket felépítı anyagokat, amikor leejtik, ráesik valami, esetleg belerúg valaki, villamos készülékeknél villámcsapás adhat ilyen jellegő terhelést. c/ periódikusan változó lengı és lüktetı igénybevétel
5.3. ábra Periódikusan változó igénybevételek. Az 5.3. ábra a lehetséges periódikusan változó mechanikai igénybevételek (σ mutatja a mechanikai igénybevétel jellegét) közül mutat kettıt. Akkor lehet lengı igénybevételrıl beszélni, ha az igénybevétel iránya elıjelet vált, míg a lüktetı igénybevételnél nem lép fel elıjelváltás. Az ábra a lehetséges lengı igénybevételek közül a szimmetrikus lengı igénybevételt mutatja be, ekkor a tengely feletti és alatti görbe alatti területek egyenlıek. A lüktetı igénybevétel már egy statikus tartós igénybevételre szuperponált lengı igénybevételként is kezelhetı. d/ állandó igénybevételekre szuperponált sztochasztikusan változó igénybevétel ig.v
t 5.4. ábra Sztochasztikus igénybevétel idıbeli lefutása. Az 5.4. ábrán egy véletlen lefutású, sztochasztikus igénybevétel idıbeli lefutását lehet látni. Általában a dinamikus igénybevételek ilyen sztochasztikus terhelésként hatnak eszközeinkre és azokat felépítı anyagokra.
5.2. Mechanikai anyagjellemzık 5.2.1. Mechanikai igénybevételek, anyagjellemzık A mőszaki gyakorlatban az anyagok jelentıs részét mechanikai igénybevételeknek teszik, ezért ezeket az anyagokat a mechanikai tulajdonságaik minısítik. A mechanikai igénybevételeknek kitett anyagokat szerkezeti anyagoknak nevezik. Általában a mőszaki gyakorlatban mechanikai igénybevételek elviselésére a fémes anyagokat alkalmazzák, bár a polimertechnológia, a kompozit anyagok térhódításával egyre több helyen váltják ki ezek az anyagok a fémeket. A térfogatra ható igénybevételek közül a mechanikai igénybevételek a következık lehetnek: •
húzás-nyomás,
•
nyírás, eltolás, csúszás, 3
•
hajlítás,
•
csavarás, torzió,
•
hidrosztatikai nyomás.
Ha külsı terhelést adunk egy anyagra, jelen esetben egy hengeres próbatestre akkor a próbatest valamilyen alakváltozást szenved. Az alakváltozás és az ıt elıidézı terhelés közötti kapcsolat lesz az anyag mechanikai tulajdonságának jellemzı paramétere. Külsı terhelés az az igénybevétel, amit a darab valamilyen külsı erı hatására felvesz. Az alakváltozások nagysága függ a vizsgált darab geometriai méretétıl. Azért, hogy a késıbbiekben a paraméterek összehasonlíthatók legyenek, független paraméterekre van szükség. a/ húzás, nyomás F
∆l/2
l0
d0
∆l/2
F
5.5. ábra Hengeres test alakváltozása húzó igénybevétel hatására. Az 5.5. ábrán látható d0 átmérıjő és l0 hosszúságú próbatest F húzóerı hatására méretváltozást szenved és az átmérıje lecsökken, a hossza pedig ∆l-lel megnı. nyúlás: dε =
dl l0
(5.1.)
keresztmetszet csökkenés: dΨ =
dA A0
(5.2.)
d π ahol: A0 = 0 4 2
(5.3.)
Az alakítási mérıszámok között felírhatók a következı összefüggések:
ε=
Ψ ; 1− Ψ
Ψ=
(5.4.; 5.5.)
ε
1+ ε
A mérnöki gyakorlatban kis alakváltozások engedhetık meg. Megkülönböztethetı a névleges feszültség, mely a mindenkori erı és a névleges keresztmetszet hányadosa, valamint a valódi feszültség, mely a pillanatnyi terhelés és a pillanatnyi keresztmetszet hányadosa. A két érték között gyakorlatilag nincs különbség. húzófeszültség: σ =
dF dA
(5.6.)
Amikor nyomóerı terheli a munkadarabot a változások ellenkezı elıjelőek.
4
b/ nyírás, eltolás
w F
υ
5.6. ábra Hengeres test alakváltozása nyíró igénybevétel hatására. A hengeres test kiinduló méreteit az elızı ábrán lévı hengerestest méreteivel azonosnak feltételezve a következı anyagjellemzı paramétereket lehet felírni: nyíró feszültség (csúsztató feszültség):
τ= nyírás:
dF dA
(5.7.)
γ =
w = tgυ l0
(5.8.)
c/ hajlítás
F/2
F
F/2 h 2 5.7. ábra Hajlító igénybevétel okozta deformáció. A hengeres testre ható maximális hajlító nyomaték értéke: M max = a behajlás:
Fl 0 4
du =
(5.9.) dh l0
(5.10.)
d/ csavarás, torzió
5
F φ F
5.8. ábra Csavarásra igénybevett hengeres test. A csavarásra igénybevett hengeres test φ szöggel csavarodik el. forgató nyomaték, amely a testre hat: M =F
d0 2
(5.11.)
a torzió értéke:
dυ =
dϕ l0
(5.12.)
e/ hidrosztatikai nyomás
5.9. ábra A kocka minden oldalára egyenlı „p”nyomás hat.
A kompresszió értéke:
dk =
dV V0
(5.13.)
5.2.2. Szerkezeti anyagok alakváltozásai A mechanikai igénybevétel hatására a szerkezeti anyagok különféle alakváltozással válaszolnak. Ez az alakváltozás lehet:
•
reverzibilis: a terhelés megszőnik – az alakváltozás is megszőnik idıben:
rugalmas – azonnali, egyidejő, viszkorugalmas – idıben elhúzódó,
6
•
irreverzbilis: a terhelés megszőnik – maradó alakváltozás (képlékeny viselkedés) idıben:
plasztikusság, viszkoplasztikusság,
•
törés: A szerkezeti anyag szétválása, folytonosságának megszakadása a repedések makroszkópikus tartományban való terjedése következtében. (rideg viselkedés)
A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai is, a többi anyagi tulajdonsághoz hasonlóan állapotfüggıek. Az állapotváltozók, melyek meghatározzák a szerkezeti anyagok tulajdonságait ill, azok megváltozását, a következık: •
hımérséklet,
•
feszültségi állapot,
•
alakváltozás sebessége.
a/ lineárisan rugalmas viselkedés Lineárisan rugalmas a szerkezeti anyag, ha az alakváltozásába befektetett energia az igénybevétel megszőntével veszteség nélkül visszanyerhetı és az anyag ezzel egyidıben visszanyeri eredeti alakját. Tehát az egyenesen „tér vissza” eredeti alakjára a szerkezeti anyag. A befektetett energia a görbe alatti terület.
σ
ε 5.10. ábra Lineárisan rugalmas viselkedés. Ez a viselkedés lehet húzó vagy nyomó igénybevétel esetén érvényes a Hook-törvény:
σ = εE
(5.14.) ahol: E= rugalmassági modulus (Young-modulus), anyagjellemzı
Nyíró igénybevételre ugyanilyen arányosság érvényes:
τ = γG
(5.15.)
ahol: G= csúsztató modulus, anyagjellemzı Hidrosztatikai nyomás esetén:
β h = kK
(5.16.)
ahol: K= nyomási modulus Kismértékő alakváltozás esetén (ε≤0,01 %) minden szilárd test lineárisan rugalmasnak tekinthetı. b/ nem-lineárisan rugalmas viselkedés Nem-lineárisan rugalmas viselkedés esetén a terhelés megszőnte után az alakváltozási energia teljes mértékben felszabadul és az anyag is visszanyeri eredeti alakját. Annyiban különbözik az elızı esettıl, amennyiben a nyúlás és a terhelés között nem lineáris az összefüggés. 7
5.11. ábra Nem lineáris viselkedés. Kb. 500 % nyúlásig ilyen tulajdonsággal rendelkezik a gumi. c/ rugalmatlan viselkedés
5.12. ábra Rugalmatlan viselkedés. Az 5.12. ábrán látható diagram a szerkezeti anyag rugalmatlan viselkedését jellemzi. Ezt a görbét nevezik hiszterézinek. A terheléskori és a terhelés megszőntét jellemzı görbék nem esnek egybe. A felsı görbe jellemzi a terhelést és a terhelés megszőnésekor pedig az alsó görbének megfelelı útvonalon éri el a szerkezeti anyag az eredeti méretét. Leolvasható, hogy az energiaveszteség a két görbe közötti terület. Az ilyen tulajdonságú anyagokat vibrációs csillapításnál alkalmazzák. d/ viszkorugalmasság A viszkorugalmasság két fogalom összevonásával jött létre. Mint azt már az elıbbiekben tisztáztuk, rugalmasan viselkedik a szerkezeti anyag, ha a terhelı feszültség és a nyúlás között lineáris kapcsolat van, reverzibilis az alakváltozás. A viszkózus viselkedés azt jelenti, hogy a nyúlás lineárisan függ az idıtıl, de a folyamat nem megfordítható, tehát irreverzibilis. Tehát a viszkorugalmas viselkedésre jellemzı, hogy az alakváltozás mértéke függ az idıtıl és a folyamat reveribilis, de az eredeti állapot eléréséhez idıre van szükség, nem a terhelés megszőnésével egyidıben történik. Ezt az idıt nevezik relaxációs idınek. Jellemzıi: Er= relaxációs modulus, a viszkorugalmas alakváltozással szembeni ellenállás mértéke, T= relaxációs idı, relaxációs alakváltozás sebességének a mértéke. e/ szilárdság Szilárdság a szerkezeti anyag vagy szerkezeti elem, töréssel szemben támasztott ellenálló képessége.
σ=
F A
(húzószilárdság)
(5.17.) 8
A nyomószilárdság ellenkezı irányú terhelésnél mérhetı. De még a törıszilárdság értékét is meg szokták határozni. A gyakorlati meghatározásról az Anyagvizsgálatok c. fejezetben lesz szó. A szerkezeti anyag szilárdságát több tényezı befolyásolja. A szilárdság függ a szerkezeti anyag kémiai jellemzıitıl, szerkezetétıl, kémiai kötéseitıl a mikroszövet-szerkezetétıl. De a szilárdság mértékét befolyásolja a vizsgálandó test geometriai kialakítása is. Pl.: az ún. bemetszések száma, nagysága, a felületi érdesség rontja a szilárdsági mutatószámot. A szilárdság függ még az igénybevétel jellegétıl, az idıbeli lefolyásától és erısen ronthatják az értékét a környezeti feltételek (pl.: korróziós közeg). A szilárdságra jellemzı mérıszámokat ún. mechanikai-technológiai vizsgálómódszerekkel lehet meghatározni (lásd késıbb). Az ún. szakítódiagram felvétele a következıképpen történhet. Az S0 kiinduló keresztmetszető és l0 kezdeti hosszúságú próbatestet egytengelyő húzó igénybevétellel adott sebesség mellett addig nyújtják, amíg be nem következik a szakadás. A vizsgálat során mérik a terhelés változását a darab nyúlásának a függvényében. σ
σ σ
σ
σ
σ
II
III
I
∆ε
ε
5.13. ábra Acél szakítódiagramja. Az 5.13. ábra az acél szakítódiagramját mutatja, melyen a különbözı alakváltozási szakaszok jól figyelemmel kísérhetık. I. Rugalmas alakváltozás: a terhelés megszőnése után a darab visszanyeri eredeti alakját. II. Egyenletes alakváltozás: a képlékeny deformáció a mérıhossz minden egyes pontján azonos. A terhelés megszőnése után az egyenletes nyúlás egyenesével párhuzamosan tér vissza a 0 terhelésre, van visszamaradó deformáció (∆ε). III. Kontrakció: a képlékeny deformáció egy szők tartományra korlátozódik. A szakító próbatesten egy vékony „nyak” alakul ki, így a további nyúláshoz már kisebb feszültség elegendı. A diagram jellegzetes pontjaihoz a következı feszültség értékek tartoznak: σeL=alsó folyáshatár, σeH=felsı folyáshatár, σm=szakítószilárdság, ez a legnagyobb feszültség érték, a további nyúláshoz már kisebb feszültségre van szükség, σu=ennél a feszültség értéknél következik be a valós szakadás. A méretezéseknél a σm szakítószilárdság a számítás alapja.
9
f/ a szerkezeti anyagok kúszása és terhelés alatti viselkedése Kúszásnak nevezik a szerkezeti anyagnak állandó, tartós terhelés alatt jelentkezı idıtıl és hımérséklettıl függı alakváltozását.
ε = f (σ ; t; T )
(5.18.)
A kúszási alakváltozásnak a kiváltó oka a szerkezeti anyagban lejátszódó termikusan aktivált folyamatok, mint pl.: a diszlokációs és a kristályhatár mozgások. A folyamatok megindulásához bizonyos hımérsékletre van szükség, mely függ a szerkezeti anyag fajtájától, olvadási hımérsékletétıl (Tm), anyagtól függıen esetleg az üvegesedési hımérsékletétıl (Tü). Fémek esetében, ha a T>(0,3 – 0,4)Tm, ill. keramikus anyagoknál T>(0,4 – 0,5) Tm , akkor a kúszást figyelhetjük meg az anyagok viselkedésén.
σ,T=const
5.14. ábra Kúszási görbe. Az 5.14. ábra az idıtıl függı alakváltozást mutatja tartós terhelés (σ = const) és állandó hımérséklet (T = const) esetén. A görbén a következı szakaszok különböztethetık meg: I. Átmeneti v. primer kúszás szakasza – jellemzıje a kezdeti képlékeny alakváltozás, II. Állandó v. szekunder kúszás szakasza – ezen a szakaszon dinamikus egyensúly áll fenn az alakváltozási keményedés és a szilárdság csökkenése között, III. Gyorsuló v. tercier kúszás szakasza – kúszási megnyúlás gyors növekedése következik be, irreverzibilis folyamatok zajlanak le, melynek utolsó eseménye a kúszási törés. Az anyagkiválasztásnál szükség van a kúszáshatár ismeretére. Kúszáshatár az a feszültség, amely adott hımérsékleten (T) végtelenül hosszú idı alatt sem okoz az elıírtnál nagyobb maradó alakváltozást (σ T0,2). A szerkezeti anyagra jellemzı érték az idıtartam-szilárdság, mely az a feszültség, amely t idı alatt adott εt maradó alakváltozást hoz létre. A szerkezeti anyagok kúszása feszültség-relaxációval van összefüggésben, azaz valamely konstrukcióba elıfeszítéssel bevitt feszültségek az anyag képlékeny megnyúlása nyomán idıvel csökkennek. A szerkezeti anyagok kúszása az oka, hogy az említett hımérsékleti határ felett dolgozó gépek csavarkötéseit idıszakonként ellenırizni kell és újra meg kell húzni.
10
5.15. ábra A kúszás „hatása” turbinalapáton – a lapát tönkremenetele. g/ kifáradás Kifáradásnak nevezik a szerkezeti anyagoknak a változó, lengı igénybevétel melletti tönkremenetelét. A szerkezeti anyag tönkremenetele mikroszkópikusan az ide-oda csúszkáló diszlokációs vonalak csúszási sávokká történı felhalmozódásából tevıdik össze, míg makroszkópikusan keményedés formájában jelentkezik, a próbatest felületén nyíródási jelenségek, repedések kiindulása lehet, végül a kiinduló keresztmetszet lecsökken, és erıszakos szakadás lép fel. A szerkezeti anyag kifáradásának több oka lehet: •
hirtelen túlterhelés lép fel,
•
a terhelı feszültség hirtelen, nagy mértékben ingadozik,
•
az ismételt igénybevételek túl nagy száma,
•
feszültség koncentrációs helyek jelenléte (pl.: hibás konstrukció – bemetszések),
•
hımérsékletingadozás,
•
korrózió,
•
az anyag belsı feszültségeinek nagysága és eloszlása,
•
az anyag szerkezete,
•
többtengelyő feszültségállapot.
5.16. ábra Wöhler-görbe. 11
Az 5.16. ábrán látható ún. Wöhler-görbe a feszültség és a lengı-igénybevételek száma közötti összefüggést mutatja, azaz, hogy adott feszültség mellett hány lengı-igénybevétel után törik el a próbatest. Az ábrán látható görbe acélra vonatkozik, jellegzetessége, hogy van egy olyan feszültség határérték, egy asszimptota, melynél kisebb feszültség mellett a munkadarab gyakorlatilag végtelen lengésszámú terhelést elvisel. ha σterhelı≤ σw , akkor N→ ∞, ha a
σw= kifáradási határ
Tehát az acél tartós szilárdsággal rendelkezik. A Cu, Al kifáradási görbéjének az asszimptotája a vízszintes tengely, tehát bármilyen kis lengıfeszültséggel terhelik a munkadarabot, van egy olyan lengésszám, ahol a darab eltörik (σw=0). A szerkezeti anyagok kifáradásának figyelmen kívül hagyása számtalan balesethez vezetett, pl.: „csak” 1998. Németországban a vonatbalesetet, vagy 2007. Amerikában a közúti híd leszakadását megemlítve.
12
