SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK

SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK INTEGRITÁSÁNAK MEGÍTÉLÉSÉHEZ

ME

Koncsik Zsuzsanna, tanársegéd Kuzsella László, egyetemi adjunktus Lukács János, egyetemi tanár Marosné Berkes Mária, egyetemi docens Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Mechanikai Technológiai Tanszék

6. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Szakmai Szeminárium (6. AGY) Cegléd, 2012. június 7-8. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


 Bevezetés  Rugalmassági modulus (E) meghatározás rostirányban tömörített bükk faanyagon  Törési szívósság (KIc) vizsgálatok ötvözetlen szerkezeti acélon és hőálló acélon  Fáradásos repedésterjedési sebesség (da/dN – ΔK → Paris-Erdogan együtthatók) vizsgálatok ausztenites acélon és fekete-fehér hegesztett kötéseken  Koptató vizsgálatok (kikopott térfogat, súrlódási együttható, uralkodó kopási mechanizmus) kerámia nanokompozitokon  Dinamikus törési szívósság (KId) vizsgálatok kerámián  Összegzés A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

BEVEZETÉS Az élettartam gazdálkodás műszaki dimenziója

TERHELÉS

ANYAGI MÉRŐSZÁMOK

GEOMETRIA

MECHANIKAI MODELL DÖNTÉSI KRITÉRIUM(OK) SZÁMÍTÁSI ELJÁRÁS

RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLAT

DÖNTÉS, NYILATKOZAT

KÖVETELMÉNYEK ADATOK, INFORMÁCIÓK EREDMÉNYEK

A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

RUGALMASSÁGI MODULUS MEGHATÁROZÁS Kihívás, specialitások, feladatok

 Kihívás: statikus és dinamikus rugalmassági modulus meghatározás roncsolásmentes módon  Specialitások: hangterjedési sebesség mérésre visszavezetett rugalmassági modulus meghatározás  mechanikusan gerjesztett longitudinális-, hajlító- és torziós hullámok sajátfrekvenciájának meghatározása FFT (gyors Fourier transzformáció) segítségével 

 Feladatok: speciális tulajdonságú, rostirányban tömörített bükk faanyag (Fagus Sylvatica L.) merevségének jellemzése  a különböző módon meghatározott rugalmassági modulus értékek összehasonlítása  statikus rugalmassági modulus meghatározása dinamikus rugalmassági modulus alapján 


RUGALMASSÁGI MODULUS MEGHATÁROZÁS Vizsgálati módszerek

Dinamikus rugalmassági modulus meghatározása hangterjedési sebességből Elvi összeállítás  F

adó

Elméleti háttér

 F

vevő

mintadarab

EdU    v

2 hang

Távolság adó és vevő között

Gyakorlati megvalósítás


 Ltávolság       t   hang 

2

RUGALMASSÁGI MODULUS MEGHATÁROZÁS Eredmények

Hangterjedési sebességből meghatározott dinamikus rugalmassági modulusok hosszirányban 20 Egyenlet

y = A + B*x + C*x^2

Det. koef.

0.99377 Érték A B C

EdU, GPa

15

20.316 -136.70 277.815

Szórás 0.117 2.356 9.912

10

5

0 0%

5%

10%

15%

20%

Tömörítés mértéke A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

25%


Hangterjedési sebességből meghatározott dinamikus rugalmassági modulusok sugár és húrirányban



Rugalmassági modulus meghatározása longitudinális hullám sajátfrekvenciájából: a mérés elvi összeállítása

Detektált jel, a lecsengő hullám

FFT Fourier transzformáltja



A mérés egyszerű, gyakorlati összeállítása, megvalósítása

számítógép

mikrofon

vizsgált anyag A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


Longitudinális hullámok sajátfrekvenciájából meghatározott dinamikus rugalmassági modulusok



Csavaró hullámok sajátfrekvenciájából meghatározott dinamikus rugalmassági modulusok



Hajlító hullámok sajátfrekvenciájából meghatározott dinamikus rugalmassági modulusok 18 Egyenlet Det. koef.

15

0.99648 Érték A B C

12

EdB ASTM, GPa

y = A + B*x + C*x^2

16.620 -90.063 164.374

Szórás 0.063 1.259 5.297

9

6

3

0 0%

5%

10%

15%

20%

Tömörítés mértéke A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

25%


Statikus hajlítódiagramok



Hárompontos hajlítóvizsgálatbólból meghatározott statikus rugalmassági modulusok



A különböző módon meghatározott rugalmassági modulusok eredményeinek összehasonlítása



Korreláció a statikus és a hangterjedési sebességből meghatározott rugalmassági modulusok között


TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, feladatok

 Kihívás: a szükséges anyagminőség adatok meghatározása kis méretű próbatestekből álló és kis elemszámú vizsgálati mintákból  Specialitások: húzó terhelésű, hengeres, bemetszett (Crack Round Bar = CRB) próbatest alkalmazási kényszere  növelt hőmérséklet (260 °C, 410 °C) 

 Feladatok: CRB próbatestek alkalmazhatóságának igazolása KIc, illetve KQ törési szívósság értékek meghatározására  a KIc, illetve a KQ értékek számítására szolgáló összefüggések összehasonlítása  a meghatározott törési szívósság értékek összevetése egymással 


TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmények

Anyagminőségek és vizsgálati hőmérsékletek Anyagminőség

Vizsgálati Névleges vizsgálati csoport hőmérséklet,°C ötvözetlen szerkezeti acél Group_1 23 260 hőálló acél Group_1 23 410 Group_2 23 410

szakítóvizsgálat törési szívósság vizsgálat A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


Vizsgálati elrendezés



Próbatest a törési szívósság vizsgálatához  típus: húzó terhelésű, hengeres, (Cracked Round Bar = CRB)  méretek:   

d0 = 6 mm D = 8 mm r = 0,07-0,25 mm

 előfárasztás után:


bemetszett

TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények

A szakítóvizsgálatok eredményei Vizsgálati csoport

Névleges vizsgálati hőmérséklet, °C

Próbatestek száma, darab

ReH

ReL

Rp0,2

Rm

N/mm2

ötvözetlen szerkezeti acél Group_1

23

1

260,0

258,0

–

443,0

Group_1

260

2

197,0

193,0

–

381,0

260

1

–

–

197,0

410,0

hőálló acél Group_1

23

2

303,5

297,5

–

470,0

Group_2

23

3

234,0

231,7

–

390,7

Group_1

410

3

–

–

223,0

381,0

Group_2

410

2

–

–

208,0

402,5



Törési szívósság vizsgálatok: erő – elmozdulás diagramok 16000 Group_1_41_260 Group_1_42_260

14000

Group_1_13_410 Group_1_14_410 Group_2_2.1_410

12000

Group_2_2.2_410

Erő, F, N

10000

Group_2_2.5_410

8000 6000 4000 2000 0 -2000 0

0,5

1

1,5

2

Dugattyú út, mm


2,5


Összefüggések a feszültségintenzitási tényező számításához  Dieter (D) KI 

F D3 / 2

  D   1,27  1,72 d    

 Benthem-Koiter (B-K) 2 3 4 d  d  d d d KI   a 1  0,5   0,375   0,3639   0,731   2 D  D D  D   D



 Kovcsik-Morozov (K-M) KI 

 d   2 s   Y  ;    D D  D   d   F

 d   2s  Y  ;     D   d 

 d    2s  d    2s   D   0,7978  1  1     1  1  3     1  D    d  D    d   d    2s   d  1     0,8012   d   D 

 Romaniv-Nikiforcsin (R-N) KI 

F d

3

2D  d   D  0,801d 


2


Feszültségintenzitási tényező függvények

Feszültségintenzitási tényező, KI , MPam

1/2

50 45

?

40 35 30 25 20

Dieter Benthem-Koiter Kovcsik-Morozov: s = 0,1 mm Kovcsik-Morozov: s = 0,2 mm Kovcsik-Morozov: s = 0,4 mm Romaniv-Nikiforcsin Nilsson

15 10 5

D = 8 mm, F = 10000 N

0 1,0

1,5

2,0

Repedésméret, a, mm A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

2,5


Aszimmetrikus repedések az előfárasztás során

ötvözetlen szerkezeti acél Group_1, próbatest: 1_41

hőálló acél Group_2, próbatest: 2_2.5



A törési szívósság vizsgálatok eredményei Vizsgálati csoport

Névleges vizsgálati hőmérséklet, °C

A próbatest jele

KQ, MPam1/2 D

B-K

K-M

R-N

ötvözetlen szerkezeti acél Group_1

260

1_41

22,8

22,5

29,6

21,5

260

1_42

19,7

19,5

24,9

18,6

hőálló acél Group_1 Group_2

410

1_13

27,5

27,2

38,0

26,2

410

1_14

26,8

26,7

41,5

25,8

410

2_2.1

22,6

22,4

24,0

21,4

410

2_2.2

23,0

22,8

24,6

21,8

410

2_2.5

23,9

23,5

28,1

22,5


TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Következtetések

 A húzó terhelésű, hengeres, bemetszett (Crack Round Bar = CRB) próbatestek használhatók törési szívósság vizsgálatokhoz.  Mindegyik bemutatott összefüggés alkalmas a törési szívósság értékének meghatározására; közülük a Kovcsik-Morozov összefüggés a legérzékenyebb az aszimmetrikus előfá rasztott repedések jelenlétére.  A vizsgálatok során csak egyezményes törési szívósság (KQ) értékeket sikerült meghatározni, amelynek alapvető oka a kis bemetszés átmérőjű próbatestben keresendő. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉSI SEBESSÉG VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, feladatok

 Kihívás: fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok végzése növelt hőmérsékleteken (100 °C és 290 °C; 296 °C és 325 °C), korróziós közegekben  Specialitások: furatos CT próbatest alkalmazási kényszere a stabil repedésterjedés, illetve repedéstompulás tanulmányozása, a fárasztás közben (100 °C és 290 °C), 3 órás, az ismétlődő igénybevétel maximumával egyező nagyságú statikus terhelés közbeiktatásával  a hőmérséklet-változás befolyásoló hatásának tanulmányozása, a hőmérséklet két névleges hőmérséklet (296 °C és 325 °C) között, négy-szög függvény szerint történő változtatásával  

 Feladatok:  

furatos CT próbatestek alkalmazhatóságának igazolása fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok végzése különböző anyagminőségeken


FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉSI SEBESSÉG VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmények

A furatos CT próbatestek geometriája szikraforgácsolt furatok a korróziós közeg injektálására

a fűtőpatron furata A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


A próbatest elülső oldala vizsgálat közben sűrített levegős hűtés

fűtőpatron próbatest

szétnyílásmérő „szigetelő” elem



A próbatest hátsó oldala vizsgálat közben sűrített levegős hűtés fűtőpatron próbatest termoelem

„szigetelő” elem



A korróziós közeg injektálása

szikraforgácsolt furatok


FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉSI SEBESSÉG VIZSGÁLATOK Eredmények

Kinetikai diagramok: 08H18N10T ausztenites acél (ASTM 321)

Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dN, mm/ciklus

1,0E-02

1,0E-03

FCG1_100 FCG2_300_100_100 FCG6_100

1,0E-04

FCG7_100_3h FCG4_300 FCG2_300_100_300 FCG5_290 FCG3_290 FCG8_290_3h

1,0E-05 10

100

Feszültségintenzitási tényező tartománya, DELTA K, MPam

1/2



COD értéke a közbeiktatott statikus terhelés alatt 0,6

Repedésszétnyílás, COD, mm

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1 FCG7_100_3h FCG8_290_3h 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

Vizsgálati idő a közbeiktatott statikus terhelés kezdetétől, s


12000


A közbeiktatott statikus terheléssel vizsgált próbatestek

FCG7_100_3h

FCG8_290_3h



Kinetikai diagramok: 22K ötvözetlen acélból, SzV-10H16N25AM6 ausztenites párnarétegből és töltőrétegekből álló K-varrat Fáradásos repedésterjedési sebesség, da/dN, mm/ciklus

1,0E-02

1,0E-03

1,0E-04

FCG2_296 FCG7_296 FCG3_325 FCG4_325 FCG5_296_325 FCG6_296_325 FCG1_szoba

1,0E-05 10

100 1/2

A feszültségintenzitási tényező tartománya, DELTA K, MPam



A hőmérséklet-változással vizsgált próbatestek FCG5_296_325

FCG5_296_325 A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


A fáradásos repedésterjedési vizsgálatok eredményei A Paris-Erdogan összefüggés kitevője, n

5

4

08H18N10T_100 08H18N10T_100_3h 08H18N10T_290, 300 08H18N10T_290_3h 22K+SzV-10H16N25AM6_23

3

2

22K+SzV-10H16N25AM6_296, 325 22K+SzV-10H16N25AM6_296/325 321_275_R=0,5_levegő [Matocha-Siegl] 321_275_R=0,5 [Matocha-Siegl]

1 -12

-11

-10

-9

-8

-7

A Paris-Erdogan összefüggés álandója, lgC A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

-6

-5

FÁRADÁSOS REPEDÉSTERJEDÉSI SEBESSÉG VIZSGÁLATOK Következtetések

 A próbatestbe integrált fűtőpatronnal kialakított, furatos CT próbatestek alkalmasak fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok elvégzésére, növelt hőmérsékleten és korróziós közegben.  A furatok befolyásoló hatásának teljesebb feltérképezése, az „átlagolás” alkalmazhatóságának igazolása, további elemzéseket (például VEM) é s vizsgálatokat igényel.



 A fáradásos repedésterjedés folyamatába közbeiktatott statikus terhelés ideje (3 óra) alatt az alacsonyabb névleges hőmérsékleten (100 °C) nem következett be sem stabil repedésterjedés, sem repedéscsúcs tompulás, a magasabb névleges hőmérsékleten (300 °C) azonban igen.  A 08H18N10T ausztenites korrózióálló acél alapanyag fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállása a két névleges vizsgálati hőmérs ékleten (100 °C és 300 °C) eltérő.



 A fizikailag szimulált K-varratos hegesztett kötés (22K ötvözetlen acél SzV-10H16N25AM6 hegesztő hozaganyag), amelyben a repedés az ötvözetlen acél és az ausztenites réteg között haladt, fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállása a két névleges vizsgálati hőmérsékleten (295 °C és 325 °C) nem eltérő.  A hőmérséklet változása (hőmérsékleti lépcs ők) a fáradásos repedésterjedés során a repedésterjedéssel szembeni ellenállást érdemben nem befolyásolja. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, feladatok

 Kihívás: nagy kopásállóságú anyagok súrlódási és kopási jellemzőinek meghatározása  Specialitások: nagy kopásállóságú, új fejlesztésű, kerámia nanokompozitok vizsgálata  a kopási tényező meghatározásának módszere  a koptatott felület morfológiai jellemzése  a kopási mechanizmus azonosítása 

 Feladatok: különböző összetételű kerámia minták pin-on-disc kopásvizsgálatának elvégzése  a kopásvizsgálat elemzése 

 a kikopott térfogat  a súrlódási együttható  a felület morfológiájának és összetételének változása  az uralkodó kopási mechanizmus azonosítása


KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmények

A vizsgálati próbatestek összetétele és geometriája Másodlagos fázis

Gyártó

G1 G2 G3 G4 G5 G6

93,1 90,3 85,5 85,5 85,5 85,5

4,9 4,7 4,5 4,5 4,5 4,5

-

grafit grafit grafit grafit grafit grafit

2 5 10 10 10 10

Sze mcse mé re te [μm] < 25 < 25 < 25 < 71 < 125 > 125

MONO

90

6

4

-

-

-

3,372

CNT

90

6

4

MWCNT

3

-

3,305

Si3N4/SiC/grafit kerámia kompozitok d= 50 mm, v=2 mm tárcsák

Gyártáste chnológia

3

Kémiai Intézet, Pozsony

Meleg sajt olás, T =1750 °C, p=30 MPa p=0,2 bar nit rogén t úlnyomás

Budapest

3,246 3,239 2,494 2,822 3,141 3,09

Akadémia, Szervetlen

[g/cm ] Szlovák Tudományos

Típusa

Me nnyisé ge [tf%]

MTA,

Si3N4* Y2O3 Al2O3 [tf%] [tf%] [tf%]

MFAKI,

Próba

Sűrűsé g

Két lépéses gáznyomásos szint erelés, T =1700 °C; t =3h; p=20 MPa

Monolitikus és CNT-Si3N4 kompozitok 4,9mm x 3,2mm x 49,1mm (EN 843-1)



A vizsgálati próbatestek másodlagos alkotóelemei A másodlagos fázis (grafit) morfológiája és szemcsemérete, a Si3N4/SiC/grafit kerámia kompozitokban

200 µm

200 µm

200 µm

200 µm (Sajgalik 2006)

A másodlagos fázis (CNT) morfológiája, a CNT-Si3N4 kerámia kompozitokban

(Cs. Balázsi: Current Applied Physics 6 (2006) p. 124–130)



Vizsgálati körülmények 1. Pin-on-disc kopásvizsgálat

Nagy hőmérsékletű tribometer

Mérési paraméterek Ellentest: d = 6 mm SiC golyó Terhelés: FN = 5 N, 10 N, 15 N Teljes csúszási úthossz: s = 100 m Csúszási sugár: r = 1,2 mm Csúszási sebesség: v = 0,01 m/s Hőmérséklet: szobahőmérséklet Relatív páratartalom: ~ 50 % Kenőanyag alkalmazása nélkül (Miskolci Egyetem Polimermérnöki Tanszék)

2. Profilométer

Kopástényező származtatása

3. SEM elemzések

Kopási mechanizmus elemzése


KOPTATÓ VIZSGÁLATOK Eredmények

A kopási tényező számítása Mérési módszer

Kopási tömegmérés

Mért jellemző

Tömeg csökkenés (g, mg)

Kikopott térfogat (mm3, m3)

Kopásnyom méretváltozása (mm, m)

Kopási együttható, k

erő, N

g·N-1

mm3·N-1

mm·N-1

kopási úthossz, m

g·m-1

mm3·m-1

mm·m-1

elnyelt energia, Nm

g·Nm-1

mm3·Nm-1

mm·Nm-1



A kikopott térfogat és a kopási tényező számítása VW= AW  l

s l N 3 2

4 R

1

wt

5

VW k s  FN

VW = kikopott térfogat [mm3] AW = kikopott felület [mm2] l = kopásnyom hossza [mm] N = ciklusok száma s = súrlódási úthossz [m]

k = kopási tényező [mm3/Nm] VW = kikopott térfogat [mm3] s = súrlódási úthossz [m] FN = terhelőerő [N]

kopásnyom

8

6 7



Tribológiai eredmények: kikopott térfogat



Tribológiai eredmények: súrlódási együttható G1

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

G5

0,8

Súrlódási együttható


0,8

0,9

5N 15N

0,9

5N 15N

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0

2000

4000

6000

8000 10000 12000 14000

Ciklusok száma

0,0

5N

0,8


0,9

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Monolitikus Si3N4

0,1

0

2000

4000

6000

8000 10000 12000 14000

Ciklusok száma

0,0

CNT-Si3N4

0

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Ciklusok száma

 A súrlódási együttható értékek 0,26 – 0,58 között változnak  A csúszási úthossz növekedésével nő a súrlódási együttható értéke, a legtöbb esetben megjelenik az állandósult állapot  A monolitikus és CNT tartalmú minták súrlódási együtthatóinak értéke nem tér el szignifikánsan A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


Tribológiai eredmények: uralkodó kopási mechanizmus 1. Rideg törés által kontrollált kopási mechanizmus / abrazív kopás 5 N terhelőerő esetén G4 minta 5 N kopásnyom

G1 minta 5 N kopásnyom

Grafit kitöredezés a kopásnyomban

Kitöredezés Kopási törmelék

50μm

2. Képlékeny alakváltozás által kontrollált kopási mechanizmus 10 N és 15 N terhelőerő esetén G4 minta 10 N kopásnyom

G2 minta 15 N kopásnyom

Képlékenyen alakváltozott rétegek a kopásnyomban és a grafit kitöredezések körül

Oxid elkent réteg keletkezett a kopásnyomban


KOPTATÓ VIZSGÁLATOK A jövő

CETR UNMT-1 többfunkciós moduláris felületvizsgáló berendezés alkalmazása Tribológiai modul

Felületelemző / Nanoanalyser modul

Erőmérő cella

AFM tű

Tárgyasztal

Szerszám befogó

350 °C-ig fűthető kemence, benne tárgyasztal

Optikai mikroszkóp



köríven alternáló

csiga vonal

0,1-4000 rpm

körmozgás

egyirányú, de mindkét irányban indítható

Hőmérséklet

Normál irányú erő 5 mN - max. 100 N (kenőanyag alkalmazása nélkül), ill. max. 200 N (kenőanyaggal)

kétirányú

szobahőmérséklet/növelt hőmérséklet, max. 350 °C

egyirányú, de mindkét irányban indítható

0.001 - 10 mm/s.

lineáris

Mozgás típusa

Vizsgálati sebesség

CETR UNMT-1 tribológiai modul Szerszámok

-

-

-

golyók (rozsdame ntes acél, krómacél, réz, zafír, volfrámkarbid) hengeres pin, (rozsdame ntes acél) Vickersfej

súrlódási erő súrlódási együttható érintkezési pont hőmérséklete elektromos érintkezési ellenállás nyomaték nyomás – és hőmérséklet eloszlás a felületen  és mindezen fizikai paraméterek időbeli változása a csúszási úthossz, vagy a választott időtartam alatt

     



CETR UNMT-1 felületelemző modul Felületi tulajdonságok meghatározása Mérendő jellemző

Terhelőerő

Szerszám

nanokeménység nanokarc lokális rugalmassági modulus

maximum 0,1 N

gyémánt nanoindenter, Berkovich fej

A vizsgálatok kimeneti paraméterei  nanokeménység értékek 1-100 GPa értéktartományban  bevonatok/nanorétegek kritikus/átszakadási terhelése  szubsztrát hatástól független modulusmérés  felületi rugalmassági modulus értékek 101000 GPa tartományban  keménység és rugalmassági modulus térképek

Szubsztrát hatástól független modulusmérés

(N. Gitis, 2008. 7th International Conference Coatings in Manufacturing Engineering)



CETR UNMT-1 felületelemző modul Képalkotás a felületről Üzemmód

Letapogatott felület

Letapogatási erő

Letapogatási frekvencia

Szkennelt kép felbontása

félig érintkező, tapogató

100×100 µm z irányú max. tűelmozdulás: 1,5 nm

10 µN

15 kHz

xy: 10 nm z: 1 nm

Karc morfológia elemzése

Nano keménységmérés lenyomatok elemzése

Felületi érdességi paraméterek meghatározása


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Kihívás, specialitások, feladatok

 Kihívás: műszaki kerámiák dinamikus törési szívósságának meghatározása különféle módszerekkel, az eljárások összehasonlítása  Specialitások: újszerű vizsgálati módszer: műszerezett ütővizsgálat  újszerű kiegészítő technika: elektro-emissziós törési idő meghatározás  újszerű vizsgálati elv: törésmechanikai jellemző meghatározása bemetszetlen próbatesten 

 Feladatok: a kerámiák KId értékének számítására szolgáló összefüggések és vizsgálati módszerek összehasonlítása  a fraktográfiai módszer alkalmazhatóságának igazolása a dinamikus törési szívósság meghatározására  a mért törési szívósság értékek összevetése és a különféle módszerek alkalmazhatóságának összehasonlítása 


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Vizsgálati körülmények

Módszer: dszer műszerezett ütővizsgálat Berendezés: CEAST 25/15/2 (Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék, Anyagvizsgáló Laboratórium)

A mérőrendszer részei

Nyúlásmérő EE kondenzátor A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001


 Vizsgálati anyag (gyártó: MTA MFAKI): összetétel: 90% Si3N4; 4% Al2O3; 6% Y2O3  gyártási eljárás: kétlépcsős gáznyomású szinterelés 

 Próbatestek: geometria: négyszög keresztmetszetű hasáb  névleges méretek: 4,9 mm x 3,2 mm x 49 mm  mérési sorozatok:  bemetszetlen 

Poz. A1 és A2: LS = 40 mm Poz. B: LS = 38 mm

(A1 és B pozíció)  bemetszett

(a/W=0,5; A2 pozíció)



Az alkalmazott kalapács ütési energiája

2J

Vizsgálati hőmérséklet

22 °C ± 3 °C

Vizsgálati közeg

levegő

Vizsgálati sorozat

Pozíció

v1 = 2,88 m/s

v2 = 2,10 m/s

v3 = 0,78 m/s

bemetszetlen

A1







B







A2







bemetszett



A tF törési idő meghatározása  elektro-emissziós technika!

 Alapelve:  a törés pillanatában:

a mikroszerkezeti változások miatt a környező elektromos mező megváltozik  fémes anyagoknál: mindig fellépő jelenség  polimerek és kerámiák esetében: csak bizonyos anyagoknál

 Az alkalmazás feltételei:  a technika (eszköz) rendelkezésre

EE kondenzátor

E R

állása  megfelelő, azaz "elektromosan aktív" anyagminőség A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

C

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK A vizsgálat információ tartalma F-t diagram

Fmax

Erő, kN

Diagram : erő-idő (F-t ) erő-elmozdulás (F-s )  Fmax : az instabil repedésterjedés kezdetéhez tartozó erő  KV

tf

t, ms 1 t v(t )  v0   F (t )dt m t0

t

 Emax

t0

 KId

s (t )   v(t )dt

F-s diagram

 RTPB,d

1

 Ed

Force, kN Erő, kN

0,8 0,6

: ütési energia : maximális törési energia : dinamikus törési szívósság : dinamikus hajlítószilárdság : dinamikus Young modulus

0,4 0,2 0 -0,2-0,2 -0,4

 smax

Emax 0,0

0,2

s, mm

0,4

0,6

0,8

1,0

 tf

: maximális behajlás : teljes törési idő

smax


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Elméleti háttér

A KId dinamikus törési szívósság meghatározásának lehetőségei kerámiáknál Műszerezett ütővizsgálattal  kvázistatikus összefüggéssel  ütési válaszgörbe módszerrel  dinamikus kulcs-görbe

(DKC) módszerrel

Fraktográfiai módszerrel történő becslés  kvázistatikus egyenletből származtatható

empirikus összefüggés alapján


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Elméleti háttér – Kvázistatikus összefüggés

A KId törési szívósság meghatározása kvázistatikus összefüggéssel  Az alkalmazhatóság feltétele:  a tönkremeneteli folyamat kvázi-statikus jellegű

legyen (ekkor: Fmax az instabil repedésterjedés kezdetéhez tartozó erő)  csak bizonyos terhelési sebességhatárig (a jelentős erő-oszcillációk miatt)

 Számítás [ISO/DIN 15732, ASTM C1421-99]:

–

a K Id  g  W

1/ 2   3 a / W    F L    max S    3/ 2  3/ 2    B W     2  1  a / W  

Fmax a maximális terhelőerő „a” a kezdeti repedéshossz LS, B, W geometriai paraméterek g(a/W) geometriai függvény A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Elméleti háttér – Ütési válaszgörbe módszer

Az ütési válaszgörbe módszer  Az alkalmazás feltétele:

10

 előzetesen meghatározott

 Számítás [Kobayashi et al. 1986, 1987]:

K Id  R  v0  t 

v = 2,88 m/s

KId, MNm-3/2

mester-görbe megléte az adott anyagminőségre  a törési idő ismerete

v = 3,7 m/s

5

v = 1,66 m/s v = 0,7 m/s

R egy adott gép compliance-re vonatkozó konstans v0 az ütési sebesség tF , s t" = f (t’ ) az időparaméter, amely t’ segítségével megadható: 2 t   t F  1  0, 62   a0 / W  0,5   4,8   a0 / W  0,5    


50

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Elméleti háttér – Dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszer

A dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszer  Alkalmazhatóságának feltétele:  a törési idő ismerete

 Számítás [Böhme 1990, 1995, 2001]: KId  KIqs  k dyn K Id 

3  E  LS  Y  a0 / W  dyn  v  t  k  t  tF  0 F 3/ 2 * 2  W  C S  1  Cm / C S 

E a próbatest rugalmassági modulusa LS a támaszköz Y(a0/W) geometriai függvény a0 a kezdeti repedéshossz W a próbatest vastagsága CS* dimenzió nélküli próbatest compliance Cm gép compliance CS bemetszett próbatest compliance v0 ütési sebesség tF törési idő

kdyn dinamikus kulcsfüggvény 

ha 0 < tF < 9,2W / c1 , akkor kdyn = f (c1, tF, W)



ha tF > 9,2W / c1, akkor kdyn = 1 c1 a longitudinális hullámok terjedési sebessége a próbatestben


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Elméleti háttér – Fraktográfiai módszer

Fraktográfiai módszer  Alkalmazási sajátosságai:  bemetszetlen (!) próbatest  a hiba: meglévő, valós

anyagfolytonossági hiba

(pórus, repedés)  a kiértékelés alapja: a Griffith elmélet

 Számítás [ASTM C1322-96a, ENV 843-6:200x]:

K Ic   f  Y  a1/ 2 σf a törési feszültség (meghatározása: az A1 és B pozíciójú, bemetszetlen próbatesteken) Y a hibaalak tényező „a” a törés kiinduló hibahelyének jellemző mérete


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények – Kvázi-statikus összefüggés

A kvázi-statikus összefüggés alkalmazásának problémája Bemetszetlen, v = 0,776 m/s

Bemetszetlen, v = 2,875 m/s

1 0,8

Próbatest:59322-23 Próbatest jele:59322-23

0,8

0,6 0,4 0,2 0 -0,1 -0,2

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Force, kN Erő, kN Force, kN

Force, Erő, kNkN Force, kN

1

Próbatest jele:65812-13 Próbatest: 65812-13

-0,4

0,6 0,4 0,2 0 -0,1 -0,2

0,0

0,1

0,2

0,4

0,5

0,6

0,7

-0,4

t, ms

t, ms

t, ms

t, ms

Bemetszett, v = 0,776 m/s 0,1

Bemetszett, v = 2,875 m/s 0,6


0,08

Fmax= Fi,u

0,06 0,04 0,02 0

0,3 0,2 0,1 0 -0,1

-0,04

-0,2-0,1

0,0

0,1

0,2

t, ms

t, ms

0,3

0,4

Fmax= Fi,u

0,4

-0,02

-0,1


0,5

Force, kN Erő, Force,kN kN

Force, Erő, kNkN Force, kN

0,3

0,0

0,1

0,2

t, ms

t, ms


0,3

0,4

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények – Törési idő

Az anyag elektro-emissziós (EE) aktivitásának vizsgálata Kapcsolat az EE-jel és az F-t diagram között Bemetszett próbatest, v = 0,78 m/s

Bemetszetlen próbatest, v = 0,78 m/s 0,6 0,5

F-t

F, kN

EE-t

0,4 0,3 0,2 0,1

-0,00010

0 -0,0002

-0,0001 -0,1 0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

t, ms

-0,2 -0,3

tF

1,4 F, 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,00005 -0,2 0,00000 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4

kN

F-t

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

t, ms

EE-t

tF

Az adott Si3N4 kerámia: elektro-emissziós aktivitást mutat,  a törési idő (tF) meghatározható  a dinamikus kulcs-görbe DKC módszer alkalmazható A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények – Dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszer

A dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerrel meghatározott KId értékek Vizsgált jellemző Vizsgálati körülmények:

KIc, MPa·m1/2

KId, MPa·m1/2

Ütési sebesség, v, m/s ~ 0 m/s 0,78 m/s 2,88 m/s

– a KId meghatározásakor:

6,81

4,51

3,00

próbatest: bemetszett pozíció: A2 – a KIc értékek: bemetszetlen, azonos próbákon a gyártó által mért adatok Átlag, MPa·m1/2

7,87

4,75

3,81

7,51

3,60

2,05

7,55

4,73

2,07

–

–

3,03

7,43

4,40

2,79

Szórás, MPa·m1/2

0,45

0,54

0,74

Variancia együttható, %

6,00

12,30

26,60

 A DKC módszerrel meghatározott dinamikus törési szívósság a sebesség növelésével egyértelműen csökken.  Az adott anyagra és sebességekre a szakirodalommal egyező eredmények. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények – Fraktográfiai módszer

A törés jellemző kiindulási pontjai: egyedi, felszínhez közeli pórusok 59362

59524

2c

65828

2c

2a 2a

2a 2c ~20µm

~5µm

~20µm

Az Y hiba alaktényező és az a hibaméret meghatározása ASTM C 1322-05b szerint Térfogati kiindulópontok Alak

Y(c/a)

Felszíni kiindulópontok Alak

Kör, c/a = 1

1,13

Félkör, c/a = 1

Ellipszis, c/a = 1,4

1,26

Félellipszis, c/a = 1,4

Y(c/a) Közép: 1,17 Felszín: 1,29 Közép: 1,39 Felszín: 1,29 ~20μ m

Közép: 1,59

Ellipszis, c/a = 2

1,47

Félellipszis, c/a = 2

Hosszú ellipszis, c/a>>4

1,77

Hosszú ellipszis, c/a>>4 Közép: 1,99

Felszín: 1,24 Húzott felület


DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények – Fraktográfiai módszer

A fraktográfiai módszerrel meghatározott jellemzők

hiba alaktényező (Y); hibageometria (c/a); din. törési szívósság (KId,frakt.) v m/s

Pozíció és No.

σmax

2c

2a

Y

c/a

KId, Id, frak

KId átlag

MPa

μm

μm

–

–

MPa·m1/2

MPa·m1/2

A1

59462

672

44,7

21,0

1,47

2,13

3,20

A1 A1

65814 65824

547 599

82,0 65,0

41,0 31,0

1,59 1,59

2,00 2,10

3,94 3,75

B

65828

410

94,0

53,0

1,59

1,77

3,36

2,10

B

59524

461

72,0

31,0

1,59

2,32

2,89

–

2,88

A1 A1

65846 59322

641 547

46,2 39,3

33,7 10,7

1,26 1,77

1,37 3,67

3,32 2,24

2,66

A1

59362

610

32,5

25,0

1,13

1,30

2,44

0,78

3,56

A dinamikus törési szívósság sebességfüggése a fraktográfiai módszernél is egyértelműen megfigyelhető! A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények

A dinamikus kulcs-görbe (DKC) és a fraktográfiai módszerek grafikus összehasonlítása Statikus képlet DKC módszer Fraktográfia Stat.& DKC átlagok Stat.& Fraktog. átlagok Dinamikus kulcs-görbe módszer Fraktográfia

Ütési Ütésisebesség, sebesség, m/s A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Eredmények

A dinamikus kulcs-görbe (DKC) és a fraktográfiai módszerek számszerű összehasonlítása Vizsgálati módszer Egyoldalon bemetszett próbatest vizsgálata

Kiértékelési Jellemző módszer Kvázistatikus összefüggés KIc

Statisztikai jellemző

0

Átlag, MPa·m1/2

7,43

Szórás, MPa·m1/2

0,45


6,0

Adatok száma Műszerezett Dinamikus ütővizsgálat kulcs-görbe módszer

Ütési sebesség, v, m/s

KId

Műszerezett Fraktográfia ütővizsgálat KId


2,10

2,88

–

–

–

4

Átlag, MPa·m1/2 Szórás, MPa·m1/2

0,78

4,40 –

0,54 12,3

2,79 –

0,74 26,6

Adatok száma

4

Átlag, MPa·m1/2

3,56

2,89

2,66

Szórás, MPa·m1/2

0,34

–

–

9,6

–

–

4

1

3


–

Adatok száma A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

5

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Megállapítások, következtetések I.

Műszerezett ütővizsgálat, bemetszett próbák  A vizsgált Si3N4 kerámia törés közben elektroemissziós aktivitást mutat. Ez lehetőséget ad a tF törési idő meghatározására nagy ütési sebességű vizsgálatok vagy bemetszett próbatestek esetén is.  A tF törési idő ismeretében a KId dinamikus törési szívósság a dinamikus kulcs-görbe (DKC) módszerrel az adott kerámiára meghatározható.  A módszert alkalmazva az ütési sebesség növelésével a KId törési szívósság értékek csökkenését figyeltük meg.  A mérési eredmények a szakirodalommal jó egyezést mutatnak. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

DINAMIKUS TÖRÉSI SZÍVÓSSÁG VIZSGÁLATOK Megállapítások, következtetések II.

Műszerezett ütővizsgálat, bemetszetlen próbák és fraktográfiai módszer  A fraktográfiai elemzéssel kiegészített műszerezett ütővizsgálat alkalmas a KId törési szívósság gyors és egyszerű becslésére bemetszetlen Si3N4 próbatesteken.  A fraktográfiai módszerrel bemetszetlen mintákra kapott eredmények mind a számszerű értékek, mind a sebességfüggés tekintetében jó egyezést mutattak a bemetszett próbákra DKC módszerrel meghatározott KId értékekkel.  A bemutatott új mérési módszer alkalmas a költséges és hosszadalmas törésmechanikai vizsgálatok mérőszámainak megbízható ellenőrzésére. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

ÖSSZEGZÉS

A meghatározott anyagi mérőszámok megbízhatóan használhatók az élettartam gazdálkodás feladatainak (tervezés, vagy üzemeltetés: műszaki-kritikai értékelés) megoldásában.


A kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként folytatódik, amely – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

76/50


ME

Köszönjük a figyelmet!

6. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Szakmai Szeminárium (6. AGY) Cegléd, 2012. június 7-8. A felső felsőoktatá oktatás minő minőségének javí javítása kivá kiválósági kö központok fejleszté fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem straté stratégiai kutatá kutatási terü területein TÁMOPMOP-4.2.1.B4.2.1.B-10/2/KONV10/2/KONV-20102010-0001

SPECIÁLIS VIZSGÁLATOK SZERKEZETEK

Recommend Documents