KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

6. lecke: Az anyagok viselkedése dinamikus terhelés hatására

|  | Szívós, képlékeny, rideg anyagviselkedés Mitől függ az anyagok dinamikus igénybevétellel szembeni viselkedése Az állapottényezők hatása A szívósság fogalma. Charpy vizsgálat. A törésmechanika lényege, alkalmazása
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | kiválasztani a szívós, képlékeny és rideg anyagok tulajdonságait képek alapján kiválasztani a szívós, a rideg és a képlékeny anyag töretét definiálni és jellemezni a ridegtörést kiválasztani a ridegtörésre hajlamos anyagokat felsorolni a legfontosabb állapottényezőket felsorolni a hőmérséklet hatására kialakuló változásokat meghatározni a Charpy-féle ütővizsgálat célját definiálni az ütőmunka fogalmát felsorolni az ütőmunkát befolyásoló tényezőket kiválasztani az ütőmunkát leíró összefüggést értelmezni a bemetszés alakja és az ütőmunka nagysága közötti kapcsolatot definiálni a törésmechanika lényegét
|  | Az anyag viselkedése dinamikus terhelés hatására A szívósság vizsgálata
|  | Az anyagok lehetnek:
|  | szívósak (pl. alumínium, kis széntartalmú acélok stb.), képlékenyek (pl. ólom, arany) és ridegek (pl. üveg, porcelán stb.).
|  | Szívós vagy képlékeny anyag
|  | A szívós anyagok terhelés hatására a rugalmas alakváltozást követően maradó alakváltozást is szenvednek. Az alakváltozás az anyag felkeményedése miatt a terhelés növelését igényli. A törést jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzi meg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű.
|  | Lásd. Az 1. Modul 2-es lecke.
1. ábra. Szívósan tört felület
|  | A képen megfigyelhető a maradó alakváltozás (pl. nyúlás) hatására kialakult "tésztaszerű", törés előtt megnyúlt felület.
|  | Rideg, nem képlékeny törés
|  | A rideg, nem képlékeny törés esetében a törést nagyon kicsi vagy semmi maradó alakváltozás sem előzi meg, és viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez.
2. ábra. Ridegen tört felületek
|  | A kerámiák, a fémek alacsony hőmérsékleten (T< -60 - 80 C°) a terhelés hatására a rugalmas alakváltozást követően elhanyagolható mértékű vagy semmilyen maradó alakváltozásra sem képesek. Így a terhelési folyamat során a darabban nem kell a maradó alakváltozásra munkát fordítani. Ha a darabban vagy annak felületén kialakul repedés az sok esetben a darabban felhalmozódott energia hatására eltörik. Pl. a repedt szélvédőn a repedés hideg időben nő.
|  | A törés folyamata
|  | Az anyag törésének folyamata
|  | repedés keletkezéséből a repedés terjedéséből, majd az anyag végső szétválásából áll.
|  | A repedésterjedés lehet:
|  | lassú, ilyen a terhelés növelése mellett bekövetkező szívós törés illetve kúszás és kifáradás, vagy gyors, instabil, ami maradó alakváltozás nélküli rideg töréshez vezet
|  | Mitől függ egy anyag töréssel szembeni viselkedése?
|  | függ magától az anyagtól, annak állapotától (összetétel, mikroszerkezet), de jelentős mértékben függ az ún. állapottényezőktől, a hőmérséklettől, a feszültségállapot jellegétől és az igénybevétel sebességétől

|  | Az anyag és annak állapota
|  | Rideg törésre rendkívül hajlamosak a kovalens vagy ionos kötéssel rendelkező anyagok, pl. kerámiák, rideg kompozitok, nagyszilárdságú acélok, pl. edzett szerszámacélok, hexagonális rácsszerkezetű fémek, mint pl. a magnézium. Bennük a legkisebb hiba is beindíthatja a rideg törést. Ezért a ridegtörésre hajlamos anyagok gyártását fokozott gondossággal kell elvégezni illetve nagy gondot el kell fordítani az anyag roncsolásmentes vizsgálatokkal való ellenőrzésére.
|  | Szívósan viselkedik a legtöbb fém, a hőre lágyuló polimerek jelentős része. Ezek terhelés során alakváltozásra hajlamosak és még nagy méretű hibák mellett is szívósan viselkednek. Megjegyzés: Vannak olyan anyagok, mint pl. az acélok, amelyek általában szívósak, de bizonyos körülmények között ridegen törhetnek.
|  | Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére
|  | A hőmérséklet csökkenése a rideg törést segíti elő, mert akadályozza a képlékeny alakváltozást.
3. ábra. A hőmérséklet hatása
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy a hőmérséklet csökkenése a KV értékét csökkenti. Megjegyzés a KV a szívósság mérőszáma. Az ábrán az is leolvasható, hogy a nagyobb karbontartalmú acélok kevésbé szívósak.
|  | A feszültség állapot
|  | három tengelyű nyomás elősegíti a képlékeny alakváltozást. a három tengelyű húzás, minden anyag esetében rideg törést eredményez. Ugyancsak a rideg törést segíti elő a többtengelyű feszültségi állapot, a bemetszések, a belső anyaghibák.
|  | Az igénybevétel sebességének növelése a különböző anyagok esetében különböző mértékben de befolyásolja a viselkedést. A sebesség növelése általában a ridegebb viselkedést segíti elő.
|  | Szívós vagy rideg?
|  | A szívósság vagy ridegtöréssel szembeni ellenállás vizsgálata
|  | Az acélok, főleg a kisebb karbontartalmúak a legtöbb esetben szívósan viselkednek (lásd 3. ábra). Azonban lehetnek olyan körülmények, hogy a szívósnak várt acél ridegen viselkedik, azaz minimális vagy elhanyagolható mértékű maradó alakváltozást követően ridegen törik. Erre a jelenségre, hogy az acéloknál bizonyos körülmények között nem ad elegendő biztonságot a hagyományos méretezés, katasztrófák hívták fel a figyelmet.
|  | Ridegtörési esetek
|  | Hidak
|  | pl. 1923 Kína vasúti híd 1938 Németország új autópálya híd 1930-40 Belgium hegesztett híd 50 db 25 mm széles 2 m hosszú repedés 1951 Kanada 4 db 50 m-es nyílás a folyóba szakadt Lánchíd a saját súlyuk alatt leszakadtak az elemek
|  | Tartályok
|  | 1919 Boston melaszos tartály 1944 USA -162 C°-os földgáz tartály 1944 New York 20 m átmérőjű H2 tartály 20 darabra 1950 Répcelak
|  | Hajók
|  | 1946-ig 4694 hajóból minden 5. Liberty 1100 darabból 400 sérült, 16 db kettétört
|  | A felsorolt esetek mindegyike azzal jellemezhető, hogy a szerkezetek terhelése meg sem közelítette a tervezésnél számításba vettet. Figyelje meg a hajóról készült felvételen, hogy az nyugodt vízen, kikötőben áll.

|  | A katasztrófák, törési káresetek elemzése alapján megállapították, hogy az összes esetben közös volt, hogy:
|  | a nagyméretű szerkezetek előzetes alakváltozás nélkül törtek, a terhelés jóval a megengedett terhelés alatt volt, a repedés nagysebességgel terjedt, a katasztrófák minden esetben hidegben következtek be, az anyagok a hagyományos vizsgálatoknak (ReH, Rm, A, Z, HB) megfeleltek.
|  | A megfigyelésekből leszűrhető volt, hogy a nagy méretű, hidegben üzemelő, dinamikusan igénybevett szerkezetek esetében a hagyományos méretezés nem nyújt elegendő biztonságot.
|  | A ridegtöréssel szembeni ellenállás vizsgálata
|  | A rideg töréssel szembeni biztonság vizsgálata, tehát azt jelenti, hogy meghatározzuk, hogy adott anyag és szerkezet, milyen feltételek esetén fog szívósan illetve ridegen viselkedni. A probléma több oldalról is megközelíthető. a szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján, törésmechanika.
|  | A szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján
|  | Charpy féle ütővizsgálat
|  | Az ütve hajlító vizsgálat (MSZ EN 10045-1) célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. A dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás a szívósság.
4. ábra. Charpy féle ütővizsgálat
videó | 1776 kByte
videó | 1376 kByte
videó | 1592 kByte
|  | A vizsgálat lényege, hogy a bemetszett próbatestet a bemetszéssel átellenes oldalról egyetlen dinamikus, ütésszerű terheléssel eltörjük és meghatározzuk az ütésre fordított energiát. Az anyag szívóssága a törésre felhasznált energiával jellemezhető. A kísérlet során a próbatestben elnyelt munka az ütőmunka.
|  | A próbatest 10x10x55 mm méretű és 2 mm mély V (vagy U alakú) bemetszéssel van ellátva.
5. ábra. A Charpy vizsgálatra használt próbatestek
6. ábra. Az ütőmunka meghatározása
|  | Az inga kiindulási helyzetében Grho helyzeti energiával rendelkezik. Az alsó holtpontjában elhelyezett próbatest eltörése után tovább lendülő inga helyzeti energiája Grh1.
K = G r ( h o − h 1 ) [ J ]
|  | Megjegyzés: Korábban meghatározták a fajlagos ütőmunkát, amely:
|  | az ütőmunka és a próbatest eredeti keresztmetszetének hányadosa a bemetszés helyén J/cm2-ben. KCV = KV S o [J/cm2] illetve KVU = KU S o [J/cm2], ahol KV és KU az ütőmunka [J], So a próbatest keresztmetszetének területe a bemetszés helyén

|  | Mitől függ az ütőmunka?
|  | A bemetszés alakja
|  | Az ütőmunkát V alakú bemetszéssel ellátott próbatesten KV-vel illetve U alakú bemetszéssel ellátott próbatesten KU-val jelöljük.
|  | KV < KU, illetve KCV < KCU
|  | A hőmérséklet
|  | A hőmérséklet függvényében felvett ütőmunka görbék lehetővé teszik a szívós és a rideg állapot közötti átmenet hőmérsékletének kijelölését.
7. ábra. Az átmeneti hőmérséklet meghatározása a KV, ill. KU - T görbe inflexiós pontja alapján
|  | Az átmenet kritériuma megállapodás szerint lehet a görbe inflexiós pontja, adott ütőmunka érték pl. KV = 27J, vagy KU = 40 J de lehet a töret felületének ridegen és szívósan tört része közötti százalék is. Az átmeneti hőmérséklet jele: TTKV illetve TTKU.
|  | A V alakú bemetszéssel ellátott próbákon meghatározott TTKV átmeneti hőmérséklet nagyobb, tehát látható, hogy az "élesebb" bemetszés az anyag viselkedését a rideg irányba tolja.
|  | Az átmeneti hőmérséklet az anyagok összehasonlítására, ridegtörési érzékenységük rangsorolására alkalmas egyszerű vizsgálat.
|  | Az átmeneti hőmérséklet jelölése az angol transition temperature alapján történik.
8. ábra. Különböző anyagok ütőmunkája a hőmérséklet függvényében
|  | Törésmechanika
|  | A törésmechnika feltételezi, hogy a gyakorlatban előforduló anyagok minden esetben tartalmaznak hibákat és azt vizsgálja, hogy milyen feltételek esetén kezdenek el ezek a hibák instabil vagy katasztrofális módon terjedni. A megválaszolandó kérdés tehát az, hogy adott feszültségi állapotban mekkora lehet a hiba, adott hiba, milyen feszültségi állapotban kezd el instabilan terjedni. A vizsgálatokkal olyan, méretezésre is alkalmas anyagjellemzőket (KIC és COD, GIc) határozhatunk meg, amelyek a külső terhelés és a szerkezetben megengedhető hibaméret között állítanak fel összefüggést, és alkalmasak annak eldöntésére, hogy adott anyagból, adott hibamérettel rendelkező szerkezet adott terhelés mellett ridegen törik-e.
|  | Fajlagos törési szívósság KIc
|  | A gyors, instabil kritikus repedés terjedéshez (eredménye a rideg törés) tartozó feszültségintenzitási tényező, amikor a terhelés merőleges a repedés felületére
|  | KIc;
|  | Ebben az esetben valósul meg ideálisan a hasadásos törés.
σ π a c = G c E

|  | ahol a bal oldal a σ π a c = K c a feszültségintenzitási tényező kritikus értéke, amely a terhelő feszültséget ( σ ) és a repedés méretet (a kritikus értéke ac), tehát a külső körülményeket, a jobb oldal a G c E pedig az anyag jellemzőket tartalmazza. Az egyenlet a törésmechanika alapegyenletének tekinthető.Amikor a repedés megindul:
K I c = π a c = G c E
|  | A KIC anyagjellemző, fajlagos törési szívósság, kísérletekkel meghatározható
9. ábra. Különböző anyagok törési szívóssága
|  | Az ábrán megfigyelhető, hogy a fémek szívósak (nagy a törési szívósságuk), a kerámiák viszont ridegek. A szerves anyagok között a műanyagok egy része szívós, más része rideg.
|  | A törésmechanika alkalmazásánál három feladatcsoportot különböztethetünk meg. Ezek:
|  | A törési biztonság megítélése a LRTM alapján
|  | A szerkezetre ható igénybevétel alapján meghatározható a szerkezetre érvényes feszültségintenzitás a Kszerk. (A szerkezetben meghatározott hibákat ellipszissel vagy fél ellipszissel helyettesítjük.) Ezt kell egybevetnünk a feszültségintenzitási tényező kritikus értékével.
K szerk ≤ K IC
|  | Ennek alapján
|  | vagy a kritikus feszültséget vagy a kritikus repedéshosszúságot keressük
|  | A törésmechanika alkalmazása
10. ábra. A törésmechanika alkalmazása. Megbízhatósági koncepció
|  | A törésmechanika alkalmazása egy háromszöggel jellemezhető, ahol a csúcsokon
|  | a hibák mérete, eloszlása az igénybevételi állapot az anyag állapotát jellemző törésmechanikai mérőszámok találhatók.
|  | A méretezés, ellenőrzés során úgy kell eljárni, hogy figyelembe kell venni, hogy az igénybevételnek megfelelő állapotú anyagot válasszunk, megfelelő módszerekkel ellenőrizni tudjuk, hogy abban mekkora hibák vannak. A megmunkálási technológiák során keletkező hibák meghatározása (roncsolásmentes vizsgálatokkal) megszabja adott anyag esetében a megengedhető terhelést stb.
|  | A hibaméret és az előfordulás, a kimutathatóság gyakoriságának kapcsolata
11. ábra. Az anyagokban lévő hibák mérete és előfordulásuk és kimutathatóságuk gyakoriságának kapcsolata
|  | Az anyagban lévő hibák általában roncsolásmentes módszerekkel mutathatók ki. Meg kell azonban jegyezni, hogy a tényezők között figyelembe kell venni a valószínűséget is. A módszerek mindegyikénél lesznek olyan hibák, amelyek nem mutathatók ki.
|  | Figyelje meg, hogy az ábra a hibanagyság függvényében mutatja a vizsgálattal kimutatott hibák előfordulásának gyakoriságát. Az ábrából következik, hogy kis hiba bizonyára marad még ha az összes kimutatott hibát ki is javítják. A hibák mérete egy anyagban nem állandó, azok lassú repedésterjedéssel (pl. kifáradás, korrózió) növekedhetnek, az anyag állapota is változhat pl. besugárzás hatására, így adott esetben elérhetjük a kritikus repedésterjedéshez tartozó hibaméretet.

|  | Ellenőrző kérdések
| 1. Milyen töretet lát a képen?
| Szívós
| Rideg
| Fáradt
| Hasadásos
| 2. Mit nevezünk ridegtörésnek?
| képlékeny alakváltozás nélkül bekövetkező, lassú károsodást
| képlékeny alakváltozás nélkül bekövetkező, stabil repedés terjedést
| előzetes képlékeny alakváltozás nélkül bekövetkező instabil repedés terjedést
| ismételt igénybevétel hatására kialakuló kagylós törést
| 3. Mi jellemzi a rideg törést?
| a törést elhanyagolható mértékű képlékeny alakváltozás előzi meg, a töret szemcsés vagy hasadásos
| túlterhelés hatására jön létre
| a törés túlterheléshatására jön létre, a töret felülete szakadozott, "tésztaszerű"
| a törést nem előzi meg képlékeny alakváltozás, a töret szakadozott "tésztaszerű"
| 4. Hogyan befolyásolja a hőmérséklet az anyagok szívósságát?
| A hőmérséklet növelésével csökken
| A hőmérséklet csökkenése csak a térközepes köbös fémek esetében eredményezi a szívósság csökkenését
| A hőmérséklet csökkentése minden anyag esetében csökkenti a szívósságot
| A lapközepes köbös fémek esetében a hőmérséklet nem befolyásolja a dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállást
| 5. Milyen hatással van a feszültségi állapot az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére?
| A háromtengelyű húzás elősegíti a térközepes fémek a ridegtörését
| A háromtengelyű húzás csökkenti az alakváltozó képességet
| A háromtengelyű nyomás csökkenti az alakváltozó képességet
| A háromtengelyű nyomás csökkenti a lapközepes köbös fémek alakváltozó képességét
| 6. Milyen anyagtulajdonság határozható meg Charpy ütővizsgálattal?
| Ridegség
| Képlékenység
| Terhelhetőség
| Szívósság
| 7. Mit nevezünk ütőmunkának?
| K= Gr(h1-ho) [J]
| K= Gr(ho-h1) [J]
| K= Gr(ho-h1) [J/cm2]
| K= Gr(h1-ho) [J/cm2]
| 8. Hogyan befolyásolja a bemetszés alakja az ütőmunkát?
| KV>KU
| KU<KV
| KU=KV
| KU>KV