KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Anyagkárosodások. Anyagvizsgálat. Anyagkiválasztás

27. lecke: Anyagkárosodás

|  | Az anyagkárosodás fogalma Az anyagkárosodást előidéző hatások Kopás, a kopást előidéző mechanizmusok A törés fogalma, fajtái és jellemzői Öregedés, besugárzás, Hőmérsékleti elridegedés fogalma, hatása A korrózió fogalma Korróziós hajlam, oldási potenciál A korrózió, mint kémiai elektrokémiai folyamat Hidrogén fejlődéssel járó korrózió Oxigén fogyasztással járó korrózió Helyi galvánelem képződés oka, hatása Mi segíti elő a helyi galvánelemek kialakulását A korrózió fajtái, megjelenési formái
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | definiálni a kopás, törés és korrózió fogalmakat meghatározni a kopás és törés fajtáit meghatározni a korrózió formáit jellemezni a vas és az alumínium viselkedését korróziós környezetben
|  | Az anyagok technikai alkalmazásuk során számos olyan hatásnak vannak kitéve, amelyek működésüket és élettartamukat hátrányosan befolyásolja, azaz anyagkárosodást idéz elő.
|  | A károsodás bekövetkezhet:
|  | terhelés hatására termikus hatásra tribológiai hatásra (kopás) korróziós hatásra besugárzás hatására
|  | A legjelentősebb károsodási fajták a
|  | Kopás Törés Öregedés Korrózió
|  | Kopás
|  | A kopás az egymással érintkező anyagok relatív elmozdulásakor fellépő súrlódás miatt következik be. A kopás lényegében a szilárd anyagok felületének anyagvesztesége, amelyet kizárólag vagy esetleg más igénybevétellel társult mechanikai igénybevétel okoz.
|  | A kopásállóság nem anyagjellemző, az mindig egy egymáson elmozduló rendszer jellemző mutatója. A kopás az érintkező felületek között a súrlódási energia átalakulása és az anyagban való elnyelődése közben az erőhatás révén létrejött kapcsolat következménye.
1. ábra. A tribológiai rendszer értelmezése
|  | A kopást előidéző mechanizmusok:
|  | Felületi kifáradás Abrázió Kemiszorpció Adhézió
|  | A felületi kifáradás az időben változó, többször ismétlődő igénybevétel hatásra jön létre és a felületen repedések, kitöredezések kialakulást eredményezi.
|  | Az abrazív kopás a két felület egyenetlensége, felületi érdessége következményeként kialakuló mikroforgácsok, szemcsék leválása.
Angol szavak jelentése az ábrán: Abrasive=koptató (levált kemény szemcse), Force=erő, Debris=törmelék, asperity=él |  |
2. ábra. Abrazív kopás
3. ábra. Nem megfelelő felületi keménység következtében kialakult erős kopás

|  | A kemiszorpció akkor jön létre, ha a mechanikai igénybevétel vegyi hatással párosul. A felületen a vegyi folyamattal kialakuló réteg könnyen leválik és gyorsítja a kopást.
|  | Az adhezív kopás az összenyomódó felületek egyenetlenségei (érdességcsúcsai) között kialakuló helyi mikroösszehegedések következménye.
Angol szavak az ábrán: Bond = kötés (összehegedés), debris = levált törmelék |  |
4. ábra. Adhezív kopás
|  | Törés
|  | A törés a szerkezeti anyag makroszkópos szétválása, amely mechanikai igénybevétel, terhelés hatására következik be.
|  | Minden törési folyamat három részre bontható: a repedés keletkezésére, a repedés növekedésére és a repedés terjedésére.
|  | A repedés terjedése lehet:
|  | stabil, lassú, a terjedéshez külső energia bevitele szükséges, instabil, gyors (hangsebességgel), igen kis energia-bevitel vagy a rendszerben tárolt energia hatására.
|  | Az anyag végső szétválását azaz törését megelőzheti képlékeny alakváltozás (szívós anyagok), de bekövetkezhet a törés minimális vagy semmi képlékeny alakváltozást követően (rideg anyagok) is.
|  | Az anyagok terheléssel szembeni viselkedése függ
Részletesen lásd az 5. leckében. |  | az anyagtól a terhelés nagyságától az állapottényezőktől (hőmérséklet, feszültség állapot, igénybevétel sebessége)
|  | Milyen lehet a törés?
|  | Erőszakos Kifáradási Hő hatására bekövetkező
5. ábra. Erőszakos törés
|  | Erőszakos törés
|  | Az erőszakos törés lassú, statikus vagy gyors dinamikus igénybevétel hatására, egyértelműen mechanikai túlterhelés hatására jön létre. Lehet: képlékeny vagy szívós, ill. rideg
|  | Kifáradási törés
|  | A kifáradás, időben változó és sokszor ismétlődő igénybevétel hatására bekövetkező károsodás, amely, akkor is törést eredményezhet, ha a terhelő feszültség az anyag folyáshatára alatt van, így makroszkópos méretekben maradó alakváltozást sem eredményezhet.
|  | Az anyag kifáradása törésként jelentkezik, de a kifáradás folyamata legszorosabban a képlékeny alakváltozással kapcsolatos.

6. ábra. Fáradt töret
7. ábra. Jellegzetes fáradt töret forgattyús tengelyen
|  | A 7. ábrán jól látható, hogy a kagylósan tört rész lényegesen nagyobb, mint a ridegen. Ennek oka, hogy a forgattyús tengely nemesített, azaz szívós állapotú volt. A repedés a feszültséggyűjtő helytől indult. A ridegen tört rész relatíve kicsi.
|  | Törés magasabb hőmérsékleten
|  | A törés magasabb hőmérsékleten mechanikai és hőigénybevétel együttes hatására jön létre. Lehet:
Lásd 6. lecke. |  | kúszás következménye akadályozott hőtágulás következménye nem megfelelő felhevítés vagy lehűtés következménye ismételt felhevítés lehűtés (termikus kifáradás) következménye
|  | A kifáradás bekövetkezik magasabb hőmérsékleten is, mivel a hőmérséklet ingadozás, és az azzal együtt járó váltakozó hőtágulás, hőfeszültség melegalakító vagy öntő szerszámok stb. esetében a felület összerepedezésével járó termikus kifáradáshoz vezethet.
8. ábra. Termikus kifáradás következtében létrejött anyagkárosodás
|  | Öregedés, besugárzás
|  | Öregedésen azokat az anyagban lezajló kedvezőtlen folyamatokat értjük, melyek hosszabb idő alatt a szerkezeti anyag tulajdonságainak megváltozásához vezetnek.
|  | Az öregedés oka lehet, belső, az anyag instabil állapota pl. relaxáció, a feszültségek fokozatos csökkenése, a kémiai összetétel, a molekulaszerkezet megváltozása, szövetváltozások. Ilyen pl. a képlékenyen kismértékben alakított acélok alakítási öregedése vagy az acélokban oldott nitrogén, ami a szívósság jelentős csökkenését eredményezi.
|  | Az öregedést előidézik külső tényezők is pl. hőmérsékletváltozás, ibolyántúli sugárzás. A nagyenergiájú, ionizáló sugárzás, növeli az anyag belső energiaszintjét, pontszerű anyaghibákat hoz létre, és jelentősen lecsökkenti a szívósságot.
|  | A polimerek a vízfelvétel hatására duzzadnak, kiszáradáskor zsugorodnak. A folyamat hiszterézist mutat, és öregedéshez vezet, hasonlóan, mint az elszíneződés vagy fakulás, ami a polimerben zajló kémiai folyamatok pl. oxidáció, amit stabilizátorokkal lehet csökkenteni.
|  | Hőmérsékleti elridegedés
|  | A hőmérsékleti elridegedés oka, hogy a hőmérséklet csökkenésével nő az anyag folyáshatára, és csökken a ridegtörést okozó törési feszültség nagysága. Az anyag akkor válik rideggé, amikor a törési feszültség kisebbé válik a folyáshatárnál, vagyis a törés képlékeny alakváltozás nélkül következik be.
9. ábra. Hőmérsékleti elridegedés
|  | Az ábra a hőmérséklet függvényében a folyási feszültség és a törési feszültség változását mutatja. Megfigyelhető, hogy a maradó alakváltozás kezdetét jelentő folyási feszültség a hőmérséklet csökkenésével nő. A törési feszültség viszont a hőmérséklet csökkenésével csökken. Annál a hőmérsékletnél alacsonyabban, ahol a törési feszültség alacsonyabb lesz, mint a folyási, az anyag ridegen fog törni.
|  | A különböző anyagok töréssel szembeni ellenállása (szívóssága), mint tudjuk függ a hőmérséklettől
10. ábra. Különböző anyagok KV ütőmunkája a hőmérséklet függvényében

|  | Alakítási öregedés
|  | Az alakítási öregedés az alacsony C-tartalmú acélok hidegalakítását követően jelentkezik, amikor szobahőmérsékleten vagy kissé magasabb hőmérsékleten kezelik. Ekkor az intersztíciós ötvöző atomok (C, N, H, B) a diszlokációk környezetében összegyűlve blokkolják azok mozgását és az acél elridegedését okozzák.
|  | Előfordulhat alakított lemezekben és hegesztett kötések hőhatásövezetében is.
|  | Besugárzás
|  | A nagyenergiájú, ionizáló sugárzás, növeli az anyag belső energiaszintjét, pontszerű anyaghibákat hoz létre, és jelentősen lecsökkenti a szívósságot.
11. ábra. Az ionizáló sugárzás hatása egy acél szilárdsági jellemzőire
|  | Az ábrán jól látható, hogy a besugárzás hatására nő a szakítószilárdság (Rm) és a folyáshatár (RP0,2) és csökken a nyúlás A5 és a kontrakció, azaz az anyag elridegedik.
12. ábra. Szerkezeti acél fajlagos ütőmunkájának változása a besugárzás hatására
|  | Az ábrán 1-essel jelölt a besugárzás előtti állapot. Jól látható, hogy a besugárzás jelentősen csökkenti az ütőmunkát és növeli az átmeneti hőmérsékletet, azaz az anyag ridegebb lesz.
|  | Korrózió
|  | A korrózió kémiai vagy elektrokémiai folyamatok következtében létrejövő károsodás, mely a korróziós közeg és a szerkezeti anyag között zajlik le. A korróziós folyamatokban a legnagyobb károkat a fémek korróziója okoz. A fémek a természetben nemfémes elemhez kötött formában pl. oxidok, szulfidok stb., fordulnak elő. A kohászati folyamatok során energia befektetéssel érhető el a fémes alakra redukálás, ami egy magasabb energia szintű állapotot jelent. A fémek természetes körülmények között arra törekszenek, hogy visszaállítsák az eredeti állapotot, ez kémiai és elektrokémiai folyamatokkal történik, és eredménye a korrózió. Azok a fémek amelyek ilyen hajlandóságot nem mutatnak a nemesfémek (a természetben tiszta állapotban is előfordulnak pl. Cu, Au , Ag Pt). Azok a fémek, amelyek nagy hajlandóságot mutatnak, hogy elektronleadás mellett pozitív ionként oldatba menjenek a kevésbé nemes fémek. A fémek oldatbameneteli hajlandóságát az oldási potenciál fejezi ki. A fémeket oldási potenciájuk szerint sorba rendezhetjük.
|  | A fémek oldási potenciál sora: Li; Mg; Al; Ti; Zn; Mn; Cr; Fe; Ni; Sn; Pb; H2; Cu; Ag; Pt; Au
|  | Minden elem a sorban utána elhelyezkedőt képes kiszorítani vizes oldatából. Az oldási potenciálsorban a hidrogénhez viszonyított helyzet szerint beszélhetünk a hidrogénnél kevésbé nemes, és nemesebb fémekről.
|  | A korrózió mint kémiai és elektrokémiai folyamat
|  | Két fő változatát különböztetjük meg. Ezek:
|  | Hidrogén fejlődéssel Oxigén fogyasztással járó

|  | Hidrogén fejlődéssel járó korrózió
|  | A hidrogénnél kevésbé nemes fémek pH < 7 savas oldatokban képesek a hidrogént kiszorítani, így az oldódásuk H2 fejlődése mellett történik.
13. ábra. A hidrogén fejlődéssel járó korrózió Zn példáján bemutatva
|  | Figyelje meg, hogy a fém cinkről negatív töltésű elektronokat visszahagyva pozitív töltésű Zn++ ionok mennek oldatba. Az oldatból a H+ ionok a Zn felületére vándorolnak ott elektronokat vesznek fel és H2 gáz fejlődik.
|  | A reakció sebessége az oldat H+ ionkoncentráció, tehát a pH függvénye. A folyamat általános egyenlete:
|  | Me + 2H+ ↔ Me++ + H2
|  | Itt egy elektrokémiai folyamatról van szó, amely az anódon lejátszódó oxidációból (a megtámadott fém oxidációja) és az elektrolitként ható korróziós közeg redukciójából tevődik össze.
|  | Oxigén fogyasztással járó korrózió
|  | Ha a vizes oldatban a H+ ion koncentráció alacsony, akkor a korróziót jelentő kémiai reakció lejátszódásához a közegben oldott oxigén jelenléte szükséges.
|  | A lejátszódó reakció egyenlete:
|  | Me + 2 H2O + O2 ↔ 2 Me (OH)2 2 Me++ + 4 OH-
|  | Ilyen mechanizmussal oldódnak a hidrogénnél nemesebb fémek pl. a Cu, savas közegben, a hidrogénnel kevésbé nemes fémek semleges vagy lúgos közegben. és ezzel a mechanizmussal rozsdásodik a vas.
14. ábra. A vas oxigén fogyasztással járó korróziója (rozsdásodás)
15. ábra. Erősen korrodált (rozsdás) acél felülete
|  | Az eddigiek alapján elmondhatjuk, hogy a korróziós folyamatok lényegében elektrokémiai folyamatok, mert a fém oldatbamenetelekor galvánáram indul meg. Az elektrokémiai korrózió mindig valamilyen elektromos áram jelenlétével jár együtt. Ebben az esetben az elektrolit mellett potenciálkülönbséggel is kell számolnunk, amely az adott rendszeren belül anódos és katódos felületek kialakulásához vezet.
|  | Megjegyezzük, hogy a vas rozsdásodása során a reakcióból keletkező oxidációs termék tovább oxidálódik a vízben oldhatatlan FeOOH vas-oxi-hidroxiddá.

|  | Helyi galvánelem képződés
|  | A korróziós folyamatok lényegében elektrokémiai folyamatok, mert a fém oldatbamenetelekor galvánáram indul meg.
16. ábra. A helyi galvánelem kialakulása sósavas oldattal érintkező sárgarézben
|  | Mi segíti elő a helyi galvánelem kialakulását?
|  | adott szerkezeten belül különböző szerkezeti anyagok jelenléte pl. Al és acél adott ötvözet heterogén szövete pl. sárgaréz Cu és Zn homogén szerkezeten belüli inhomogenitások pl. dúsulások hidegen alakított, és felkeményedett és az eredeti szilárdságú részek (ez magyarázza, hogy a mélyhúzott karosszérialemezek erősebben alakított részei hajlamosabbak a korrózióra)
Megjegyzés a kísérlet higanykloridos közegben történt. A közeg a természetben hosszabb idő alatt lejátszódó folyamatot jelentősen felgyorsítja és szemmel láthatóvá teszi. |  |
17. ábra. Mélyhúzott csésze erősen alakított részei a korróziós közegbe kioldódtak
a) mélyhúzás után b) korróziós közegben
|  | Az elektrolit különböző mértékű szellőzöttsége passzívréteg, korróziós réteg jelenlétéből
|  | A korrózió fajtái, megjelenési formái
|  | egyenletes felületi korrózió lyukkorrózió réskorrózió interkrisztallin korrózió feszültségi korrózió szelektív korrózió korróziós kifáradás
|  | Egyenletes felületi korrózió
|  | Egyenletes felületi korrózió: az anyag felülete a rá ható közeggel érintkezve egyenletesen oldódik, pl. a nem kezelt felülettek rozsdásodása.
18. ábra. Egyenletes felületi korrózió
a) elve b) korrodált acél felület
|  | Lyukkorrózió
|  | Lyukkorrózió: a szerkezeti anyag helyi oldódása egy kis kiterjedésű anód keletkezése révén, amely a felületi bevonat sérülésein jön létre.
|  | Réskorrózió: a szerkezeti anyag élein, vagy résein történő oldódás, amely a korróziós közegben fennálló koncentráció különbségek pl. oxigéntartalom csökkenés következtében jön létre.
19. ábra. Lyukkorrózió
a) elve
b) a felülettel párhuzamos csiszolaton
c) a felületre merőleges csiszolaton
|  | Az ábra kis C tartalmú acélcsőről készült. Jól megfigyelhető, hogy a lyukak a perlites (heterogén szövet) sorokban alakultak ki.

|  | Interkrisztallin korrózió
| Interkrisztallin korrózió: a helyi galvánelem a krisztallithatár és a krisztallit belseje között jön létre, és a határ (anód) kioldódik pl. Cr-al és Ni-el erősen ötvözött ferrites és ausztenites acélok.
20. ábra. Az interkrisztallin korrózió
21. ábra. Korrózióálló acél hegesztett kötése környezetében kialakult interkrisztallin korrózió magyarázata
| Az ábra a varrat (Weld) hőbefolyásolt zónáját (Heat affected zone) mutatja. A korrózióálló acélok krómmal vannak ötvözve. Mint tudjuk a Cr nagyon erős karbidképző. Az acél karbon tartalmával karbidokat képez, amelyek a krisztallithatárokon helyezkednek el. Az így a krisztallithatár és annak belseje között kialakuló potenciálkülönbség vezet a galvánelem kialakulásához, a krisztallithatár kioldódásához. A jelenség elkerülésére a korrózióálló acélokat titánnal vagy nióbiummal ötvözik (stabilizált korrózióálló acélok).
| Feszültségi korrózió
| Feszültségi korrózió: a szerkezeti anyagot terhelő feszültség , és a korróziós közeg együttes hatására pl. hegesztett szerkezetekben a hőhatás övezetében, hidegen alakított pl. mélyhúzott fémekben stb.
22. ábra. Feszültségi korrózió
a) elve b) mélyhúzott csésze
c) a mélyhúzott csésze korróziója
| Az erősebben alakváltozott, tehát jobban felkeményedett, nagyobb belső feszültségekkel terhelt részek korrodálódnak.
| Korróziós kifáradás
| A korrózió, mivel a felületet támadja meg jelentősen csökkenti a szerkezeti anyagok fárasztó igénybevétellel szembeni ellenállást, gyakran nem is teszi lehetővé kifáradási határ értelmezését.
23. ábra. A korróziós közeg hatása a Wöhler-görbére
| Biológiai korrózió
| A mikroorganizmusok gyakran megtámadják az acél, sőt a beton felületeket is és károsodásokat eredményeznek.
24. ábra. Biológiai korrózió

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje meg az egy helyes választ!
| 1. A kopás az egymással érintkező anyagok relatív elmozdulásakor fellépő ... miatt következik be.
| érintkezés
| súrlódás
| összehegedés
| felmelegedés
| 2. Az abrazív kopás előidéző oka:
| A két felület egyenetlensége következményeként kialakuló mikroforgácsok, szemcsék leválása.
| Helyi mikro összehegedések.
| Mechanikai és vegyi hatás együttesen.
| Időben változó, sokszor ismétlődő igénybevétel.
| 3. Az adhezív kopás előidéző oka:
| A két felület egyenetlensége következményeként kialakuló mikroforgácsok, szemcsék leválása.
| Helyi mikro összehegedések és szétválások.
| Mechanikai és vegyi hatás együttesen.
| Időben változó, sokszor ismétlődő igénybevétel
| 4. Mi jellemzi az erőszakos törést?
| Statikus igénybevétel hatására kialakuló túlterhelés.
| Dinamikus igénybevétel hatására kialakuló túlterhelés.
| Statikus vagy dinamikus igénybevétel hatására kialakuló túlterhelés.
| Egyszeri nagy igénybevétel.
| 5. Mi jellemzi a fáradt törést?
| Az igénybevétel időben változó és sokszor ismétlődő, σ > ReH.
| Az igénybevétel időben változó és sokszor ismétlődő, σ < ReH.
| Az igénybevétel időben állandó és sokszor ismétlődő, σ > ReH.
| Az igénybevétel időben változó és sokszor ismétlődő, σ > Rm.
| 6. Miről ismerhető fel a fáradt töret?
| Szakadozott, matt, deformálódott.
| Szemcsés rideg, nincs maradó alakváltozásra utaló nyom.
| Két részből egy kagylósan és egy ridegen tört részből áll.
| Hasadásos jellegű, nincs deformáció.
| 7. Hogyan befolyásolja a besugárzás az anyagok tulajdonságait?
| KV nő, TTKV csökken, ReH csökken.
| KV csökken, TTKV csökken, ReH csökken.
| KV csökken, TTKV nő, ReH csökken.
| KV csökken, TTKV nő, ReH nő.
| 8. Milyen korróziót szenved a vas enyhén savas közegben?
| Nem korrodál.
| Oxigén fogyasztással járó.
| Hidrogén fejlődéssel járó.
| Oxigén felszabadulással járó.
| 9. Milyen korróziót szenved a vas lúgos közegben?
| Nem korrodál.
| Oxigén fogyasztással járó.
| Hidrogén fejlődéssel járó.
| Oxigén felszabadulással járó.
| 10. Mi történik, ha alumínium és vas egymással érintkezve korróziós környezetbe kerül?
| Helyi galvánelem képződik a vas gyorsabban korrodál.
| Helyi galvánelem képződik az alumínium gyorsabban korrodál.
| Hidrogén szabadul fel egyik sem korrodál.
| Oxigénfogyasztással a vas rozsdásodik.