KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

4. lecke: Nyomó-, hajlítóigénybevétel

|  | Az anyagok viselkedése nyomóigénybevétellel szemben A nyomóigénybevétellel szembeni viselkedés vizsgálata Az anyagok viselkedése hajlító igénybevétellel szemben A hajlítóvizsgálat elve, alkalmazás, a meghatározható mérőszám
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | felsorolni a legfontosabb igénybevételi típusokat értelmezni a nyomóvizsgálat elvét jellemezni az anyagok viselkedését nyomó igénybevétel során meghatározni és indokolni a nyomóvizsgálat alkalmazási területét definiálni a nyomó szilárdságot értelmezni a hajlítóvizsgálat elvét jellemezni az anyagok viselkedését hajlító igénybevétel során meghatározni és indokolni a hajlítóvizsgálat alkalmazási területét definiálni a hajlítószilárdságot
|  | Nyomó igénybevétel megvalósítása (nyomóvizsgálat)
1. ábra. A nyomóvizsgálat elve
|  | A vizsgálathoz hengeres (ho = do) próbatesteket használunk. Megjegyzés: A próbatest magassága a kihajlás miatt 3 do-ban van maximálva.
|  | A vizsgálatot az egyetemes szakító gépen edzett nyomólapok között végezzük.
2. ábra. A rideg és a szívós anyag viselkedése nyomóvizsgálat során
|  | A párhuzamos nyomólapok között összenyomott próbatest magassága csökken, átmérője nő a vizsgálat közben.
|  | Az anyagok viselkedése nyomó igénybevétel során
|  | A rideg anyag rugalmas alakváltozás után általában 45°-os síkok mentén eltörik. Meghatározható a nyomószilárdság vagy törő szilárdság. Jele: Rv
|  | Figyelje meg az 1. diagramot. A rideg anyag csak rugalmasan tud alakváltozni. A diagram egy egyenes, a törés az Fm maximális erőnél jön létre.
|  | A nyomószilárdság: R v = F m S o [ N mm 2 ]
|  | A szívós, és képlékeny anyagok nyomóvizsgálat során "hordósodnak", bizonyos alakváltozás után felületükön repedések jelennek meg, egyértelmű törést nem mutatnak. A meghatározandó mérőszám: az első repedés megjelenéséig végzett zömítés (magasságcsökkenés): ( h o − h 1 ) / h o ∗ 100 % Minél nagyobb a repedés megjelenéséig tapasztalható magasság csökkenés, annál jobb az alakíthatóság.
|  | A szívós, képlékeny anyagok esetében a vizsgálatot a próbatest felületén megjelenő első repedésig folytatjuk. A terhelés a magasságváltozás függvényében (lásd 2. ábra 2. diagram) nő, mert a próbatest keresztmetszete nő.
Pl épületek alapja, oszlopok stb. |  | A repedést szabad szemmel figyeljük, ezért a vizsgálat szubjektív.
3. ábra. Szívós anyagok nyomóvizsgálata

|  | A nyomóvizsgálat alkalmazása
Az Fm vagy Fv erő megfigyelhető a 2. ábra 1. diagramján. A szívós anyagok esetében nem határozzuk meg a nyomószilárdságot. |  | A nyomóvizsgálatot ezért elsősorban rideg anyagok vizsgálatára alkalmazzuk. A rideg anyagok, mint például az öntöttvas, a beton vagy a kerámiák jóval ellenállóbbak nyomó igénybevétellel szemben, ezért ezen a területen alkalmazzák azokat. A nyomószilárdság: R v = F v S o ahol: Fv vagy Fm a legnagyobb erő, ennél törik el a próbatest [N] So a próbatest kiinduló keresztmetszete S o = d o 4 π 4 [ mm 2 ]
A minta ún. klímakarában van, amely lehetővé teszi pl. a szennyezett levegő, a savas esők stb. hatásának modellezését is. Vizsgálható az összenyomhatóság mértéke, ami pl. a csomagolóanyagoknál fontos lehet. A szállításnál felhasználható fontos információ, hogyan terhelhető. |  |
4. ábra - 7. ábra. Példák a nyomóvizsgálatra
Kő vizsgálata | 1/4
|  | Hajlító igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása
|  | Hajlítóvizsgálat
8. ábra. A szilárdsági hajlítóvizsgálat elve
|  | A vizsgálatnál a hengeres, ritkábban hasáb alakú próbatestet kéttámaszú tartóként terheljük egy központosan ható erővel. A terhelést törésig végezzük, miközben mérjük az erőt és a törésnél bekövetkező behajlást.
|  | A szilárdsági hajlítóvizsgálatot elsősorban rideg anyagok pl. öntöttvas teherbírásának a meghatározására használják, mivel a szívós anyagok a terhelés során jelentős maradó alakváltozást szenvednek és ez a kiértékelést meghiúsítja.
|  | Meghatározható mérőszám
|  | A vizsgálat során mérik a terhelő erőt és a próbatest lehajlását. A rideg anyag a terhelés növelése során egy meghatározott értéknél eltörik.
|  | A terhelésből kiszámolható a hajlítószilárdság.
|  | Lásd a 9. ábra jelöléseit! Lásd: mechanika
|  | Hajlító szilárdság: R mh = M K Jele: Rmh Mértékegysége: N/mm2
9. ábra
|  | Ahol M a maximális hajlító nyomaték: M = F ∗ l 4 [ Nmm ] F a maximális erő, ahol a hajlított próbatest eltörik [N] l az alátámasztási köz [mm] K a keresztmetszeti tényező K = d 3 π 32 [ mm 3 ] K = a b 2 6 [ mm 3 ] Ahol d a hengeres próbatest átmérője [mm] a a próbatest vastagsága b a próbatest magassága [mm]
|  | A szívós anyagok esetében ez az összefüggés nem használható, mert a szívós anyagoknál fellépő maradó alakváltozás miatt az összefüggés érvényét veszti. A szívós anyagok esetében az ún. technológiai hajlító vizsgálatot alkalmazzuk.

|  | Szívós anyagok technológiai hajlítóvizsgálata
10. ábra. Technológiai hajlító vizsgálat elve
| A szívós, maradó alakváltozásra képes anyagok esetében a hajlítóvizsgálatot vagy előírt szögig vagy a húzott oldalon megjelenő repedésig végezzük.
11. ábra. Hajlított darabok
| Létezik az ún. hárompontos hajlítóvizsgálat mellett a négypontos hajlítóvizsgálat is. Ebben az esetben a terhelés, mint ahogy az a 12. ábrán is megfigyelhető, két ponton történik
12. ábra. Négypontos hajlítóvizsgálat
| 1/2

|  | Ismételt igénybevétellel szembeni anyagviselkedés
| A kifáradás jelensége és vizsgálata
| Ha egy alkatrészt vagy szerkezetet időben változó és sokszor ismétlődő igénybevétel terhel, akkor is bekövetkezhet a törés, ha a terhelő feszültség az anyag folyáshatára alatt van.
| Azt a jelenséget, amikor egy anyag az ismételt igénybevételek során bevitt, halmozódó károsodások hatására a folyáshatárnál kisebb terhelés esetén eltörik kifáradásnak nevezzük. A folyamat repedések keletkezéséből, azok terjedéséből, és a végső törésből áll.
| A jelenséget először a tizenkilencedik század végén Wöhler, vasúti tengelyek sorozatos törésének magyarázatát keresve, azok igénybevételének modellezésével vizsgálata.
12. ábra. A Wöhler vizsgálat elrendezése
| A kísérletei alapján megállapította, hogy a terhelő feszültség csökkentésével, az acélokra meghatározható egy olyan jellemző feszültség, amellyel akár végtelen sokszor terhelhető anélkül, hogy eltörne. Ezt a feszültséget nevezzük az acél kifáradási határának. Jele: σ D .
Az ábrázolás megkönnyítésére a töréshez tartozó ismétlések számát logaritmikus léptékben tüntetjük fel. | A terhelő feszültséget a törésig elviselt ismétlések számának függvényében ábrázolva a Wöhler-görbét kapjuk. A görbe aszimptótikusan közelít a kifáradási határhoz. Megállapodás szint acéloknál a 107 ismétlési számhoz tartozó feszültséget tekintjük kifáradási határnak. A kifáradási határhoz tartozó feszültséget az anyag elvileg végtelen számú ismétlődés esetén is törés nélkül elviseli.
13. ábra. Wöhler-görbe
| A Wöhler-görbe két jól elkülöníthető szakaszból áll. Az első ferde, meredeken eső szakaszt élettartam szakasznak, a vízszintes részt, pedig kifáradási szakasznak nevezzük. Kifáradási határra kell méretezni minden olyan esetben amikor a várható élettartam során az ismétlések száma meghaladja a 107 értéket pl. gőz turbina tengely, de ha az igénybevételek száma kisebb, pl. repülőgép szárny felesleges a kifáradási határra méretezni. Ilyenkor adott ismétléshez tartozó feszültséget határozunk meg.
| Nagyon fontos megjegyezni, hogy nem minden anyagnak van kifáradási határa. Alumínium ötvözetek, saválló acélok, nagyszilárdságú acélok esetében a Wöhler-görbe második szakasza nem vízszintes, így kifáradási határ nem értelmezhető.
14. ábra. Acél és alumínium Wöhler-görbéje
| A polimerek ismételt igénybevétellel szembeni viselkedése a fémekhez hasonló, bár az anyagban zajló mikroszkópos jelenségek mások. A kerámiák rideg anyagok, esetükben a kifáradásról nem beszélhetünk. Ezekben, ha létrejön a felületen egy repedés, a terjedés olyan gyors, hogy kifáradási jelenség nem értelmezhető.
| Az anyag kifáradása törésként jelentkezik, de a fáradás folyamata legszorosabban az anyagban zajló képlékeny alakváltozással kapcsolatos.
| Az ismételt igénybevétellel szembeni anyagviselkedés ismerete nagyon lényeges, mert a törési káresetek kb. 70-80%-a a kifáradással kapcsolatos. A járműveknél ez az arány több is lehet!

|  | A kifáradás folyamata három szakaszra bontható:
|  | repedés keletkezés repedés terjedés (lassú) instabil repedés terjedés, törés
|  | Az ismételt igénybevételnél a feszültség általában kisebb, mint a folyáshatár
σ < R p 0,2
|  | Az ismételt igénybevétel során az anyag folyáshatáránál kisebb feszültség bizonyos "kedvező helyzetű" krisztallitokban helyi alakváltozást hoz létre. A felületi krisztallitokban zajló alakváltozások, halmozódó károsodások, mikrorepedések kialakulásához vezetnek. A kialakuló repedések a szomszédos krisztallit helyzetétől függően lehetnek nem terjedő repedések, vagy ha a szomszéd is kedvező helyzetben van a repedés terjedni kezd. A repedés terjedése stabil repedés terjedéssel történik, "a repedés minden ciklusban egyet lép", míg el nem éri a kritikus hibaméretet, és akkor a darab, rideg töréssel szétválik. A szakaszok a töreten jól elkülönülnek.
|  | A "kagylós" rész a stabil repedés terjedés eredménye, amíg a durva, szemcsés töret a rideg törés következménye
15. ábra. Csúszósávok nikkel ötvözetben N 200x
A felületen kialakult repedések
16. ábra. A terjedő repedés | 1/3
19. ábra. Fáradt töret forgattyús tengelyen
|  | Az ábrán jól látható, hogy a károsodás feszültséggyűjtő helyről indult ki, továbbá, hogy a tengely anyaga nagyon szívós, hiszen csak egészen kis töretrészen fedezhető fel a rideg töret.
|  | A magyarázat alapján láthatjuk tehát, hogy a kifáradásnál a "véletlennek" nagyon nagy a szerepe. Lényeges az egyes szemcsék egyéni tulajdonsága, a szomszédok tulajdonságai, stb. Ez az oka annak, hogy a fárasztó vizsgálatok eredményei nagy szórást mutatnak. A vizsgálatoknál matematikai statisztikai módszereket használunk.
|  | A mérési eredményeket matematikai statisztikai módszerekkel kiértékelve adott törési illetve túlélési valószínűséggel adhatjuk meg az adott terheléshez tartozó ismétlési számot. A matematikai statisztikai kiértékeléshez sok, feszültségszintenként legalább 10 próbatest szükséges.
20. ábra. Adott valószínűséggel meghatározott Wöhler-görbék
|  | További probléma, hogy a fárasztó vizsgálatok eredményeit több tényező befolyásolja: Ilyenek:
|  | a középfeszültség az igénybevétel típusa a közeg, amelyben a fárasztás történik a darab felülete a próbatest mérete
|  | Az igénybevétel típusának a hatása nagyon lényeges, mert jelentős eltérést eredményez. Az anyag viselkedése legkedvezőbb váltakozó hajlító, rosszabb húzó-nyomó és még rosszabb váltakozó csavarás esetén. A közeg , amelyben a fárasztás történik szintén lényeges, hiszen a korrózió a felületet támadja meg, és mint tudjuk a fáradt töret a felületről indul ki. A leglényegesebb a felület szerepe. A felületen a megmunkálás barázdái, mint feszültség koncentrátorok, elősegítik a fáradt repedés kialakulását.

Az ábra függőleges tengelyén a tényleges és a polírozott felületen meghatározott kifáradási határ hányadosa, a vízszintes tengelyen pedig a különböző acélok szakítószilárdsága van feltüntetve. |  |
21. ábra. A felület minőségének hatása a kifáradási jellemzőkre
|  | A felületi megmunkálás minősége nagyon lényeges. A durvább felület kevésbé ellenálló az ismételt igénybevétellel szemben. Ennek oka, hogy a fáradt törés csírája a felület. A darab felületén lévő hibák, feszültség koncentrátorok elősegítik a darab kifáradását.
|  | Fontos! Figyelje meg az ábrán, hogy a felület rontó hatása a nagyobb szilárdságú anyagoknál erőteljesebb! Ennek az az oka, hogy a nagyszilárdságú anyagoknak a repedés terjedéssel szembeni ellenállása kisebb, tehát a terjedő repedés kialakulása és a végső törés között kevesebb terhelési ciklust bírnak ki.
|  | Azok a felületi technológiák, amelyek a darab felületének közelében nyomó feszültséget hoznak létre, növelik a darab kifáradási határát. Ilyenek a felület görgőzése, vagy a felületi hőkezelések, de közülük is főként a nitridálás.
|  | Az anyag szerkezete sem közömbös. Minél finomabb, egyenletesebb a szerkezet (nemesített acél szferoidites szerkezete), annál kevésbé hajlamos az anyag a kifáradásra.
|  | A fárasztó vizsgálatoknak két nagy csoportját különböztethetjük meg:

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje be az egyetlen helyes megoldást!
| 1. Milyen anyagok vizsgálatára terjedt el a nyomóvizsgálat?
| rideg
| szívós
| képlékeny
| bármilyen
| 2. Milyen anyagok vizsgálatára használjuk a szilárdsági hajlító vizsgálatot?
| rideg
| szívós
| képlékeny
| bármilyen
| 3. Milyen mérőszámot határozunk meg a rideg anyagok hajlítóvizsgálatánál?
| Az első repedés megjelenéséig elért hajlítási szöget
| Hajlító szilárdságot R mk = M S o
| Hajlító szilárdságot R mk = M K
| Az első repedés megjelenéséhez tartozó lehajlást
| 4. Milyen mérőszámot határozunk meg a szívós anyagok hajlítóvizsgálatánál?
| Az első repedés megjelenéséig elért hajlítási szöget
| Hajlító szilárdságot R mk = M S o
| Hajlító szilárdságot R mk = M K
| Az első repedés megjelenéséhez tartozó lehajlást