KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

7. lecke: Termikus tulajdonságok

|  | A terhelés, az idő a hőmérséklet és az alakváltozás kapcsolata A kúszás jelensége, a terhelés és a hőmérséklet hatása A kúszás vizsgálata Időszilárdság Kúszáshatár Hőtágulás, hővezetőképesség
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | értelmezni a terhelés, az idő, a hőmérséklet és az alakváltozás kapcsolatát jellemezni az acélok viselkedését szobahőmérsékleten, állandó terhelés hatására definiálni a kúszás fogalmát definiálni a kúszáshatár fogalmát kiválasztani a megfelelő hőmérsékleti skálát definiálni a kúszási hőmérséklet fogalmát értelmezni a kúszáshatár hőmérsékletfüggését definiálni a hőtágulás és hővezetőképesség fogalmakat felsorolni a hőtágulás típusait meghatározni a hőtágulás mértékét értelmezni az ötvöző és szennyező elemek hatását a hővezetőképességre
|  | Termikus tulajdonságok
|  | A szilárd anyagok alkalmazásánál figyelembe kell venni a hőmérsékletet is. A részecskék rezgőmozgása a hőmérséklet emelésével nő, az olvadáspont fölött pedig "összeomlik" a kristályos szerkezet, az anyag megolvad, használhatatlanná válik.
|  | Az amorf anyagok esetében nem találunk egy határozott olvadáspontot, ezek a hőmérséklet emelésére fokozatosan meglágyulnak, megolvadnak
|  | Gondoljon az üveg viselkedése hevítéskor.
1. ábra. Különböző szerkezeti anyagok olvadási hőmérséklete
|  | Figyelje meg a kovalens kötésű gyémánt az ionos kötésű kerámiák magas olvadásponttal rendelkeznek.
|  | A szerkezeti anyagok viselkedése a hőmérséklet függvényében
|  | A szilárd anyagok alkalmazásánál nem csak a hőmérséklet fontos nem elhanyagolható az idő tényező sem!
2. ábra. A szerkezeti anyagok viselkedése a hőmérséklet függvényében
|  | Ha egy fémet pl. egy acélt szobahőmérsékleten F1 erővel terhelünk a terhelés hatására kialakuló alakváltozás időben állandó. Ha a terhelés nagyobb, mint a maradó alakváltozás kezdetét jelző folyáshatár akkor az alakváltozás rugalmas és maradó részből áll. Addig amíg a terhelés rajta van a próbatesten az F1 hatására kialakuló Δ L1 nem változik. Ha azonban kb. 300 C° fölé növeljük a hőmérsékletet, az F1 erő hatására kialakult Δ L1 alakváltozás nem marad állandó, hanem lassan tovább nő.
|  | A magasabb hőmérsékleten állandó terhelés hatására kialakuló folyamatos alakváltozást, mely hosszú idő múlva a darab károsodását, törését is eredményezheti, tartós folyásnak vagy kúszásnak nevezzük. A jelenség a folyáshatárnál kisebb feszültség esetén is végbemegy.
|  | A kúszás szobahőmérsékleten csak a polimereknél, vagy kis olvadáspontú fémeknél pl. tiszta alumíniumnál jelentkezik. Általában kimondható, hogy a kúszás:
|  | T > 0,3 - 0,4 Thomológ tapasztalható fémeknél, míg kerámiáknál ez a hőmérséklet T > 0,4 - 0,5 Thomológ ahol T a hőmérséklet C°-ban , Thomológ, pedig az anyag K-ben kifejezett olvadáspontja.
|  | Megállapíthatjuk tehát, hogy a legtöbb szerkezeti anyag esetében az alakváltozás kis hőmérsékleten csak a terheléstől függ ε = f ( σ ) , míg a kúszást előidéző hőmérséklet fölött az alakváltozás függvénye a feszültségnek, az időnek és természetesen a hőmérsékletnek
ε = f ( σ , t , T )

|  | A kúszás jelensége
|  | A kúszás magasabb hőmérsékleten állandó terhelés hatására kialakuló folyamatos alakváltozás, mely hosszú idő múlva a darab károsodását, törését is eredményezheti.
|  | A jelenség a folyáshatárnál kisebb feszültség esetén is végbemegy.
3. ábra. Állandó terhelés hatására kialakuló alakváltozás és az alakváltozás sebessége az idő függvényében
|  | Jelölések az ábrán:
|  | ε = Δ l l o az alakváltozás
|  | ε ˙ = d ε dt az alakváltozás sebessége
|  | A kúszás görbe jól elkülöníthető három szakaszból áll. A terhelőfeszültség σ <Rp0,2.
|  | Az ε o kezdeti alakváltozásból induló I. szakaszban az alakváltozás sebessége ε ˙ = d ε dt az idő függvényében csökken. A σ feszültség hatására a kedvező helyzetű krisztallitokban a rugalmas alakváltozással összemérhető nagyságú (0,01 - 0,001%) maradó alakváltozás keletkezik ( ε o ). A diszlokációk a csúszósíkokon elmozdulnak, és akadályokba ütköznek, vagy a krisztallit határhoz futnak, ahonnan nem tudnak továbbmenni. Kis hőmérsékleten növelni kell a terhelést, hogy újabb kevésbé kedvező helyzetű diszlokációk indulhassanak el. Ezért kis hőmérsékleten az állandó terhelés hatására ε ˙ = 0 . Magasabb hőmérsékleten azonban a termikus energia és a diffúzió a diszlokációk egy részét az akadályokon átsegíti. Az átjutás valószínűsége az idő előrehaladásával csökken, ezért ezen a szakaszon az alakváltozás sebessége csökken. Ez a szakasz kb. 30 - 50 óra hosszúságú (a terheléstől és a hőmérséklettől függően).
A kúszás sebessége a görbék érintőjének iránytangense! |  | Az alakváltozás sebessége a II. szakaszon állandó. Ez a kúszás leghosszabb szakasza. (1000-100000 óra) Ezen a szakaszon a diszlokációk mozgása, a maradó alakváltozás hatására kialakuló felkeményedés és a dinamikus megújulás tart egymással egyensúlyt. A dinamikus megújulás során a diffúzió és az anyag alacsonyabb energia szintre való törekvésének hatására a diszlokációk átrendeződnek, az anyag lágyabban viselkedik annak ellenére, hogy a diszlokációsűrűség az anyagban nem csökken. A több ezer vagy tízezer órás szakaszon a jelenségek a krisztallitokon belül játszódnak le. Az alakváltozás erősen eltér a normál alakváltozástól. Ebben a szakaszban nagyon fontos szerepe van a szemcsehatároknak. A hosszú idő alatt a szemcsékben mozgó diszlokációk a határra vándorolnak, ott üres helyek képződnek, a krisztallitok egymáson elcsúsznak, és repedések képződnek. A repedések összekapcsolódása, terjedése eredményezi, hogy a
4. ábra. Kúszási károsodást mutató acél mikroszkópos képe
|  | III. szakaszon növekszik az alakváltozás sebessége, végül a darab eltörik. (Hossza néhány tíz óra) A törés a krisztallit határokon halad, tehát interkrisztallin jellegű. A folyamatokban legnagyobb szerepe a diffúziónak van., mert az atomok csak a diffúzió segítségével tudnak mozogni.

|  | A terhelés és a hőmérséklet hatása
5. ábra. A terhelés és a hőmérséklet hatása az alakváltozásra
|  | A fölső ábra azt mutatja, hogy állandó hőmérsékleten a kisebb terhelés F1 hosszabb idő múlva vezet töréshez, tehát a terhelés nagysága befolyásolja a kúszást, növelése növeli a kúszás sebességét, csökkenti a töréshez vezető időt.
|  | Az alsó ábrán állandó terhelés mellett megfigyelhető, hogy a hőmérséklet növelése jelentősen növeli a kúszás sebességét, ezzel csökkentve az élettartamot.
|  | Mikor kell a méretezésnél a kúszással számolni?
6. ábra. Szerkezeti acél folyáshatárának és kúszáshatárának változása a hőmérséklet függvényében
|  | A kúszás jelenségével a méretezésnél attól a hőmérséklettől kell számolni, ahol a folyáshatárnál kisebb feszültség hatására is kúszik a darab.
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy a függőleges szaggatott vonalig a folyáshatár kisebb, tehát a darab előbb szenved maradó (képlékeny) alakváltozást, mint kúszna, ezért a folyáshatárt kell figyelembe venni a méretezésnél. A szaggatott vonalon (kb. 300-350 C° acéloknál) már a kúszáshatár van lejjebb, tehát erre kell méretezni.
|  | A kúszás vizsgálata
|  | A kúszásvizsgálatoknál adott hőmérsékleten, állandó feszültséggel (legtöbbször húzóigénybevétel) terhelt próbatestek alakváltozását regisztrálják az idő függvényében. A mérések alapján meghatározható a
|  | kúszáshatár időszilárdság
|  | Az időszilárdság és a kúszáshatár meghatározása is több különböző feszültségi szinten terhelt próba vizsgálata alapján interpolálással lehetséges
|  | Kúszáshatár: a próbatest eredeti keresztmetszetére számított feszültség, amely adott hőmérsékleten adott idő alatt előírt értékű (legtöbbször 1%) alakváltozást okoz. Jele: R és indexben a maradó nyúlás %-a az idő órában és a hőmérséklet C°-ban. pl. R1/10 000/550 A kúszáshatárt abban az esetben használják méretezésre, ha az alkatrész megengedhető alakváltozása korlátozott. pl. turbina lapát
|  | A kúszás vizsgálata 2
|  | Időszilárdság: a próbatest eredeti keresztmetszetére számított feszültség, amely adott idő múlva, adott hőmérsékleten törést okoz. Jele: Rm és indexben a hőmérséklet és az idő pl. Rm/10 000/550 Az időszilárdság megfelelő biztonsági tényezővel alkalmazandó pl. kazáncsövek anyagainak méretezésére. De tipikus eset az izzólámpák wolfram szála is, amikor a törés nincs megengedve adott időn belül.

|  | Hőtágulás
|  | A szerkezeti anyagok tulajdonságai között fontos a hőtágulás. Gondoljunk pl. a motorokban működő hengerekre és dugattyúkra. A méretek meghatározásánál figyelembe kell venni a magasabb hőmérsékleten a hőtágulás miatti változásokat is.
|  | Értelmezhetjük a lineáris (hő hatására bekövetkező Δ L hosszirányú méretváltozás [mm], vagy Δ d hőmérséklet hatására bekövetkező átmérő változás [mm]) és a térfogati ( Δ V három irányú méretváltozás [mm3])
7. ábra. Különböző anyagok hőtágulási együtthatója
|  | lineáris ( Δ L vagy Δ d egyirányú) térfogati ( Δ V háromirányú) hőtágulást.
|  | A hőtágulás mértéke
Δ L = α ∗ L o ∗ Δ T
Δ V = β ∗ V 0 ∗ Δ T
|  | Ahol: Δ L hosszirányú méretváltozás [mm], α a lineáris hőtágulási együttható (lásd az ábrán) Δ T a hőmérséklet különbség Δ V a térfogat változás (három irányú méretváltozás) [mm3]) β a térfogati hőtágulási együttható
|  | Hővezetőképesség
|  | A hő terjedése a szilárd anyagokban hővezetéssel történik. Az ötvöző és szennyező elemek a hővezető képessséget csökkentik.

|  | Ellenőrző kérdések
| 1. Hogyan viselkednek az acélok szobahőmérsékleten állandó terhelés hatására?
| Az alakváltozás csak a terhelés nagyságától függ és időben nem állandó
| Az alakváltozás csak a terhelés nagyságától függ és időben állandó
| Az alakváltozás a terhelés nagyságától és az időtől függ
| Az alakváltozás az idő függvényében növekszik
| 2. Mitől függ a szerkezeti anyagok esetében az alakváltozás a kúszási hőmérséklet felett?
| Csak a terheléstől
| Csak a hőmérséklettől
| A terheléstől és a hőmérséklettől
| A terheléstől, a hőmérséklettől és az időtől
| 3. Hogyan fejezhetjük ki a fémek kúszási hőmérsékletét, és mitől függ?
| T< (0,3-0,4) Thomológ, a K-ben kifejezett olvadásponttól
| T> (0,3-0,4) Thomológ, a K-ben kifejezett olvadásponttól
| T= (0,3-0,4)Thomológ a K-ben kifejezett olvadásponttól
| T< (0,3-0,4) T C°, a C°-ban kifejezett olvadásponttól
| 4. Hogyan változik az alakváltozás sebessége kúszásnál az I., II. és a III. szakaszon?
| nő, állandó, nő
| csökken, állandó, nő
| nő, állandó, csökken
| a folyamat során végig állandó
| 5. Mikor kell méretezésnél a kúszást figyelembe venni?
| RT > ReH
| RT< ReH
| hosszabb idejű (t > 1000 óra) üzemelés esetén
| RT = ReH
| 6. Hogyan befolyásolja egy anyag kúszáshatárát a hőmérséklet növelése?
| Csökkenti
| Növeli
| Nem befolyásolja, mert csak az időtől függ
| Nem befolyásolja, mert csak a terheléstől függ
| 7. Hogyan befolyásolja a szemcsenagyság az anyag ellenállását a kúszással szemben?
| a durva szemcse csökkenti
| a finom szemcse javítja
| a kúszási tulajdonságok a szemcsenagyságtól függetlenek
| a durvaszemcse növeli
| 8. Hogyan befolyásolja az anyag tisztasága a hővezető képességet?
| Az ötvözők növelik, a szennyezők csökkentik
| Az ötvözők és a szennyezők csökkentik
| Nem befolyásolják
| Csak az intersztíciósan oldódó ötvözőknek és szennyezőknek van hatása a hővezető képességre