KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

2. lecke: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata

|  | Az igénybevételek fajtái Hatásuk szerint Időbeli lefolyása szerint Az anyagok viselkedése terhelés hatására
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | felsorolni a legfontosabb igénybevételi típusokat csoportosítani az igénybevételeket hatásuk és időbeli lefolyásuk alapján felsorolni az anyagok terhelés hatására létrejövő viselkedési típusait felsorolni a szívós, képlékeny és rideg anyagok tulajdonságait képek alapján felismerni a különböző töréstípusokat
|  | A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata
|  | Az anyagok tulajdonságai
pl. a darukötélen lógó teher húzza a kötelet, a kötél anyagának a terheléssel szembeni ellenállása a mechanikai tulajdonsága pl. a kerámiák a részecskék közötti ionos kötés miatt hőállóak pl. a réz, az ezüst nagyon jól vezeti az elektromosságot pl. a vas mágnesezhető, a szétszóródott acél gombostű mágnessel összegyűjthető pl. a bronzban a hang alig csillapodik, ezért harangok készítésére is használják pl. az üveg átlátszó, a fémek nem |  | fizikai tulajdonságok mechanikai, termikus, elektromos, mágneses, akusztikai, optikai
|  | Minőség, élettartam
|  | A szerkezeti anyagokból a tervezők által megtervezett konstrukciókat vagy termékeket készítünk különbféle gyártási (pl. kovácsolás) és megmunkálási (pl. forgácsolás) folyamatokkal.
|  | A termék minősége függ:
A felhasznált anyagtól pl. az alumíniumból készült gépjármű karosszéria könnyebb, de drágább, mint az acéllemez |  | gyártási jellemzőktől A felhasznált anyagtól A tervezéstől, konstrukciótól Az alkalmazott technológiáktól.
Pl. a gépjármű karosszéria elhasználódása, károsodása függ attól, hogy télen a sózott utakon használjuk vagy nem |  | üzemeltetés körülményeitől elhasználódási, károsodási folyamatok
|  | Termékminőség és élettartam
1. ábra. Termék minőség és élettartam tényezők
|  | Az ábra azt mutatja, hogy a termék minősége és élettartama függ a konstrukciótól, magától az anyagtól, a gyártási technológiáktól és az üzemeltetéstől. Ahhoz, hogy a legjobb minőségben a megfelelő élettartamú termékeket elő tudjuk állítani ezeket a jellemzőket meg kell ismerni.
|  | Biztonsági tényező, meghibásodási valószínűség
|  | A tervezés illetve az anyagválasztás során több ellentétes követelményt kell figyelembe venni, pl. a gépjármű karosszérialemez vastagságának csökkentése a tömeg csökkentése miatt, de ezzel ellentétes az utasok biztonságának növelésére vonatkozó igény, vagy hegesztett szerkezetek anyagának a szilárdságát növelve romlik a hegeszthetőség stb.
|  | Ezért a tervezés során nem az abszolút biztonság, hanem a tönkremenetelből adódó probléma mértékétől függően az előírt biztonság illetve a megengedhető meghibásodási valószínűség megvalósítása a cél.
|  | Meghibásodási valószínűség
|  | A teherbírás és a terhelés viszonya
2. ábra. A teherbírás és a terhelés viszonya
|  | Az anyag terhelhetőségét jellemző mérőszámokat (pl. szilárdság, azaz terhelhetőség) bizonyos szórással lehet meghatározni. Hasonlóképpen a várható igénybevétel (pl. erő, nyomaték, azaz terhelés) is egy átlagérték körül szóródik. Ha a méretezésnél a terhelést is és a terhelhetőséget is valószínűségi változónak tekintjük a sűrűségfüggvények ismeretében meghatározott meghibásodási (túlélési) valószínűséget írhatunk elő. (az ábrán a sraffozott területek).
|  | Az ábra alapján figyelje meg, hogy az anyagjellemzők kis szórással való meghatározása jelentősen csökkenti a meghibásodás valószínűségét!

|  | Anyagtulajdonságok
|  | Sűrűség
ρ = m / V [ kg / m 3 ]
|  | A sűrűség az anyag m tömegének és a V térfogatának a viszonyszáma, azaz a térfogategységre vonatkoztatott tömeg. A szerkezeti anyagok sűrűsége függ az alkotók atomtömegétől illetve a rendszámtól, az atomsugártól, a kristályos vagy amorf szerkezettől a tömörség mértékétől stb.
Az ábrán látható rövidítések: PTFE = politetrafluoretilen, azaz teflon PVC = polivinilklorid POM = polioximetilen PMMA = plometilmetakrilát azaz plexi PA = poliamid PS = polisztirol PE = polietilén PP = polipropilén GFK = üvegszál-erősítésű műanyagok CFK = szénszál-erősítésű műanyagok PFK = polimerszál-erősítésű műanyagok |  |
3. ábra. Különböző anyagok sűrűsége
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy a fémek sűrűsége nagy, mivel nagy az atomtömegük és szerkezeti sűrűségük. A polimerek, kerámiák viszont könnyebb atomokból épülnek fel (C; H; O; N) és általában kisebb a térkitöltésük is, ezért sűrűségük jóval kisebb, mint a fémeké.
|  | Mechanikai tulajdonságok (terhelhetőség)
|  | A szerkezeti anyagok viselkedése az igénybevételekkel szemben
|  | A szerkezeti anyagok legfontosabb tulajdonsága, hogy ellenállnak a külső igénybevételekkel szemben, tehát terhelhetők. A terméket, szerkezetet érő igénybevételek összetettek és különbözőek. A szilárdsági számítások során ezeket az összetett igénybevételeket jól definiálható alapesetekre un. egyszerű igénybevételekre vezetjük vissza, és ezek szuperpozíciójaként értelmezzük a szerkezet terhelését.
|  | Az igénybevételek jellemzése
|  | Az igénybevétel hatása szerinti felosztás: Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek A felületre ható igénybevételek
Lásd mechanika |  |
4. ábra. Oszlop terhelése
- statikus pl. az oszlop terhelése - dinamikus pl. gépjármű frontális ütközése - ismétlődő, fárasztó pl. kerékpár pedál |  | Az igénybevétel időbeli lefolyása szerinti felosztás: Statikus Dinamikus, lökésszerű Ismétlődő, fárasztó Az előbbi három kombinációja
|  | Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek
|  | Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavaró
5. ábra. A teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek
|  | Egyszerű igénybevételek
|  | húzás, nyomás, hajlítás, csavarás és nyírás. Az igénybevétel számszerű értéke a felület egységre ható erő, a feszültség. Ha a feszültség a felület elemre merőleges, normál ( σ ) feszültségről, ha a felület síkjában hat, csúsztató ( τ ) feszültségről beszélünk. Mértékegysége: [N/mm2 vagy MPa, azaz MN/m2] (lásd mechanika)

|  | A felületre ható igénybevételek
- hő pl. a nap felületet érő melegítő hatása - vegyi pl. a savas esők hatása - elektrokémiai pl. a nikkelezett acéllemezek sérülése esetén a vas fog korrodálni, ez az ún. vakrozsda - áramló közeg pl. a folyó "koptatja" a partot - koptató pl. a kés éle a többszöri élezés hatására elkopik - sugárzás pl. a műanyagok a nap sugárzás hatására öregszenek - biológiai pl. a mikroorganizmusok károsíthatják a betont |  | Hő Vegyi Elektrokémiai Áramló közeg Koptató Sugárzás Biológiai
6. ábra. A felületre ható igénybevételek
|  | Az igénybevétel az időbeli változása alapján lehet:
|  | statikus, ha az igénybevétel időben állandó, vagy csak igen lassan, egyenletesen változik,
7. ábra. Statikus igénybevétel
|  | dinamikus, ha a terhelés időben változik, hirtelen, ütésszerű, lökésszerű pl. motorok indítása, ütközés stb.
8. ábra. Dinamikus igénybevétel
|  | fárasztó, ha az igénybevétel időben változik, és sokszor ismétlődik.
9. ábra. Ismétlődő igénybevétel
|  | Az anyag viselkedése terhelés hatására
|  | Az igénybevétel, terhelés nagyságától függően az szerkezeti anyag viselkedése. Lehet:
|  | rugalmas alakváltozás. Az alakváltozás a terhelés megszüntetése után azonnal , vagy időben elhúzódóan ( polimerek) megszűnik. maradó alakváltozás. A terhelés megszüntetése után nem szűnik meg. törés. A szerkezeti anyag szétválik.
|  | Nem minden anyag képes maradó alakváltozásra. Azok az anyagok, amelyek a rugalmas alakváltozást követően maradó alakváltozásra is képesek a szívós, vagy képlékeny anyagok, míg amelyek csak rugalmas alakváltozásra képesek a rideg anyagok.
|  | Szívós vagy képlékeny anyag
|  | A törést jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzi meg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű.
10. ábra. Szívós töretfelület elektronmikroszkópos képe
|  | Az ilyen törés kialakulása növekvő terhelés mellett lehetséges.
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy a töret az eltört kenyér vagy tésztafelülethez hasonlít. Ez a maradó alakváltozás következtében megnyújt majd elszakadt anyagrészek következménye.
|  | Rideg, nem képlékeny törés
|  | A rideg, nem képlékeny törés esetében a törést nagyon kicsi vagy semmi maradó alakváltozás sem előzi meg, és a repedés kialakulása után viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez.
11. ábra. Rideg töret felületek
|  | Figyelje meg az a) ábrán a "V" betűre emlékeztető jelleget, amely a rideg törésre utal. A b) ábra lépcsőzetes, hasadásos töret.

|  | Ellenőrző kérdések
| 1. Jelölje be a felsorolt igénybevételek közül azokat, amelyek a teljes anyagtérfogatra hatnak!
| Hő
| Húzó
| Koptató
| Sugárzás
| Nyomó
| Hajlító
| Biológiai
| Csavaró
| Elektrokémiai
| Nyíró
| 2. Jelölje be a felsorolt igénybevételek közül azokat, amelyek a felületre hatnak!
| Hő
| Csavaró
| Koptató
| Sugárzás
| Nyomó
| Hajlító
| Biológiai
| Fárasztó
| Elektrokémiai
| Nyíró
| Jelölje be az egy helyes választ!
| 3. Mi jellemzi a statikus igénybevételt?
| a terhelés időben gyorsan változik vagy állandó
| a terhelés időben igen lassan, egyenletesen változik vagy állandó
| az igénybevétel időben változik és sokszor ismétlődik
| a terhelés időben gyorsan változik és többször ismétlődik.
| 4. Mi jellemzi a dinamikus igénybevételt?
| az igénybevétel az időben változik és többször ismétlődik
| a terhelés az időben állandó vagy csak igen lassan egyenletesen változik
| az igénybevétel az időben gyorsan változik
| a terhelés időben gyorsan változik és többször ismétlődik.
| 5. Mi jellemzi a fárasztó igénybevételt?
| az igénybevétel az időben változik és többször ismétlődik
| a terhelés az időben állandó vagy csak igen lassan egyenletesen változik
| az igénybevétel az időben gyorsan változik
| a terhelés időben igen gyorsan változik és többször ismétlődik.
| 6. Mi a következménye annak ha egy testre erő hat ?
| feszültségek keletkeznek
| alakváltozás történik
| feszültség és alakváltozás keletkezik
| eltörik