Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Dr. Krállics György [email protected]
Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16
Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk
2
Az előadás fő pontjai
• Bevezetés
• Rugalmas és képlékeny alakváltozás
• Egyszerű igénybevételek
• Szakítóvizsgálat és mérőszámai
• Zömítő-, hajlító- és csavaróvizsgálat
3
Az előadás során megismerjük:
• az alapvető anyagi tulajdonságok csoportosítását;
• a rugalmas és a képlékeny alakváltozás jellemzőit;
• a valódi és a mérnöki rendszer feszültség és
alakváltozás fogalmát;
• a rugalmas test anyagjellemzőit;
• a szakítóvizsgálattal meghatározható alakváltozási,
feszültségi és szívóssági mérőszámokat;
2
4
Szerkezet, folyamat és tulajdonságok
HB
Lehűlési sebesség (ºC/s)
200
300
400
500
600
0.01 0.1 1 10 100 1000
(a)
(b)
(d)
(c)
100
30 mm 30 mm
4 mm
30 mm
• Az anyag tulajdonsága függ a szerkezetétől;
Pl: az acél keménységének és szerkezetének kapcsolata
• Folyamat is megváltoztathatja a szerkezetet;
Pl.: Szerkezetváltozás a lehűlési sebesség hatására
5
Anyagtulajdonság csoportok
• Mechanikai (terhelés és alakváltozás
hatása)
• Elektromos (elektromos tér hatása)
• Hő fizikai (hőmérséklet-mező hatása)
• Mágneses (mágneses tér hatása)
• Optikai (elektromágneses tér hatása)
• Károsodási (kémiai reaktivitás hatása)
6
1. Initial 2. Small load 3. Unload
Rugalmas = reverzibilis
Rugalmas alakváltozásnál
a térfogat nem állandó.
Rugalmas alakváltozás
F
ΔL
kötések
megnyúlása
visszatérés az
eredeti állapotba
F
L
Lineárisan
rugalmas
Nemlineárisan
rugalmas
Kezdeti állapot Terhelve Tehermentesítve
3
7
Kezdeti
állapot Terhelve Tehermentesítve
Képlékeny = maradó
Képlékeny alakváltozásnál
a térfogat állandó.
Képlékeny alakváltozás
a síkok
elcsúszva
maradnak
F
Lrugalmas+képlékeny
kötések
megnyúlása,
síkok
elcsúszása
Lképlékeny
F
ΔL
Lképlékeny
Lineárisan
rugalmas
ΔLrugalmas
8
Rugalmas állapotban
= E
(Hooke-törvény)
Húzó és nyomó igénybevétel
l
ll 0
0A
F
A
F
Feszültség
Alakváltozás
l0
Δl/2
F
F
l l0
l
F
F
A0
A A0 A
Δl/2
Δl/2
Δl/2
Húzás Nyomás
9
Nyíró igénybevétel
0A
F
A
F
rI
M
p
A0 F
F
Egyszerű nyírás Csavarás
M
r
G
Rugalmas állapotban 4
64p
DI
4
10
Szakítóvizsgálat
F, N
II.I.
Fu
Fm
III.
FeL
L, mm
FeH
Szakítódiagram
I. Rugalmas alakváltozás
II. Egyenletes rugalmas-képlékeny alakváltozás
III. Kontrakció
L=L-L0
11
Szabványos mérőszámok
0
2,0
2,0
00
0
,
S
FR
S
FR
S
FR
S
FR
p
p
eLeL
eHeH
ee
%100
0
0
S
SSZ u
0S
FR mm
Feszültségi mérőszámok Alakváltozási mérőszámok
Folyáshatár [MPa]
Szakítószilárdság [MPa]
%1000
0
L
LLA u
Kontrakció
Szakadási nyúlás
12
Mechanikai mennyiségek
• Mérnöki rendszer • Valódi rendszer
10
0
0
S
S
l
ll
S
S
l
l
0
0
ln
ln
Alakváltozás
Feszültség F
S
Fajlagos törési
munka [J/cm3]
u
c m
0
W d
u
c
0
W d
m
0
F
S
5
13
Feszültségi és alakváltozási
állapot a kontrakciónál
z
r
z
zzrr
g
zz
d
d
d
d
Rr
rr
0
min
min
0
min
22
min
ln
ln2
21ln1
ásalakváltozűegyenérték ,feszültségűegyenérték
14
Feszültség–alakváltozás görbék
u
u
m
e
m 0 mF S S 1
ln 1
Alakváltozás
Feszültség
M
Szakítóvizsgálat két
nyúlásmérővel
15
6
16
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005
0
200
400
Rt0,1
Rt0,2
Rp0,1
Mé
rnö
ki fe
szü
ltsé
g M
Pa
Mérnöki alakváltozás
E=190 000 MPa
Rp0,2
Egyezményes folyáshatár meghatározása
Lemezszakítás
17
18
• Rugalmassági modulusz:
E (Young-modulusz)
• Hooke- törvény:
= E
• Poisson-tényező, n:
fémek: n ~ 0,33
kerámiák : n ~ 0,25
polimerek : n ~ 0,40
Egységek:
E: [GPa] vagy [MPa]
n: dimenzió nélküli
Lineáris rugalmas tulajdonságok
Lineárisan
rugalmas
1
E
r
1 -n
F
F
Egytengelyű
igénybevétel
n r
r - radiális alakváltozás
Ekerámia > Efém >> Epolimer
7
19
• Csúsztató rugalmassági
modulusz, G
= G
• Térfogati
rugalmassági
modulusz, K
G
E
2(1 n)
)21(3 n
EK
csavaró-
vizsgálat
Hidrosztatikus nyomás alkalmazása
kezdeti térfogat : Vo
térfogat változás: dV
p = - K V V o
1
G
p
V
1 -K
V o
p
p p
M
M
p
• Hooke- törvény:
20
Képlékeny / rideg viselkedés
Mérnöki alakváltozás
Mé
rnö
ki
feszü
ltsé
g
ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg,
ha a maradó alakváltozás jelentős, akkor képlékeny
rideg
képlékeny
21
Szívósság
Mérnöki alakváltozás
Mé
rnö
ki
feszü
ltség
kerámia: kis szívósság (nagy szilárdság, rideg viselkedés)
fém: nagy szívósság (közepes szilárdság,
képlékeny viselkedés)
polimer: kis szívósság (kis szilárdság,
képlékeny viselkedés)
Az anyag törésig tartó energiaelnyelő képessége.
8
22
23
Különböző anyagok mechanikai
tulajdonságai 20 oC-on
Anyag E [GPa] Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A50 [%]
Acél 190-210 200-1700 400-1800 65-2
Alumínium-ötv. 69-79 35-550 90-60 45-4
Réz és ötv. 105-150 75-1100 140-1300 65-3
Titán és ötv. 80-130 340-1400 410-1450 25-7
Kerámiák 70-1000 - 140-2600 0
Gyémánt 820-1050 - - -
Polimerek 1,4-3,4 - 7-80 1000-5
Karbonszál 275-415 - 2000-3000 0
Kevlárszál 62-120 - 2800 0
24 Forrás: Ashby
9
25
Nyomóvizsgálat
h0
d0
h
növekvő súrlódás
súrlódás nélkül
Erő
h elmozdulás
eF
26
Ideális súrlódási viszonyok
nagyviszkozitású kenőanyag
00
0 ln,h
h
h
hh
m2 2
0 0
ee
0
F 4F F 4F,
S d S d
FR
S
Alakváltozások
Feszültségek
h
vzöm
Nyomó folyáshatár:
27
Hordósodás jelensége
h h 0
d 0
d min
d max
R g
zzrr
g
g
zz
rd
Rd
Rd
2
2
maxmax
max
4
ln1
zrzd
d
d
d ,ln,ln2
0
max
max
0
10
28
Csavaró vizsgálat
l
dmax M
R, r
Z,z
AB
M
l
r
dtdt
d
l
rdt
tt
3
1
3
1
00
Csavaró
nyom
até
k
e
Me
Elcsavarodás szöge
3
z
3
max
32
r
MR ee
Csavaró
folyáshatár
29
Hajlító vizsgálat
L/2 L/2F
M
F
1x
L/2 L/2F
L1 L1M
F
1xx3
x2 x2 x3
3 pontos hajlítás 4 pontos hajlítás
M
fmax
Me
max
2
1
2
1
48
43
If
LLFLE
AI
L
f
FLE
124
2
max
a
b
bI
MR
rI
MR
ee
ee
2
max
dmax
30
Lemezanyag alakíthatóságának
vizsgálata
l
s
ØD
A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez
tartozó hajlítási szöget.
11
31
Keménységmérés
• A (statikus) keménység fogalma:
– A vizsgált anyag ellenállása az adott
geometriájú szúrószerszám behatolásával
szemben.
• A keménység kapcsolata más tulajdonságokkal:
– Keménységi adatokból becsülhetők a szilárdsági
és technológiai tulajdonságok.
• A keménységmérés kivitelezése:
– Alakváltozás létrehozásával
– Fizikai hatások alkalmazásával
32
Brinell-keménységmérés
2 20.102 0.102 0.204F F F
HBWA D h D D D d
keményfém-
golyó
2
terhelőerő
lenyomat felület
golyóátmérő
lenyomat átmérő
lenyomat mélység
F N
A mm
D mm
d mm
h mm
Átlagos keménység értéket ad (inhomogén anyag vizsgálatánál előnyös).
Következtetni lehet az anyag szilárdságára. Öntöttvasak, színes- és
könnyűfémek, lágyacélok mérésére alkalmazható.
33
Vickers-keménységmérés
2
0.1020.189
F FHV
A d
gyémánt-
gúla
2
terhelőerő
lenyomat felület
lenyomat átló
F N
A mm
d mm
Lokális keménység pontos meghatározása. Tetszőleges anyagminőség
laboratóriumi vizsgálata. A kis terhelésű és mikro-Vickers eljárás vékony
lemezek, rétegek és szövetelemek vizsgálatára használható.
12
34
Knoop-keménységmérés
gyémánt gúla
mml
mmA
NF
l
F
A
FHK
átlója
hosszabbiklenyomata
felületlenyomat
erőterhelő
14487,1102,0
2
2
Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. Fémek és nagyon
rideg anyagok (üveg, műszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas.
35
F0+F1F0 F0
1
2 34
56
1 - a lenyomat mélysége az F0 előterhelésnél
2 - a lenyomat mélysége az F0 + F1 terhelésnél
3 - a rugalmas visszarugózás az F1 főterhelés levétele után
4 - a maradó lenyomat h mélysége
5 - a mintadarab felülete
6 - a mérés referenciasíkja
Rockwell-keménységmérés
36
Rockwell-eljárások
Jel Szúrószerszám Előterhelés Főterhelés Keménység
HRA 120˚ 98,07 N 490,3 N 100-h/0,002
HRB 1,5875 mm 98,07 N 882,6 N 130-h/0,002
HRC 120˚ 98,07 N 1373 N 100-h/0,002
HRH 3,175 mm 98,07 N 490,3 N 130-h/0,002
… … … … …
HR15N 120˚ 29,42 N 117,7 N 100-h/0,001
HR45T 1,5875 mm 29,42 N 411,9 N 100-h/0,001
- gyémántkúp - acél- vagy keményfém golyó
Gyors, egyszerű, de kevésbé pontos, minden anyagminőségre és geometriai formára.
13
37
Dinamikus keménységmérő eljárások
• Gyors, lökésszerű erőhatással végzett
mérések
• Kivitelezés
– szúrószerszámmal lenyomatot mérve
– rugalmas visszapattanást mérve
38
Mérés Poldi-kalapáccsal
próbatest
2
x
m
a minta keménysége
a próbatest keménysége
a lenyomat átmérője a mintán
a lenyomat átmérője a próbatesten
m x
x m
m
x
HB d
HB d
HB
HB
d
d
minta az etalon keménysége
etalon
az etalonon
39
Eljárások a rugalmas visszahatás alapján
• Mérés elve
A vizsgált tárgy felületére adott energiával ráejtett kalapács vagy golyó visszapattanásának magassága arányos a tárgy keménységével.
• Berendezések – Szkleroszkóp
– Duroszkóp
14
40
Szkeloroszkóp
1. Ejtősúly
(gyémántvéggel)
2. Üvegcső
3. Libella
4. Mérendő tárgy
Roncsolásmentes,
egyszerű és
gyors módszer.
A mérendő tárgy tömege befolyásolja a mérési eredményt:
kis tömeg → rezgések → kisebb visszapattanás.
41
Duroszkóp
1. Mérőkalapács
2. Doboz
3. Mérendő tárgy
4. Mutató
A tömeg és felület minősége befolyásolja.
42
Műszerezett keménységmérési
eljárások
Erő - benyomódás görbe felvétele
h0
E=tan
F=a(h-h0)
m
F=hp
tehermentesítésterhelés
Erő
mN
benyomódási mélység nm Vékony rétegek mérésére
15
43
Keménység konverzió
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
50
100
150
200
250
300
350
400
HB 3000
HB 500
HRBHRC
HR
B, H
RC
, H
B5
00
,HB
30
00
HV 10
44
Fogalmak
• Rugalmas alakváltozás
• Képlékeny alakváltozás
• Mérnöki / valódi feszültség
• Mérnöki / valódi alakváltozás
• Folyáshatár, egyezményes folyáshatár
• Szakítószilárdság
• Kontrakció
• Fajlagos törési munka
• Szívósság
• Rugalmassági modulusz
• Nyíró rugalmassági modulusz
• Poisson-tényező
• Térfogati rugalmassági modulusz
• Nyomó folyáshatár
• Csavaró folyáshatár
• Hajlító folyáshatár
• Statikus keménység
• Brinell-keménység
• Vickers-keménység
• Knopp-keménység
• Rockwell-keménység
• Dinamikus keménység
• Műszerezett keménységmérés
45
William D. Callister, Jr.
Materials Science and Engineering
An Introduction, 7th edition, 2006
Chapter 6
Mechanical Properties of Metals
131-173 pp.
Angol nyelvű irodalom: