A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata

Az előadások a következő témára: "A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata"— Előadás másolata:

1 A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata
Csizmazia Ferencné dr. : Anyagismeret

2 Mechanikai tulajdonságok (terhelhetőség)
Anyagtulajdonságok Mechanikai tulajdonságok (terhelhetőség)

3 A szerkezeti anyagok viselkedése az igénybevételekkel szemben
A szerkezeti anyagok legfontosabb tulajdonsága, hogy ellenállnak a külső igénybevételekkel szemben, tehát a terhelhetők. Az 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.

4 Az igénybevételek jellemzése (1)
Az igénybevétel hatása szerinti felosztás: Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek A felületre ható igénybevételek Az igénybevétel időbeli lefolyása szerinti felosztás: Statikus Dinamikus, lökésszerű Ismétlődő, fárasztó Az előbbi három kombinációja

5 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 ( ) feszültségről, ha a felület síkjában hat, csúsztató () feszültségről beszélünk. Mértékegysége : N/mm2 vagy MPa, azaz MN/m2

6 Az igénybevétel az időbeli változása alapján lehet:
statikus, ha az igénybevétel időben állandó, vagy csak igen lassan, egyenletesen változik, dinamikus , ha a terhelés időben változik, hirtelen, ütésszerű, lökésszerű pl. motorok indítása, ütközés stb. fárasztó, ha az igénybevétel időben változik, és sokszor ismétlődik.

7 Mechanikai tulajdonságok Statikus igénybevétel
Húzó igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása A szakítóvizsgálat (MSZ EN :2001)

8 Szakítóvizsgálattal meghatározható jellemzők 1
Elve:

9

10

11 Szakító próbatest arányos próbatest esetén a jeltávolság
kör keresztmetszet esetén

12 Szakítópróbatest Menetes befogás Lemez próbatest betonacél

13 Szakító diagram A szakítógép a próbatest összes megnyúlásának függvényében rajzolja meg a próbatest által felvett erőt. A függőleges tengelyen az erőt (jele: F) N-ban vagy kN-ban, a vízszintes tengelyen pedig a jeltávolság megnyúlását (jele:L) tüntetjük fel mm-ben.

14 Lágyacél szakítódiagramja

15 Lágyacél szakítódiagramja
A I. a rugalmas alakváltozás szakasza. Az alakváltozás és a feszültség lineáris összefüggésben van.  = E . (Hook törvény )

16 Lágyacél szakítódiagramja
II.a. folyási szakasz. A folyási szakasz az FeH erőnél kezdődik, és azt jelenti, hogy a próbatest valamennyi krisztallitjában megindul a maradó alakváltozás

17 Lágyacél szakítódiagramja
II.b. egyenletes alakváltozás szakasza.

18 Lágyacél szakítódiagramja
III. kontrakciós szakaszban a próbatest alakváltozása egy meghatározott részre korlátozódik .

19 Hengeres lágyacél szakítása

20 Különböző anyagok szakítódiagramjai

21 Különböző anyagok szakítódiagramjai
Rideg anyagok: a lemezgrafitos öntöttvas, b edzett acél diagramja. vagy kerámia ridegek , csak rugalmas alakváltozásra képesek. A szakadás felülete szemcsés és merőleges az igénybevétel tengelyére.

22 Rideg törés

23 Gömbgrafitos öntöttvas

24 Különböző anyagok szakítódiagramjai
Szívós anyagok d ábrán határozott folyást nem mutató anyagok pl. réz vagy alumínium. Az e lágyacél

25 Normál feszültség hatására bekövetkező törés

26 Különböző anyagok szakítódiagramjai
Hidegen alakított fémek f ábra hidegen erősen alakított, tehát felkeményedett fém A felkeményedett anyagok, rugalmas alakváltozást követő igen rövid egyenletes alakváltozás után kontrahálnak.

27 Különböző anyagok szakítódiagramjai
Képlékeny fémek g ábra nem keményedő, képlékeny fém pl. ólom (Pb) szakítódiagramja van. A diagramnak szinte csak maradó alakváltozási része van.

28 Műanyagok szakítódiagramja
a rideg anyag pl. hőre nem lágyuló műanyagok b. szívós pl. PA c. lágy anyag pl. PE

29 A szakítóvizsgálattal meghatározható anyagjellemzők

30 A szakítódiagram alapján kétféle rendszer szerint értelmezhetünk értékeket.
A mérnöki rendszerben, az erő és alakváltozás értékeket az eredeti , kiinduló értékekhez viszonyítjuk, míg a valódi rendszerben a változásokat a pillanatnyi, tényleges értékekhez viszonyítjuk.

31 Mérnöki rendszer feszültség : = F/So
alakváltozás, fajlagos nyúlás : = L/Lo ahol F az erő So az eredeti keresztmetszet Lo a jeltávolság eredeti értéke L a megnyúlás

32 A szakítóvizsgálattal meghatározható anyagjellemzők
Szilárdsági anyagjellemzők:

33 Rugalmassági modulusz
Young modulusz A rugalmas szakasz meredeksége E=/

34 Folyáshatár A maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség
Mértékegysége: N/mm2

35 Folyáshatár A folyáshatár valódi feszültség, fizikai tartalommal ellátott, azt jelenti, hogy ennél a feszültségnél a próbatest minden krisztallitjában megindul a képlékeny alakváltozás, a statikus méretezés alapja.

36 Mi a teendő, ha nem jelenik meg egyértelműen a folyáshatár?

37 Mi a teendő, ha nem jelenik meg egyértelműen a folyáshatár?
A maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültséget abban az esetben is meg kell tudni határozni, ha nem mutatkozik határozott folyáshatár. Ebben az esetben megállapodás szerinti értékeket határozunk meg.

38 Névleges folyáshatár névleges folyáshatár , azaz a 0,5 % teljes (rugalmas + maradó ) alakváltozáshoz tartozó feszültség Mértékegysége:N/mm2

39 Egyezményes folyáshatár
A terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár : N/mm2 A terheletlen állapotban mért egyezményes folyáshatár :

40

41 Szakítószilárdság A szakítószilárdság a vizsgálat során mért legnagyobb terhelő erő és az eredeti keresztmetszet hányadosa: Mértékegysége: N/mm2

42 Különböző anyagok szakítószilárdsága

43 A szakítóvizsgálattal meghatározható anyagjellemzők
Képlékenységi anyagjellemzők vagy alakváltozási mérőszámok:

44 Képlékenységi jellemzők vagy alakváltozási mérőszámok
A próbatest a szakító vizsgálat során megnyúlik, keresztmetszete lecsökken

45 Képlékenységi jellemzők vagy alakváltozási mérőszámok
A szabványos alakváltozási mérőszámok, a mérnöki rendszer szerinti nyúlásnak és a keresztmetszet csökkenésnek egy jól definiálható ponthoz, általában a szakadáshoz tartozó értékei.

46 Alakváltozási mérőszámok
Szakadási nyúlás vagy nyúlás. Jele: A Mértékegysége: %

47 Különböző anyagok szakadási nyúlása

48 Alakváltozási mérőszámok
Keresztmetszet csökkenés vagy kontrakció . Jele: Z Mértékegysége: %

49 Szabványos mérőszámok EN 1002-1:2001
Folyáshatár Szakítószilárdság Nyúlás Kontrakció

50 Valódi rendszer feszültség: alakváltozás azaz az integrálás után
F az erő S a megváltozott keresztmetszet dL a pillanatnyi megnyúlás a pillanatnyi hossz do az eredeti átmérő d a pillanatnyi átmérő

51 Valódi feszültség, valódi alakváltozás diagram
Ha az alakváltozás Lo-tól L-ig terjed, ez alatt a próbatesten Ha a térfogatállandóságot figyelembe vesszük, ami a képlékeny alakváltozásra érvényes, felírható

52 Valódi feszültség, valódi alakváltozás diagram
Ha a térfogat állandóságot figyelembe vesszük, ami a képlékeny alakváltozásra érvényes, felírható Kör keresztmetszet esetén:

53 Valódi feszültség, valódi alakváltozás diagram
A valódi feszültség

54 Fajlagos törésmunka Az anyag szívósságát jellemzi.
A fajlagos törésmunka (Jele: Wc) sima, bemetszés nélküli próbatesten, a törés helyén mérve a külső erők munkája, amely a próbatestet törésig elviszi. Mértékegysége J/cm3.

55 Fajlagos törésmunka A munka a valódi feszültség () valódi alakváltozás () diagram alatti területtel egyenlő. Magyarázat: A munka (W) egyenlő az erő szorozva elmozdulással, itt

56 Fajlagos törésmunka ez az elemi térfogatra vonatkoztatva:
ahol az S. L a kiválasztott kis elem térfogata. Vegyük észre, hogy az egyenletben szereplő a pedig a d,

57 Fajlagos törésmunka Ezért azért az egyenlet:
így az integrálás értelmezése szerint a fajlagos törésmunka a -  diagram alatti területtel egyenlő.

58 Fajlagos törésmunka

59 Fajlagos törésmunka Meghatározható:
grafikusan, a diagram alatti terület mm2-ben a fajlagos törésmunka J/cm3-ben. (A léptéket figyelembe kell venni!) közelítő számítással a görbét trapézzal közelítjük, és így a fajlagos törésmunka értéke: J/cm3, ahol ReL az alsó folyáshatár, de lehet ReH is Ru a kontrakciós feszültség:

60 A szakítóvizsgálat során kapott eredményeket befolyásolják
a próbatest alakja, mérete, felületi minősége a terhelés növelésének sebessége a vizsgálati körülmények pl. a hőmérséklet

61 Szakítógépek

62 Korszerű szakítógép

63 Szakítóvizsgálat nagy hőmérsékleten

64 Mechanikai tulajdonságok Statikus igénybevétel
Nyomó igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása

65 Nyomó igénybevétel megvalósítása (nyomóvizsgálat)

66 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 A szívós, és képlékeny anyagok nyomóvizsgálat során "hordósodnak", bizonyos alakváltozás után felületükön repedések jelennek meg, egyértelmű törést nem mutatnak.

67 A nyomóvizsgálat alkalmazása
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:

68 Példák a nyomóvizsgálatra
Kő, korroziv környezetben

69 Példák a nyomóvizsgálatra
Szivacs

70 Példák a nyomóvizsgálatra
PET palack

71 Mechanikai tulajdonságok Statikus igénybevétel
Hajlító igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása

72 Hajlító vizsgálat Nyomott oldal Húzott oldal

73 Hajlító vizsgálat 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.

74 Meghatározható mérőszám
Hajlító szilárdság Jele: Rmh Mértékegysége: N/mm2 ahol M a maximális hajlítónyomaték a K a keresztmetszeti tényező, ami kör keresztmetszet esetén négyszög keresztemetszetre

75 Hajlító vizsgálat

76 Keménység Az anyagok egyik legfontosabb tulajdonsága a keménységük. A fémek és ötvözetek keménységmérése nagyon elterjedt. A keménység alatt a fémnek azt az ellenállását értjük, amelyet a fém egy nála keményebb test behatolásával szemben kifejt.

77 Miért olyan elterjedt a keménységmérés?
a mérés gyors, egyszerű a darabon " roncsolásmentesen " elvégezhető az eredményekből kísérletileg meghatározott összefüggések alapján egyéb anyagjellemzőkre is következtethetünk a technológiai folyamatba beilleszthető

78 A statikus mérések elve
A meghatározásból következően az, hogy egy szabványos anyagú, alakú és méretű kemény testet (benyomó szerszám) meghatározott ideig ható terheléssel a mérendő anyag felületébe nyomunk, és vagy a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosával, (HB, HV) vagy a benyomódás mélységéből képzett számmal (HR) jellemezzük a keménységet. A terhelést lassan adjuk rá a benyomó szerszámra, ezért a módszereket statikus keménység méréseknek nevezzük.

79 Megjegyzés A különböző, néha eltérő fizikai hatásokon alapuló eljárások mérőszámai csak korlátozott módon, bizonyos megszorítások figyelembevételével hasonlíthatók össze. Alapvetően megállapítható, hogy minden eljárásnak megvan a maga elsődleges és leggyakrabban használt területe.

80 Brinell keménységmérés MSZ EN ISO 6506-1(mérés)-2 (ellenőrzés, kalibrálás)
A mérés során D átmérőjű keményfém golyót F terhelő erővel belenyomunk a darabon legtöbbször köszörüléssel előkészített sík felületbe Ezáltal d átmérőjű, h mélységű gömbsüveg alakú lenyomat képződik.

81 A Brinell keménység értelmezése
Brinell keménységen az F terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosát értjük. Jele: HB. A gömbsüveg felülete Dh. Ezzel a keménység számértéke: A keménység mértékegység nélküli szám!

82 Mi kell megválasztani és hogyan?
A golyó A mérésnél használt golyó keményfém (wolfram karbid) (régebben edzett acél) átmérője D 10 5 2,5 2 és 1 mm méretét a mérendő anyag vastagságának, és a mérési körülményeknek ( keménységmérő gép ) megfelelően választjuk meg.

83 Mi kell megválasztani és hogyan?
A terhelő erő A mérendő anyag és a golyóátmérő függvényében választhatjuk meg, úgy, hogy lenyomat d mérete 0,25 és 0,6D közé essen. : F = 9,81.K .D2 N. K a terhelési tényező (a mérendő anyag keménységétől függ!

84 K terhelési tényező

85 A mérés elvégzése A vizsgálandó felületet fémesre tisztítjuk (köszörülés) a lenyomatok a darab szélétől és egymástól legalább 2,5d - 3d távolságra legyenek. A terhelés megszüntetése után a lenyomat két egymásra merőleges átmérőjét (d) mérjük a keménységmérő gépre szerelt mérőberendezés segítségével 0,001mm pontossággal. A két érték átlagának, és a terhelő erőnek a függvényében a keménységet táblázatból keressük ki.

86 A mérés jegyzőkönyvezése
A HB keménység mérőszáma kismértékben függ a terhelő erőtől és a golyóátmérőjétől ! Ezért a mért érték mellett fel kell tüntetni a golyóátmérőt, a terhelő erőt és a terhelés idejét, ha az nem D=10 mm F= 3000 kp azaz N és 30 másodperc. Pl. 185HB2,5/187,5/20. A mérés D=2,5mm golyóval, 187,5 kp azaz 1840 N terheléssel 20 másodperc terhelési idővel történt, és a darab keménysége 185 HB

87 Alkalmazási területe, korlátok
Elsősorban öntöttvasak, könnyű-és színesfémek, kisebb keménységű, lágyított normalizált acélok mérésére használják A Brinell keménységmérés acél golyó esetén 450 HB-nél keményfém esetén 650 HB-nél keményebb anyagok mérésére nem alkalmas, mert a golyó esetleges deformációja a mérést meghamisítja. Nem alkalmas vékony lemezek mérésére, (túl nagy a benyomódás)

88 Összefüggés a HB és az Rm között
Az összefüggés közelítő, célszerű a keménységi értékek összehasonlítására szolgáló szabvány használata!

89 Vizsgálat növelt hőmérsékleten
A magasabb hőmérsékleten üzemelő alkatrészek pl. melegalakító szerszámok, kokillák, belsőégésű motorok dugattyúi keménységének meghatározását teszi lehetővé

90 Vickers keménységmérés MSZ EN ISO 6507-1(mérési elv)-2 ellenőrzés, kalibrálás
A Vickers keménységmérés során 136  csúcsszögű négyzet alapú gyémánt gúlát nyomunk F terheléssel a próbadarab felületébe

91 Vickers keménység mérőszáma
A Vickers keménység a Brinellhez hasonlóan a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosa. A lenyomat felületének meghatározásához a terhelés megszüntetése után a négyzet alakú lenyomat átlóit (d) mérjük.

92 Mi kell megválasztani és hogyan?
terhelés A terhelő erő 9, N azaz kp között választható az anyagminőség és a vastagság függvényében. Megjegyzés: A terhelés változtatásával a lenyomat felülete közel arányosan változik, ezért a Vickers keménység bizonyos határon belül a terhelő erőtől független

93 A mérés elvégzése A vizsgálandó felületet fémesre tisztítjuk (köszörülés) a lenyomatok a darab szélétől és egymástól legalább 2,5d - 3d távolságra legyenek. A terhelés megszüntetése után a lenyomat két egymásra merőleges átlóját (d) mérjük a keménységmérő gépre szerelt mérőberendezés segítségével 0,001mm pontossággal. A két érték átlagának, és a terhelő erőnek a függvényében a keménységet táblázatból keressük ki.

94 Kisterhelésű keménységmérés Vickers szerint
Különféle felületi hőkezelések után az edzett darabok felületi kérgében, vagy vékony lemezeken, bevonatokon stb.kis terheléssel (5 - 19,62 N azaz 0,5-2 kp) is végezhetünk Vickers keménységmérést. A mért értéknél mindig fel kell tüntetni a terhelés nagyságát pl HV 1,0 A darabot a méréshez csiszolással és polírozással kell előkészíteni. A lenyomatot 0,2 m pontossággal kell mérni.

95 Rockwell keménységmérés (MSZ EN ISO 6508-1)
A mérés különbözik az eddig ismertetett HB és HV módszerektől, mivel a különböző benyomó szerszámokkal létrehozott lenyomat mélységéből következtet a keménységre

96 A Rockwell keménységmérés elve

97 Rockwell keménységmérési eljárások
HRA HRB, HRC A benyomó szerszám 1,59 mm (1/16 ") átmérőjű edzett acél golyó (HRB) vagy 120  csúcsszögű gyémánt kúp ( HRA és HRC).

98 Rockwell eljárások (terhelés, alkalmazási terület)

99 Keménységmérő gépek

100 A keménységmérő gépek kalibrálása, hitelesítése
A keménységmérő gépek ellenőrzésére ismert keménységű kalibráló testeket (etalonokat) használnak. A gépeket legalább évente egyszer az arra feljogosított szervezettel ( OMH stb.) kalibráltatni kell.

101 A különböző anyagok keménységi értékei