KURZUS: Mérnöki 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 vizsgálata1/4
visszaelőre
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
visszaelőre
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 repedés1/3
visszaelőre
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