KURZUS: Mérnöki 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