KURZUS: Mérnöki 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

- 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
  • 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!
Húzó
Koptató
Sugárzás
Nyomó
Hajlító
Biológiai
Csavaró
Elektrokémiai
Nyíró
2. Jelölje be a felsorolt igénybevételek közül azokat, amelyek a felületre hatnak!
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