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 L1 nem változik. Ha azonban kb. 300 C° fölé növeljük a hőmérsékletet, az F1 erő hatására kialakult 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 ,
míg a kúszást előidéző hőmérséklet fölött az alakváltozás függvénye a feszültségnek, az időnek és természetesen a hőmérsékletnek
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:
az alakváltozás
az alakváltozás sebessége
A kúszás görbe jól elkülöníthető három szakaszból áll. A terhelőfeszültség <Rp0,2.
Az kezdeti alakváltozásból induló I. szakaszban az alakváltozás sebessége az idő függvényében csökken. A feszültség hatására a kedvező helyzetű krisztallitokban a rugalmas alakváltozással összemérhető nagyságú (0,01 - 0,001%) maradó alakváltozás keletkezik (). 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 . 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
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 L hosszirányú méretváltozás [mm], vagy d hőmérséklet hatására bekövetkező átmérő változás [mm]) és a térfogati (V három irányú méretváltozás [mm3])
7. ábra. Különböző anyagok hőtágulási együtthatója
lineáris (L vagy d egyirányú)
térfogati (V háromirányú) hőtágulást.
A hőtágulás mértéke
Ahol: L hosszirányú méretváltozás [mm], a lineáris hőtágulási együttható (lásd az ábrán) T a hőmérséklet különbség V a térfogat változás (három irányú méretváltozás) [mm3]) 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