KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk
4. lecke: Nyomó-, hajlítóigénybevétel
| ||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||
| ||||
![]() | Nyomó igénybevétel megvalósítása (nyomóvizsgálat) | |||
| ||||
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. | ||||
| ||||
A párhuzamos nyomólapok között összenyomott próbatest magassága csökken, átmérője nő a vizsgálat közben. | ||||
Az anyagok viselkedése nyomó igénybevétel során | ||||
| ||||
![]() | ![]() 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: | ||||
| ||||
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. | |||
|
A nyomóvizsgálat alkalmazása | |||||||
Az Fm vagy Fv erő megfigyelhető a 2. ábra 1. diagramján. A szívós anyagok esetében nem határozzuk meg a nyomószilárdságot. |
| ||||||
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. |
| ||||||
![]() | Hajlító igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása | ||||||
Hajlítóvizsgálat | |||||||
| |||||||
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: | |||||||
| |||||||
Ahol M a maximális hajlító nyomaték: | |||||||
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 | ||||||
| ||||||
A szívós, maradó alakváltozásra képes anyagok esetében a hajlítóvizsgálatot vagy előírt szögig vagy a húzott oldalon megjelenő repedésig végezzük. | ||||||
| ||||||
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 | ||||||
|
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. | ||
| ||
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: . | ||
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. | |
| ||
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. | ||
| ||
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: | |||||||
| |||||||
Az ismételt igénybevételnél a feszültség általában kisebb, mint a folyáshatár | |||||||
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 | |||||||
| |||||||
| |||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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. | |||||||
| |||||||
További probléma, hogy a fárasztó vizsgálatok eredményeit több tényező befolyásolja: Ilyenek: | |||||||
| |||||||
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. |
| ||
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?
![]() | |||||||||
2. Milyen anyagok vizsgálatára használjuk a szilárdsági hajlító vizsgálatot?
![]() | |||||||||
3. Milyen mérőszámot határozunk meg a rideg anyagok hajlítóvizsgálatánál?
![]() | |||||||||
4. Milyen mérőszámot határozunk meg a szívós anyagok hajlítóvizsgálatánál?
![]() |