KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk
6. lecke: Az anyagok viselkedése dinamikus terhelés hatására
| ||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||
| ||||
![]() | Az anyag viselkedése dinamikus terhelés hatására A szívósság vizsgálata | |||
Az anyagok lehetnek: | ||||
| ||||
![]() | Szívós vagy képlékeny anyag | |||
A szívós anyagok terhelés hatására a rugalmas alakváltozást követően maradó alakváltozást is szenvednek. Az alakváltozás az anyag felkeményedése miatt a terhelés növelését igényli. A törést jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzi meg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű. | ||||
![]() | ![]() | |||
| ||||
![]() | ![]() A képen megfigyelhető a maradó alakváltozás (pl. nyúlás) hatására kialakult "tésztaszerű", törés előtt megnyúlt felület. | |||
![]() | Rideg, nem képlékeny törés | |||
A rideg, nem képlékeny törés esetében a törést nagyon kicsi vagy semmi maradó alakváltozás sem előzi meg, és viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez. | ||||
| ||||
A kerámiák, a fémek alacsony hőmérsékleten (T< -60 - 80 C°) a terhelés hatására a rugalmas alakváltozást követően elhanyagolható mértékű vagy semmilyen maradó alakváltozásra sem képesek. Így a terhelési folyamat során a darabban nem kell a maradó alakváltozásra munkát fordítani. Ha a darabban vagy annak felületén kialakul repedés az sok esetben a darabban felhalmozódott energia hatására eltörik. Pl. a repedt szélvédőn a repedés hideg időben nő. | ||||
![]() | A törés folyamata | |||
Az anyag törésének folyamata | ||||
| ||||
A repedésterjedés lehet: | ||||
| ||||
Mitől függ egy anyag töréssel szembeni viselkedése? | ||||
|
![]() | Az anyag és annak állapota | ||
Rideg törésre rendkívül hajlamosak a kovalens vagy ionos kötéssel rendelkező anyagok, pl. kerámiák, rideg kompozitok, nagyszilárdságú acélok, pl. edzett szerszámacélok, hexagonális rácsszerkezetű fémek, mint pl. a magnézium. Bennük a legkisebb hiba is beindíthatja a rideg törést. Ezért a ridegtörésre hajlamos anyagok gyártását fokozott gondossággal kell elvégezni illetve nagy gondot el kell fordítani az anyag roncsolásmentes vizsgálatokkal való ellenőrzésére. | |||
Szívósan viselkedik a legtöbb fém, a hőre lágyuló polimerek jelentős része. | |||
![]() | Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére | ||
A hőmérséklet csökkenése a rideg törést segíti elő, mert akadályozza a képlékeny alakváltozást. | |||
| |||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrán, hogy a hőmérséklet csökkenése a KV értékét csökkenti. Megjegyzés a KV a szívósság mérőszáma. Az ábrán az is leolvasható, hogy a nagyobb karbontartalmú acélok kevésbé szívósak. | ||
A feszültség állapot | |||
| |||
Az igénybevétel sebességének növelése a különböző anyagok esetében különböző mértékben de befolyásolja a viselkedést. A sebesség növelése általában a ridegebb viselkedést segíti elő. | |||
![]() | Szívós vagy rideg? | ||
![]() | A szívósság vagy ridegtöréssel szembeni ellenállás vizsgálata | ||
Az acélok, főleg a kisebb karbontartalmúak a legtöbb esetben szívósan viselkednek (lásd 3. ábra). Azonban lehetnek olyan körülmények, hogy a szívósnak várt acél ridegen viselkedik, azaz minimális vagy elhanyagolható mértékű maradó alakváltozást követően ridegen törik. Erre a jelenségre, hogy az acéloknál bizonyos körülmények között nem ad elegendő biztonságot a hagyományos méretezés, katasztrófák hívták fel a figyelmet. | |||
Ridegtörési esetek | |||
Hidak | |||
| |||
Tartályok | |||
| |||
Hajók | |||
| |||
| |||
![]() | ![]() A felsorolt esetek mindegyike azzal jellemezhető, hogy a szerkezetek terhelése meg sem közelítette a tervezésnél számításba vettet. |
![]() | Mitől függ az ütőmunka? | ||
A bemetszés alakja | |||
Az ütőmunkát V alakú bemetszéssel ellátott próbatesten KV-vel illetve U alakú bemetszéssel ellátott próbatesten KU-val jelöljük. | |||
KV < KU, illetve KCV < KCU | |||
A hőmérséklet | |||
A hőmérséklet függvényében felvett ütőmunka görbék lehetővé teszik a szívós és a rideg állapot közötti átmenet hőmérsékletének kijelölését. | |||
| |||
Az átmenet kritériuma megállapodás szerint lehet a görbe inflexiós pontja, adott ütőmunka érték pl. KV = 27J, vagy KU = 40 J de lehet a töret felületének ridegen és szívósan tört része közötti százalék is. Az átmeneti hőmérséklet jele: TTKV illetve TTKU. | |||
A V alakú bemetszéssel ellátott próbákon meghatározott TTKV átmeneti hőmérséklet nagyobb, tehát látható, hogy az "élesebb" bemetszés az anyag viselkedését a rideg irányba tolja. | |||
Az átmeneti hőmérséklet az anyagok összehasonlítására, ridegtörési érzékenységük rangsorolására alkalmas egyszerű vizsgálat. | |||
![]() | ![]() Az átmeneti hőmérséklet jelölése az angol transition temperature alapján történik. | ||
| |||
![]() | Törésmechanika | ||
| |||
Fajlagos törési szívósság KIc | |||
A gyors, instabil kritikus repedés terjedéshez (eredménye a rideg törés) tartozó feszültségintenzitási tényező, amikor a terhelés merőleges a repedés felületére | |||
KIc; | |||
Ebben az esetben valósul meg ideálisan a hasadásos törés. | |||
ahol a bal oldal a a feszültségintenzitási tényező kritikus értéke, amely a terhelő feszültséget () és a repedés méretet (a kritikus értéke ac), tehát a külső körülményeket, a jobb oldal a pedig az anyag jellemzőket tartalmazza. Az egyenlet a törésmechanika alapegyenletének tekinthető.Amikor a repedés megindul: | ||||
A KIC anyagjellemző, fajlagos törési szívósság, kísérletekkel meghatározható | ||||
| ||||
![]() | ![]() Az ábrán megfigyelhető, hogy a fémek szívósak (nagy a törési szívósságuk), a kerámiák viszont ridegek. A szerves anyagok között a műanyagok egy része szívós, más része rideg. | |||
A törésmechanika alkalmazásánál három feladatcsoportot különböztethetünk meg. Ezek: | ||||
![]() | A törési biztonság megítélése a LRTM alapján | |||
A szerkezetre ható igénybevétel alapján meghatározható a szerkezetre érvényes feszültségintenzitás a Kszerk. (A szerkezetben meghatározott hibákat ellipszissel vagy fél ellipszissel helyettesítjük.) Ezt kell egybevetnünk a feszültségintenzitási tényező kritikus értékével. | ||||
Ennek alapján | ||||
| ||||
![]() | A törésmechanika alkalmazása | |||
| ||||
A törésmechanika alkalmazása egy háromszöggel jellemezhető, ahol a csúcsokon | ||||
| ||||
![]() | ![]() A méretezés, ellenőrzés során úgy kell eljárni, hogy figyelembe kell venni, hogy az igénybevételnek megfelelő állapotú anyagot válasszunk, megfelelő módszerekkel ellenőrizni tudjuk, hogy abban mekkora hibák vannak. A megmunkálási technológiák során keletkező hibák meghatározása (roncsolásmentes vizsgálatokkal) megszabja adott anyag esetében a megengedhető terhelést stb. | |||
![]() | A hibaméret és az előfordulás, a kimutathatóság gyakoriságának kapcsolata | |||
| ||||
Az anyagban lévő hibák általában roncsolásmentes módszerekkel mutathatók ki. Meg kell azonban jegyezni, hogy a tényezők között figyelembe kell venni a valószínűséget is. A módszerek mindegyikénél lesznek olyan hibák, amelyek nem mutathatók ki. | ||||
![]() | ![]() Figyelje meg, hogy az ábra a hibanagyság függvényében mutatja a vizsgálattal kimutatott hibák előfordulásának gyakoriságát. Az ábrából következik, hogy kis hiba bizonyára marad még ha az összes kimutatott hibát ki is javítják. A hibák mérete egy anyagban nem állandó, azok lassú repedésterjedéssel (pl. kifáradás, korrózió) növekedhetnek, az anyag állapota is változhat pl. besugárzás hatására, így adott esetben elérhetjük a kritikus repedésterjedéshez tartozó hibaméretet. |
Ellenőrző kérdések | |||||||||
1. Milyen töretet lát a képen? ![]()
![]() | |||||||||
2. Mit nevezünk ridegtörésnek?
![]() | |||||||||
3. Mi jellemzi a rideg törést?
![]() | |||||||||
4. Hogyan befolyásolja a hőmérséklet az anyagok szívósságát?
![]() | |||||||||
5. Milyen hatással van a feszültségi állapot az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére?
![]() | |||||||||
6. Milyen anyagtulajdonság határozható meg Charpy ütővizsgálattal?
![]() | |||||||||
7. Mit nevezünk ütőmunkának?
![]() | |||||||||
8. Hogyan befolyásolja a bemetszés alakja az ütőmunkát?
![]() |