KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

6. lecke: Az anyagok viselkedése dinamikus terhelés hatására

  • Szívós, képlékeny, rideg anyagviselkedés
  • Mitől függ az anyagok dinamikus igénybevétellel szembeni viselkedése
  • Az állapottényezők hatása
  • A szívósság fogalma. Charpy vizsgálat.
  • A törésmechanika lényege, alkalmazása

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • kiválasztani a szívós, képlékeny és rideg anyagok tulajdonságait
  • képek alapján kiválasztani a szívós, a rideg és a képlékeny anyag töretét
  • definiálni és jellemezni a ridegtörést
  • kiválasztani a ridegtörésre hajlamos anyagokat
  • felsorolni a legfontosabb állapottényezőket
  • felsorolni a hőmérséklet hatására kialakuló változásokat
  • meghatározni a Charpy-féle ütővizsgálat célját
  • definiálni az ütőmunka fogalmát
  • felsorolni az ütőmunkát befolyásoló tényezőket
  • kiválasztani az ütőmunkát leíró összefüggést
  • értelmezni a bemetszés alakja és az ütőmunka nagysága közötti kapcsolatot
  • definiálni a törésmechanika lényegét
Az anyag viselkedése dinamikus terhelés hatására A szívósság vizsgálata

Az anyagok lehetnek:

  • szívósak (pl. alumínium, kis széntartalmú acélok stb.),
  • képlékenyek (pl. ólom, arany) és
  • ridegek (pl. üveg, porcelán stb.).
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.

Lásd. Az 1. Modul 2-es lecke.

1. ábra. Szívósan tört felület

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.

2. ábra. Ridegen tört felületek

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

  • repedés keletkezéséből
  • a repedés terjedéséből, majd
  • az anyag végső szétválásából áll.

A repedésterjedés lehet:

  • lassú, ilyen a terhelés növelése mellett bekövetkező szívós törés illetve kúszás és kifáradás, vagy
  • gyors, instabil, ami maradó alakváltozás nélküli rideg töréshez vezet

Mitől függ egy anyag töréssel szembeni viselkedése?

  • függ magától az anyagtól,
    • annak állapotától (összetétel, mikroszerkezet),
  • de jelentős mértékben függ az ún. állapottényezőktől,
    • a hőmérséklettől,
    • a feszültségállapot jellegétől és
    • az igénybevétel sebességétől
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.
Ezek terhelés során alakváltozásra hajlamosak és még nagy méretű hibák mellett is szívósan viselkednek.
Megjegyzés: Vannak olyan anyagok, mint pl. az acélok, amelyek általában szívósak, de bizonyos körülmények között ridegen törhetnek.

Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére

A hőmérséklet csökkenése a rideg törést segíti elő, mert akadályozza a képlékeny alakváltozást.

3. ábra. A hőmérséklet hatása

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

  • három tengelyű nyomás elősegíti a képlékeny alakváltozást.
  • a három tengelyű húzás, minden anyag esetében rideg törést eredményez. Ugyancsak a rideg törést segíti elő a többtengelyű feszültségi állapot, a bemetszések, a belső anyaghibák.

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

  • pl. 1923 Kína vasúti híd
  • 1938 Németország új autópálya híd
  • 1930-40 Belgium hegesztett híd 50 db 25 mm széles 2 m hosszú repedés
  • 1951 Kanada 4 db 50 m-es nyílás a folyóba szakadt
  • Lánchíd a saját súlyuk alatt leszakadtak az elemek

Tartályok

  • 1919 Boston melaszos tartály
  • 1944 USA -162 C°-os földgáz tartály
  • 1944 New York 20 m átmérőjű H2 tartály 20 darabra
  • 1950 Répcelak

Hajók

  • 1946-ig 4694 hajóból minden 5.
  • Liberty 1100 darabból 400 sérült, 16 db kettétört

A felsorolt esetek mindegyike azzal jellemezhető, hogy a szerkezetek terhelése meg sem közelítette a tervezésnél számításba vettet.
Figyelje meg a hajóról készült felvételen, hogy az nyugodt vízen, kikötőben áll.

A katasztrófák, törési káresetek elemzése alapján megállapították, hogy az összes esetben közös volt, hogy:

  • a nagyméretű szerkezetek előzetes alakváltozás nélkül törtek,
  • a terhelés jóval a megengedett terhelés alatt volt,
  • a repedés nagysebességgel terjedt,
  • a katasztrófák minden esetben hidegben következtek be,
  • az anyagok a hagyományos vizsgálatoknak (ReH, Rm, A, Z, HB) megfeleltek.

A megfigyelésekből leszűrhető volt, hogy a nagy méretű, hidegben üzemelő, dinamikusan igénybevett szerkezetek esetében a hagyományos méretezés nem nyújt elegendő biztonságot.

A ridegtöréssel szembeni ellenállás vizsgálata
  • A rideg töréssel szembeni biztonság vizsgálata, tehát azt jelenti, hogy meghatározzuk, hogy adott anyag és szerkezet, milyen feltételek esetén fog szívósan illetve ridegen viselkedni.
  • A probléma több oldalról is megközelíthető.
    • a szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján,
    • törésmechanika.
A szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján

Charpy féle ütővizsgálat

Az ütve hajlító vizsgálat (MSZ EN 10045-1) célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. A dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás a szívósság.

4. ábra. Charpy féle ütővizsgálat
videó
1776 kByte
videó
1376 kByte
videó
1592 kByte

A vizsgálat lényege, hogy a bemetszett próbatestet a bemetszéssel átellenes oldalról egyetlen dinamikus, ütésszerű terheléssel eltörjük és meghatározzuk az ütésre fordított energiát. Az anyag szívóssága a törésre felhasznált energiával jellemezhető. A kísérlet során a próbatestben elnyelt munka az ütőmunka.

A próbatest 10x10x55 mm méretű és 2 mm mély V (vagy U alakú) bemetszéssel van ellátva.

5. ábra. A Charpy vizsgálatra használt próbatestek
6. ábra. Az ütőmunka meghatározása

Az inga kiindulási helyzetében Grho helyzeti energiával rendelkezik. Az alsó holtpontjában elhelyezett próbatest eltörése után tovább lendülő inga helyzeti energiája Grh1.

K = G r ( h o h 1 ) [ J ]

Megjegyzés: Korábban meghatározták a fajlagos ütőmunkát, amely:

az ütőmunka és a próbatest eredeti keresztmetszetének hányadosa a bemetszés helyén J/cm2-ben. KCV = KV S o [J/cm2] illetve KVU = KU S o [J/cm2], ahol
KV és KU az ütőmunka [J],
So a próbatest keresztmetszetének területe a bemetszés helyén

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.

7. ábra. Az átmeneti hőmérséklet meghatározása a KV, ill. KU - T görbe inflexiós pontja alapján

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.

8. ábra. Különböző anyagok ütőmunkája a hőmérséklet függvényében
Törésmechanika
  • A törésmechnika feltételezi, hogy a gyakorlatban előforduló anyagok minden esetben tartalmaznak hibákat és azt vizsgálja, hogy milyen feltételek esetén kezdenek el ezek a hibák instabil vagy katasztrofális módon terjedni.
    A megválaszolandó kérdés tehát az, hogy
    • adott feszültségi állapotban mekkora lehet a hiba,
    • adott hiba, milyen feszültségi állapotban kezd el instabilan terjedni.
  • A vizsgálatokkal olyan, méretezésre is alkalmas anyagjellemzőket (KIC és COD, GIc) határozhatunk meg, amelyek a külső terhelés és a szerkezetben megengedhető hibaméret között állítanak fel összefüggést, és alkalmasak annak eldöntésére, hogy adott anyagból, adott hibamérettel rendelkező szerkezet adott terhelés mellett ridegen törik-e.

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.

σ π a c = G c E

ahol a bal oldal a σ π a c = K c a feszültségintenzitási tényező kritikus értéke, amely a terhelő feszültséget ( σ ) és a repedés méretet (a kritikus értéke ac), tehát a külső körülményeket, a jobb oldal a G c E pedig az anyag jellemzőket tartalmazza. Az egyenlet a törésmechanika alapegyenletének tekinthető.Amikor a repedés megindul:

K I c = π a c = G c E

A KIC anyagjellemző, fajlagos törési szívósság, kísérletekkel meghatározható

9. ábra. Különböző anyagok törési szívóssága

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.

K szerk K IC

Ennek alapján

  • vagy a kritikus feszültséget
  • vagy a kritikus repedéshosszúságot keressük
A törésmechanika alkalmazása
10. ábra. A törésmechanika alkalmazása. Megbízhatósági koncepció

A törésmechanika alkalmazása egy háromszöggel jellemezhető, ahol a csúcsokon

  • a hibák mérete, eloszlása
  • az igénybevételi állapot
  • az anyag állapotát jellemző törésmechanikai mérőszámok találhatók.

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
11. ábra. Az anyagokban lévő hibák mérete és előfordulásuk és kimutathatóságuk 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?



Szívós
Rideg
Fáradt
Hasadásos
2. Mit nevezünk ridegtörésnek?
képlékeny alakváltozás nélkül bekövetkező, lassú károsodást
képlékeny alakváltozás nélkül bekövetkező, stabil repedés terjedést
előzetes képlékeny alakváltozás nélkül bekövetkező instabil repedés terjedést
ismételt igénybevétel hatására kialakuló kagylós törést
3. Mi jellemzi a rideg törést?
a törést elhanyagolható mértékű képlékeny alakváltozás előzi meg, a töret szemcsés vagy hasadásos
túlterhelés hatására jön létre
a törés túlterheléshatására jön létre, a töret felülete szakadozott, "tésztaszerű"
a törést nem előzi meg képlékeny alakváltozás, a töret szakadozott "tésztaszerű"
4. Hogyan befolyásolja a hőmérséklet az anyagok szívósságát?
A hőmérséklet növelésével csökken
A hőmérséklet csökkenése csak a térközepes köbös fémek esetében eredményezi a szívósság csökkenését
A hőmérséklet csökkentése minden anyag esetében csökkenti a szívósságot
A lapközepes köbös fémek esetében a hőmérséklet nem befolyásolja a dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállást
5. Milyen hatással van a feszültségi állapot az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére?
A háromtengelyű húzás elősegíti a térközepes fémek a ridegtörését
A háromtengelyű húzás csökkenti az alakváltozó képességet
A háromtengelyű nyomás csökkenti az alakváltozó képességet
A háromtengelyű nyomás csökkenti a lapközepes köbös fémek alakváltozó képességét
6. Milyen anyagtulajdonság határozható meg Charpy ütővizsgálattal?
Ridegség
Képlékenység
Terhelhetőség
Szívósság
7. Mit nevezünk ütőmunkának?
K= Gr(h1-ho) [J]
K= Gr(ho-h1) [J]
K= Gr(ho-h1) [J/cm2]
K= Gr(h1-ho) [J/cm2]
8. Hogyan befolyásolja a bemetszés alakja az ütőmunkát?
KV>KU
KU<KV
KU=KV
KU>KV