KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk
3. lecke: Mechanikai tulajdonságok. Statikus igénybevétel
![]() | Szakító próbatest | |||
A szakítóvizsgálathoz szabvány szerint arányos próbatestet használunk. Az olyan próbatesteket, amelyek geometriailag hasonlóak, - keresztmetszetük és az alakváltozás mérésére kijelölt szakaszuk, a jeltávolságuk között összefüggés van arányos próbatestnek nevezzük. | ||||
A próbatestek lehetnek hengeresek vagy hasáb keresztmetszetűek. | ||||
| ||||
Az ábrán lévő jelölések | ||||
Lo jeltávolság, a megnyúlás mérésére kijelölt szakasz, arányos hengeres próbatest esetében | ||||
Hasáb keresztmetszetű próbatestnél: | ||||
d a hengeres próbatest átmérője [mm] | ||||
| ||||
![]() | Szakító diagram | |||
A szakító vizsgálat során az erőmérő jelét a jeltávolság összes (rugalmas+maradó) megnyúlásának függvényében regisztrálja a gép. Ez a szakítódiagram. | ||||
A függőleges tengelyen az erőt (jele: F) N-ban vagy kN-ban, a vízszintes tengelyen pedig a jeltávolság megnyúlását (jele: L) tüntetjük fel mm-ben. | ||||
| ||||
Figyelje meg az ábrán, hogy a függőleges tengelyen feltüntetett F erő [N vagy kN] jele az erőmérő celláról, a vízszintes tengelyen feltüntetett jeltávolság megnyúlása (jele: L [mm]). | ||||
Megjegyezzük, hogy a régebbi, egyszerűbb szakító gépeknél a nyúlás jelet a keresztfej (mozgó befogó) elmozdulása adja, ami nem egyenlő a próbatest megnyúlásával. Modern, drágább gépeken az útadó a próbatest jeltávolságát méri. |
![]() | Lágyacél szakítódiagramja | |||
A lágyacél karbon tartalma kisebb, mint 0,3%, ötvözőelemeket a karbonon kívül nem tartalmaz. |
| |||
| ||||
Lágyacél szakítódiagramja 1 | ||||
A I. a rugalmas alakváltozás szakasza. | ||||
| ||||
Lásd mechanika | Ezen a szakaszon, ha a terhelést megszüntetjük, a próbatest visszanyeri eredeti méretét, tehát az alakváltozás rugalmas. | |||
Lágyacél szakítódiagramja 2 | ||||
II.a. folyási szakasz. A folyási szakasz az FeH erőnél kezdődik, és azt jelenti, hogy a próbatest valamennyi krisztallitjában megindul a maradó alakváltozás | ||||
| ||||
A lágyacél esetében a rugalmas alakváltozást az erő ingadozása követi. A jelenség az FeH erőnél kezdődik | ||||
Lágyacél szakítódiagramja 3 | ||||
II.b. egyenletes alakváltozás szakasza. | ||||
| ||||
| ||||
Ezen a szakaszon a próbatest egyenletesen alakváltozik, hossza nő, keresztmetszete csökken. A próbatest anyaga a maradó alakváltozás hatására felkeményedik, ezért az alakváltozás növelése csak a terhelés növelésével érhető el. Ez a szakasz az Fm, maximális erőig tart. | ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrán, hogy a próbatest hossza megnőtt, átmérője pedig lecsökkent! |
Lágyacél szakítódiagramja 4 | ||||
III. kontrakciós szakaszban a próbatest alakváltozása egy meghatározott részre korlátozódik. | ||||
| ||||
| ||||
Ezen a szakaszon a próbatest már csak egy korlátozott részen nyúlik, befűződik, idegen szóval kontrahál. A próbatest által felvett erő - mivel már nem mindenkeresztmetszet csökken - csökken és az Fu erőnél a próbatest elszakad. | ||||
| ||||
Az ábrán látható, hogy a próbatest "befűződik", feszültségi állapota már nem egytengelyű. (a) A nagymértékű alakváltozás hatására a keresztmetszet közepén mikroüregek és repedések keletkeznek (b), amelyek összefüggő törésfelületté fejlődnek (c), és a próbatest Fu erőnél elszakad. (d). A töretfelület pontosan összeilleszthető és jellegzetes. A töretfelület közepén megfigyelhető egy belső kör alakú töret, amely a mikroüregek és a repedések folytán jött létre, közel merőleges a húzóerőre és szívós jelleget mutat. (a próbatest közepében kialakuló repedés kifelé terjed), míg a külső elnyírt rész közel 45°-os | ||||
![]() | Hengeres lágyacél szakítása | |||
| ||||
![]() | Különböző anyagok szakítódiagramjai | |||
A különböző anyagok szakítódiagramjai természetesen különböznek egymástól. | ||||
| ||||
Az ábrán látható jelölések: | ||||
A diagramnak szinte csak maradó alakváltozási része van, mert az Pb szobahőmérsékleten újrakristályosodik, alakítása "meleg alakítás". Az d, e, g ábrákon bemutatott anyagok képlékenyek, ami azt jelenti, hogy a szakadást mindig nagymértékű maradó alakváltozás előzi meg. | ||||
Rideg anyagok: | ||||
a lemezgrafitos öntöttvas, | ||||
| ||||
Rideg törés | ||||
| ||||
|
Gömbgrafitos öntöttvas | ||||
| ||||
| ||||
| ||||
A diagramon és a fényképen megfigyelhető, hogy a rugalmas alakváltozást minimális maradó alakváltozás követi, majd a próbatest elszakad. | ||||
Szívós anyagok | ||||
| ||||
Jelölések az ábrán: | ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az a. ábrán, hogy a rugalmas alakváltozás egyenese után az erő nem ingadozik, nincs egyértelmű határpont a rugalmas és a maradó alakváltozás kezdete között. Az ábrán a határpontot Fp0,2-vel jelöltük. Magyarázata később! | |||
Hidegen alakított fémek | ||||
19. ábra hidegen erősen alakított, tehát felkeményedett fém. A felkeményedett anyagok, rugalmas alakváltozást követő igen rövid egyenletes alakváltozás után kontrahálnak. | ||||
| ||||
Képlékeny fémek | ||||
A 20. ábrán nem keményedő, képlékeny fém pl. ólom (Pb) szakítódiagramja van. A diagramnak szinte csak maradó alakváltozási része van. | ||||
| ||||
A nem keményedő fémek minimális rugalmas alakváltozás után jelentős maradó alakváltozást szenvednek. Az erő a kontrakció következtében csaknem nullára csökken a szakítás során. Ilyen az ólom, de hasonlóan viselkedik az acél 900 °C felett. | ||||
Műanyagok szakítódiagramja | ||||
a) pl. bakelit vagy epoxigyanta b) pl. PA poliamid műanyag fogaskerekek, kötőelemek anyaga c) pl. PE polietilén, fóliák anyga | a) rideg anyag pl. hőre nem lágyuló műanyagok | |||
|
![]() | A szakítóvizsgálattal meghatározható anyagjellemzők | |||
A szakító vizsgálat során mért erő és alakváltozás értékekből az un. mérnöki rendszer szerint határozunk meg mérőszámokat. A mérnöki rendszerben, az erő és alakváltozás értékeket az eredeti, kiinduló értékekhez viszonyítjuk. | ||||
| ||||
Mérnöki rendszer | ||||
feszültség: | ||||
F az erő [N] | ||||
![]() | Szilárdsági anyagjellemzők | |||
Rugalmassági modulusz | ||||
| ||||
A rugalmassági vagy Young modulusz a rugalmas szakasz meredeksége. | ||||
A rugalmassági modulusz a rugalmas alakváltozási egyenes meredeksége. Mértékegysége: N/mm2 | ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrán, hogy a fémek és a kerámiák rugalmassági modulusza nagy, míg a polimereké lényegesen kisebb. A legnagyobb E értéke a C-C kovalens kötéssel kötött gyémántnak van. |
Folyáshatár | |||
A rugalmas alakváltozást a lágyacél esetében az erő ingadozása követi. A jelenség az FeH erőnél kezdődik. Ettől a ponttól a próbatest a terhelés megszüntetése után már nem nyeri vissza eredeti méretét. Ebből az erőből számolható feszültség a folyáshatár. A folyáshatár nagyon fontos, ez a statikus méretezés alapja. (Ebből számoljuk ki a biztonsági tényező figyelembevételével a megengedhető feszültséget lásd. Gépelemek) | |||
A folyáshatár a maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültség | |||
A folyáshatár valódi feszültség, fizikai tartalommal ellátott, azt jelenti, hogy ennél a feszültségnél a próbatest minden krisztallitjában megindul a képlékeny alakváltozás. | |||
| |||
Mi a teendő, ha nem jelenik meg egyértelműen a folyáshatár? | |||
A legtöbb anyag esetében a maradó alakváltozás kezdetét jelentő folyáshatár nem határozható meg közvetlenül a szakítódiagramból. Lásd a 13. ábrát. | |||
A maradó alakváltozás kezdetét jelentő feszültséget azonban abban az esetben is meg kell tudni határozni, ha nem mutatkozik határozott folyáshatár. Ilyen esetekben megállapodás szerinti nagyságú maradó alakváltozáshoz tartozó egyezményes értéket határozunk. | |||
Ezek szabvány szerint lehetnek a | |||
| |||
Névleges folyáshatár | |||
Névleges folyáshatár, azaz a 0,5% teljes (rugalmas + maradó ) alakváltozáshoz tartozó feszültség Mértékegysége:[N/mm2] | |||
| |||
Abból a terhelő erőből számolható (Ft0,5) feszültség, amelynek hatására a próbatest teljes (rugalmas + maradó) nyúlása: | |||
Lt a próbatest jeltávolságának megnyúlása 0,5% alakváltozás esetén [mm] | |||
Az összefüggésből kiszámoljuk a Lt értékét, ezt a szakítódiagramba visszarajzolva függőlegesen felvetítve megkapjuk az Ft értékét. Ennek ismeretében a névleges folyáshatár számolható. |
Egyezményes folyáshatár | ||
| ||
Az egyezményes folyáshatár a 0,2% maradó alakváltozást okozó feszültség. Meghatározható terhelt(Rp0,2) vagy terheletlen(Rr0,2) állapotban, de csak abban az esetben, ha a nyúlást a próbatestre szerelt nyúlásmérővel, esetleg érintésmentes nyúlásmérővel (pl. video extenzométer, lézer extenzométer) mérjük. | ||
A terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár meghatározásakor a terhelést fokozatosan adjuk a próbatestre és minden fokozat ráadása után mérjük a L értékét. Az összetartozó értékeket ábrázoljuk (lásd 27. ábra a.) A | ||
összefüggésből kiszámoljuk a 0,2% alakváltozáshoz tartozó Lm értéket. Ezt belerajzolva a az diagramba a rugalmas szakasszal párhuzamost húzva megkapjuk az Fp0,2 erő értékét. | ||
A terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár | ||
A terheletlen állapotban mért egyezményes folyáshatár értékének meghatározása hasonlóképpen történik, csak a nyúlást a terhelés ráadása, majd levétele után mérjük. A terhelés levételekor a rugalmas alakváltozás megszűnik! | ||
Figyelje meg a 27. b. ábrán, hogy a Lm értékétől függőleges vonalat húzunk, mert itt csak a maradó alakváltozás van ábrázolva! | ||
A terheletlen állapotban mért egyezményes folyáshatár | ||
Szakítószilárdság | ||||
A szakítószilárdság az anyagban ténylegesen fellépő feszültségnél kisebb, mert a próbatest az egyenletes alakváltozás szakaszában jelentősen megnyúlt, ezért a keresztmetszete lecsökkent. | A szakítószilárdság a vizsgálat során mért legnagyobb terhelő erő és az eredeti keresztmetszet hányadosa: | |||
Mértékegysége: N/mm2 | ||||
| ||||
PTFE = politetrafluoretilen, azaz teflon PMMA = polimetilmetakrilát azaz plexi PC = polikarbonát PS = polisztirol PP = polipropilén GFK = üvegszál-erősítésű műanyagok CFK = szénszál-erősítésű műanyagok PFK = polimerszál-erősítésű műanyagok |
| |||
![]() | Képlékenységi jellemzők vagy alakváltozási mérőszámok | |||
A próbatest a szakító vizsgálat során megnyúlik, keresztmetszete lecsökken | ||||
A szakítóvizsgálat során a próbatest alakváltozása rugalmas és maradó alakváltozásból áll. A rugalmas alakváltozás a terhelés megszüntetése után azonnal megszűnik. Az elszakadás után összeillesztett próbatesten a jeltávolság szakadáshoz tartozó értéke Lu és a szakadási átmérő du mérhető. | ||||
| ||||
| ||||
A próbatest alakváltozásából az alakváltozási vagy képlékenységi anyagjellemzők határozhatók meg. | ||||
A szabványos alakváltozási mérőszámok, a mérnöki rendszer szerinti nyúlásnak | ||||
| ||||
Alakváltozási mérőszámok | ||||
| ||||
Lo a próbatest eredeti jeltávolsága [mm] | ||||
| ||||
| ||||
So a próbatest eredeti keresztmetszete vagy hasáb próbatest esetében S0=a*b | ||||
A körszelvényű próbatest szakítása után a legkisebb szelvényben, két egymásra merőleges átmérőt kell mérni, és ezek átlagából kell a kontrahált keresztmetszetet (Su) meghatározni. | ||||
|
Szabványos mérőszámok | |||
| |||
A szakítóvizsgálat során kapott eredményeket befolyásolják | |||
- a próbatest alakja a hengerestől való eltérés befolyásolja a szilárdsági értékeket, mert más lesz a feszültség eloszlás (lásd mechanika) - a terhelés növelésének sebessége, befolyásolja a folyáshatárt, növelésével a folyáshatár nő, ami a biztonságot csökkenti - a hőmérséklet, befolyásolja a folyáshatárt - A szabványok a vizsgálati körülményeket pontosan rögzítik, ezért a betartásuk fontos. Ha a szabványok szerint végezzük a vizsgálatot korrekt eredményeket kapunk. |
| ||
![]() | Korszerű szakítógép | ||
|
Ellenőrző kérdések | |||||||||
Jelölje be az egy helyes választ! | |||||||||
1. Mit mérünk szakítóvizsgálat során?
![]() | |||||||||
2. Mi olvasható le a szakító diagramról?
![]() | |||||||||
3. Mi a folyáshatár?
![]() | |||||||||
4. Milyen erőből számolható ki a szakító szilárdság?
![]() | |||||||||
5. Melyek az anyag terhelhetőségét jelző szabványos mérőszámok?
![]() | |||||||||
6. Az ábrán látható szakítódiagram alapján adja meg az anyag jellemző viselkedését! A megadott válaszok közül válassza ki a megfelelőt jelölő betűt és írja be a megfelelő helyre!
![]() | |||||||||
7. Az ábrán látható diagramok alapján írja be a megfelelő betűt az adott anyag mellé!
![]() | |||||||||
8. Az alábbi atatok ismeretében határozza meg a szabványos anyagjellemzőket lágyacél szakítóvizsgálata alapján és jelölje be a helyes megoldást! do = 10 mm Lo = 50 mm FeH = 21 kN Fm = 34 kN du = 5,6 mm Lu = 68 mm
![]() |