Előadás 06 Mechanikai tulajdonságok

A szerkezeti anyagok mechanikai

tulajdonságai

Kalmár Emília ÓE Kandó MTI

Szerkezeti anyagok igénybevételei

Az elemzés szükséges:

• A szerkezeti anyagok tulajdonságainak meghatározásához,

• A károsodási folyamatok megértéséhez,

• Ahhoz, hogy a megfelelő szerkezeti anyagot választhassuk ki az eszköz működési

funkciójához.

A szerkezeti anyagok funkció által meghatározott igénybevételei:

• Térfogatra ható igénybevételek:

- mechanikai igénybevételek, - termikus igénybevételek, - sugárfizikai igénybevételek,

• Felületre ható igénybevételek:

- sugárfizikai igénybevételek (felületre hatók is), - kémiai igénybevételek,

- biológiai igénybevételek, - tribológiai igénybevételek.

Térfogatra ható mechanikai igénybevételek:

• Húzás-nyomás,

• Nyírás, eltolás,csúszás,

• Hajlítás,

• Csavarás, torzió,

• Hidrosztatikai nyomás.

Húzás-nyomás:

0 0

d k d

l l A

F A

F

ny h

 



 













kontrakció nyúlás l₀

d₀

Δl/2

Nyírás, eltolás, csúszás:

A

 F



Nyíró

feszültség



 tg

l

w 



0

Nyíró alakváltozás F

w

υ

Hajlítás:

4

0 max

M  Fl

Hajlító nyomaték:

l

u  h

Behajlás:

F/2 F/2

F

h

MEMS kapcsoló poliszilíciumból ~ 5 μs

(Micro-Electro-Mechanical System)

Csavarás, torzió:

l

Fr M

  

Forgató



nyomaték Torzió F

F

φ

Törési felület:

A pont: a törés kiindulópontja – körülötte fáradási zónák,

jobbra a torziós törés befejező szakasza

Torziós mező

szemléltetése tenzorokkal

Hidrosztatikai nyomás:

A nyomás minden oldalról „p”

V

K   V

Kompresszió

A szerkezeti anyagokra ható

igénybevételek időbeli lefolyása

Igénybevételek:

• Állandó:

- statikus, - kúszási,

• Periódikusan változó (lengő),

• Sztochasztikusan változó.

Az igénybevételek szinte mindig egymásra

szuperponálódva, komplexen hatnak.

Statikus, tartós igénybevétel:

Minden bekapcsolás, ill.

az ellentettje a kikapcsolás,

feszültségmentesítés.

Valóságban a jel erre a jelre, mely a készülék sajátja, szuperponálva jelenik meg.

ig.v.

t 1(t)

Erőteljes, rövid ideig tartó igénybevétel:

Rövid ideig tartó nagy

energia közlést jelent:

pl.: ha leesik a készülék vagy hozzácsapódik valami.

δ(t)

Valós

igénybevétel t ig.v.

Periódikusan változó, lengő vagy lüktető igénybevétel:

Az állandó amplitúdójú lengőterhelés

valamilyen állandó előterhelésre

szuperponálva jelenik

meg.

Sztochasztikusan változó igénybevétel:

A véletlenszerűen változó igénybevétel állandó vagy változó előterhelésre ültetve hathat.

ig.v.

t

A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai

Jellemző paraméterek:

Adott erő vagy feszültség hatására a vizsgált

szerkezeti anyag (mechanikai igénybevételre

terhelt anyagok) milyen alakváltozást szenved

ill. milyen terhelés hatására törik el.

A szerkezeti anyagok alakváltozásai lehetnek:

• Reverzibilis: a terhelés megszűnik – az alakváltozás is megszűnik

időben: rugalmas – azonnali, egyidejű,

viszkorugalmas – időben elhúzódó,

• Irreverzbilis: a terhelés megszűnik – maradó alakváltozás (képlékeny viselkedés) időben: plasztikusság,

viszkoplasztikusság,

• Törés: A szerkezeti anyag szétválása,

folytonosságának megszakadása a repedések makroszkopikus tartományban való terjedése következtében. (rideg viselkedés)

A szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai állapotfüggőek.

Állapotváltozók:

• Hőmérséklet,

• Feszültségi állapot,

• Alakváltozás sebessége.

Rugalmasság:

Lineárisan rugalmas:

• Húzás: Hook-törv.

σ = εE,

• Nyírás:

τ = γG

• Hidrosztatikai nyomás:

β

= kK

esetén minden szilárdtest rugalmas.

σ

ε

A görbe alatti terület a befektetett alakítási energia – veszteség nélkül visszanyerhető!

A rugalmassági állandók a kristályt felépítő atomok/ionok között ható erőkre jellemzők → A köbös kristályú

fémekben a rugalmassági állandók függetlenek az iránytól (izotróp), az alacsonyabb szimmetriájú kristályokban az anyagállandók tenzorok

Az anyag olvadáspontja és a rugalmassági állandók

között arányosság,

eredete a vonzó és taszító erők természetében.

A rugalmassági állandó a hőmérséklet

növekedésével csökken.

emlékeztető

Nem-lineárisan rugalmas:

Rugalmatlan:

Rugalmatlan hiszterézis:

nyúlásgörbék a terheléskor és a terhelés megszűnte után

nem esnek egybe. pl.:

vibrációs csillapításnál előnyös.

Energiabevitel–veszteség A terhelés megszűnte után

az alakváltozási energia teljes mértékben

felszabadul. pl.:gumi (kb.500% nyúlásig!

Viszkorugalmasság:

A viszkorugalmasság (viszkoelaszticitás) időtől függő, reverzibilis alakváltozás.

Fogalom összevonás:

- viszkózus viselkedés:

nyúlás lineárisan függ az időtől – irreverzibilis folyamat,

- rugalmas (elasztikus) viselkedés:

lineáris összefüggés van a feszültség és a nyúlás között.

Jellemzői:

E_r= relaxációs modulus, a viszkorugalmas alakváltozással szembeni ellenállás mértéke,

Τ = relaxációs idő, relaxációs alakváltozás sebességének mértéke.

Szilárdság és alakváltozás

Szilárdság: a szerkezeti anyag vagy szerkezeti elem töréssel szemben támasztott ellenálló képessége.

Függ:

• szerkezeti anyag (kémiai jellemzők, kötések, mikroszövet),

• szerkezeti elem geometriája (alak, érdesség, bemetszések),

• igénybevétel jellege,

• igénybevétel – idő függvény,

• hőmérséklet,

• környezeti feltételek (pl.: korróziós közeg).

Mechanikai-technológiai vizsgáló módszerekkel határozható meg.

Szakítóvizsgálat Az S₀ kiinduló

keresztmetszetű és L₀ kezdeti hosszúságú

próbatestet egytengelyű húzó igénybevétellel

adott sebesség mellett addig nyújtunk, míg be nem következik a

szakadás. A vizsgálat során mérjük a terhelés változását a darab

nyúlásának a függvényében.

Szakítódiagram

σ_eL…alsó folyáshatár σ_eH…felső folyáshatár σ_m….szakítószilárdság









I II III



Δ ε σ

I Rugalmas alakváltozás: a terhelés megszűnése után a darab visszanyeri eredeti alakját.

II Egyenletes alakváltozás: a képlékeny deformáció a

mérőhossz minden egyes pontján azonos. A terhelés megszűnése után az

egyenletes nyúlás

egyenesével párhuzamosan tér vissza a 0 terhelésre, van visszamaradó deformáció

(Δε).

III Kontrakció: a képlékeny deformáció egy szűk

tartományra korlátozódik.

A képlékenység vagy a ridegség nem csak az anyag, hanem annak állapotának a jellemzője.

A mérésből meghatározhatóak még a következő mutatószámok^:

0 0

0 l

l l

l

l _u

t

 

 



ε_t…teljes törési nyúlás,

l_u…törés utáni próbatest hossz, l₀...próbatest eredeti hossza.

A

Z   A

Z…kontrakció,

ΔA…legnagyobb keresztmetszet változás, A₀…kiinduló keresztmetszet.

Ezekből a viszonyszámokból számolható vagy becsülhető:

• a szerkezeti elem méretezése,

• konstrukció terhelhetősége,

• a szerkezeti anyag képlékenységének megítélése az alakítás alatt.

Kúszás: Az állandó, tartós terhelés alatt jelentkező, a „t” időtől és a „T” hőmérséklettől függő

alakváltozás. Ε =f(σ; t; T)

Okai: A termikusan aktivált folyamatok

(pl.: diszlokációs és kristályhatár mozgások).

Ezek olyan hőmérsékleten lépnek fel, amely függ:

• Szerkezeti anyag fajtájától,

• T_m olvadási hőmérséklettől,

• (T_ü üvegesedési hőmérséklettől).

pl: fémek: T_ü >(0,3 – 0,4)T_m, keramikus anyagok: T_ü >(0,4 – 0,5)T_m

A szerkezeti anyagok kúszása és terhelés

alatti viselkedése

Kúszási görbe:

tartós terhelési görbe, időtől függő ε = f(t) alakváltozás, ha

σ = const.; T = const.

Szakaszai:

I. Átmeneti v. primer kúszás szakasza – kezdeti képlékeny alakváltozás,

II. Állandó v. szekunder kúszás szakasza – dinamikus egyensúly a keményedés és a szilárdság csökkenés között,

III. Gyorsuló v. tercier kúszás szakasza – kúszási megnyúlás gyors növekedése, irreverzibilis folyamatok – kúszási

törés

Kúszáshatár:

Az a feszültség, amely adott hőmérsékleten (T) végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb maradó alakváltozást

(σ

).

Időtartam-szilárdság:

Az a feszültség, amely t idő alatt adott ε

maradó alakváltozást hoz létre.

A szerkezeti anyagok kúszási folyamatairól:

A szerkezeti anyagok kúszása feszültség- relaxációval van összefüggésben, azaz valamely konstrukcióba előfeszítéssel bevitt feszültségek az anyag képlékeny megnyúlása nyomán idővel csökkennek.

Emiatt pl. a fémszerkezetek csavarkötéseit 0,3T

feletti üzemi hőmérsékleten

rendszeresen meg kell húzni!

A kúszás „hatása” turbinalapáton – a lapát tönkremenetele

Kifáradás: A szerkezeti anyag változó ill. lengő igénybevétel mellett bekövetkező

tönkremenetele .

• Mikroszkópikusan: Az ide-oda csúszkáló diszlokációs vonalak csúszási sávokká történő felhalmozódásából tevődik össze.

• Makroszkópikusan: Keményedés formájában jelentkezik. A próbatest felületén nyíródási

jelenségek, repedések kiindulása lehet. A kiinduló keresztmetszet lecsökken – erőszakos szakadás lép fel.

Kifáradás és kifáradási határ

A szerkezeti anyag kifáradásának okai lehetnek:

• A hirtelen ébredő túlterhelés,

• A terhelő feszültség gyakori és nagy ingadozása,

• Az ismételt igénybevételek túl nagy száma,

• Feszültség koncentrációs helyek jelenléte,

• Hőmérséklet ingadozása,

• Korrózió,

• Az anyag belső feszültségeinek nagysága és eloszlása,

• Az anyag szerkezete,

• Többtengelyű feszültségi állapot.

Wöhler-görbe:

Kísérleti úton határozzák meg.

0,2 < σ _w /σ _F<1,2 ahol σ _w =kifáradási határ, σ _F=folyási határ.

A görbe acélra vonatkozik, tartós szilárdsággal rendelkezik:

ha a terhelés ≤ σ _w , akkor N→∞.

De pl.: a Cu, Al esetén a görbe asszimptotája a vízszintes tengely!

1998. június, Németország A baleset oka: a kerék repedése.

Akkor még nem volt törésmechanikai előrejelzés, csak az átmérő csökkenést ellenőrizték.

Boeing 707 Hawaii Oka: anyagfáradás

„csak” 1 áldozat

Anyagkárosodás, anyagvédelem

A szerkezeti anyagokat technikai alkalmazásuk során különböző

hatások érik, melyek működésüket és

élettartamukat

károsan befolyásolják, ezek az

anyagkárosodási folyamatok.

Az anyagkárosodást okozhatják:

• A térfogatra ható igénybevételek:

– mechanikai, – termikus, – sugárfizikai,

• A felületre ható igénybevételek:

– sugárfizikai, – kémiai,

– biológiai, – tribológiai.

Az anyagkárosodások csoportosítása:

• törés,

• öregedés,

• korrózió,

• biológiai anyagkárosodás,

• kopás.

A károsodási ismeretek célja:

• feltárni az anyagkárosodások okait,

• anyagvédelemre módszereket kidolgozni,

• módszerek a károsodás ellensúlyozására,

• módszerek a károsodás megelőzésére.

Törés

A szerkezeti anyag makroszkópikus

megszakadása, amelyet a mechanikai igénybevétel okoz, amennyiben az

túllépi a szilárdtest belsejében

fennálló kötőerőt.

Szívós törés Rideg törés

Törésmechanika

A szerkezeti anyagokban meglévő repedésszerű hibahelyek alakjában jelentkező hibák

jelenlétéből indul ki és

a szerkezeti anyagnak a repedés

tovaterjedésével szemben tanúsított

ellenállását vizsgálja.

Öregedés

• Az idő folyamán valamely anyagban lezajló összes olyan kémiai vagy fizikai folyamat, amelyekhez a szerkezeti anyag

tulajdonságainak (többnyire negatív) megváltozása kapcsolódik.

• Okai lehetnek:

– belső (pl. összetétel változások), – külső (pl.: hőmérsékletváltozás,

sugárzás).

Különböző anyagok különböző öregedési jelenségeket mutatnak:

• Fémek esetében - mechanikai mutatószámok megváltoznak,

• Szervetlen anyagok esetében – bizonyos

anyagok kiválása következtében „kiizzadás”

vagy „kivirágzás”,

• Polimer szerkezeti anyagok esetében – duzzadás, zsugorodás, vetemedés,

diffúzió, repedésképződés elszíneződés,

különösen megfakulás következtében.

Öregedés elleni védelem érhető el:

• Inhibitorokkal – olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciókat késleltetik,

• Stabilizátorokkal – ezek az anyagok a

feldolgozással ill. az öregedéssel okozott tulajdonságváltozásokat csökkentik. Pl.:

hőstabilizátorok, sugárzás elleni védőanyagok.