Törés - att.bme.hu · Forgácsolás: életlen szerszám vagy túl nagy terhelés esetén....

Dr. Krállics György krallics@eik.bme.hu

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16

Törés

2

Az előadás során megismerjük

• az állapottényezők hatását;

• a törések alapvető fajtáit, mechanikai és

fraktográfiai jellemzőit;

• a lineárisan rugalmas, illetve a képlékeny

törésmechanika elméletét;

• a törésmechanikai tervezés koncepcióját.

3

Bevezetés

Törés: az anyagban folytonossági hiány jön létre, amitől

darabokra eshet szét.

Törés folyamata:

• Repedés keletkezése;

• Repedés terjedése és a törés létrejötte.

Képlékeny (szívós) törés: a törést megelőzően jelentős

mértékű képlékeny alakváltozás lép fel.

Ridegtörés: hirtelen bekövetkező jelenség, minimális

képlékeny alakváltozás előzi meg. A kis hőmérséklet,

a bonyolult, húzó feszültségi állapot és a nagy terhelési

sebesség elősegíti a ridegtörés fellépését.

Repedés mindig van az anyagban, legfeljebb nem

tudjuk kimutatni.

Káresetek

• 2700 db Liberty típusú hegesztett hajó gyártása a

második világháború során. 400 db-on törés jelentkezett,

amelyből 90 komolynak számított. 10 hajó kettétörött.

• A hegesztett kötések rossz minőségű (félig-csillapított)

acélból készültek, repedésszerű hibákat tartalmaztak

(anyaghiba).

• A törések feszültséggyűjtő helyekből indultak ki

(konstrukciós hiba).

• Az acélok szívóssága kicsi volt, az utólagos Charpy

vizsgálat ezt mutatta.

4

5

6

Repedés keletkezése az üzemelés során

• Időleges túlterhelés, illetve környezeti tényezők hatása

• Korróziós fáradás

• Feszültségkorrózió

• Hidrogén okozta elridegedés

• Hőmérséklet és mechanikai terhelés együttes hatása,

kúszási repedés

• Hősokk okozta repedés.

Repedések kimutatása:

roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerekkel.

7

Öntészet: pórusok, lunkerek, zárványok, melegrepedések

keletkezhetnek a technológiai paraméterektől függően.

Melegalakítás: az alakváltozási képesség csökken, pl.

szemcsehatármenti kiválásoknál.

Ausztenit szemcsehatár károsodása anizotrop szerkezet

következtében.

Hidegalakítás: az alakváltozó képesség kimerülése miatt.

Hidrogén hatására bekövetkező repedés, pelyhesedés.

Hőkezelés: edzési repedés.

Hegesztés: meleg- és hidegrepedés, relaxációs repedés.

Forgácsolás: életlen szerszám vagy túl nagy terhelés

esetén.

Repedés keletkezése a gyártás során

A szerkezeti anyagaink tönkremenetelének két

szélsőséges típusa a ridegtörés illetve a szívós

(képlékeny) törés. A rideg illetve képlékeny viselkedést az

adott anyagon végzett szakítóvizsgálat is jól szemlélteti

9

Szívós törés I.

Alakváltozás

Feszültség

Jelentős mértékű képlékeny alakváltozás a törés előtt.

10

Szívós törés mechanikai sémája

szakításnál

cossinθ

11

Károsodás:

Acél

töret-

felülete

50 mm

Második fázisú részecskék,

elősegítik üregek keletkezését.

50 mm

Szívós törés II.

kontrakció

üreg

keletkezés

üreg növekedés

és összenövés

felület

elnyírása törés

σ

12

Ridegtörés

– A töretfelület merőleges a húzás tengelyére.

– Kontrakció nem lép fel az alakítás során .

– Nincs makroszkopikus képlékeny alakváltozás.

– A töretfelület átmetszi a szemcséket.

13

A ridegtörés mechanikai sémája

szakításnál

14

Állapottényezők

Az anyag szívós (képlékeny) vagy rideg viselkedése az anyagnak nem tulajdonsága, hanem állapota, és annak szerkezetén kívül az állapottényezők befolyásolják.

Feszültségi állapot

A többtengelyű húzófeszültségek a rideg állapot felé, a többtengelyű nyomófeszültségek a képlékeny állapot felé viszik el az anyag viselkedését.

Hőmérséklet

Növekvő hőmérséklet hatására az anyag képlékenyebben, csökkenő hőmérséklet esetén ridegebben viselkedik.

Igénybevétel sebessége

Növekvő sebesség hatására az anyag ridegebben, csökkenő sebesség esetén képlékenyebben viselkedik.

Feszültségi állapot hatása

A

Fn

Névleges feszültség

Maximális feszültség

knmax

k tK formatényező

maxk

n

Rugalmas megoldás

Diagram αk meghatározására

16

A feszültségi állapot ridegítő hatása

18

1 2 3

eq

k

törési alakváltozás

T=áll. áll.

t

Határgörbe

csavarás szakítás zömítés

2 2 2

1 2 1 3 2 3

1

2eq

19

Bemetszés feszültségkoncentrációs

hatása

maxy

k

név

σnév

2c

ck 21

σnév

σy max

Az alakváltozási sebesség hatása

Acél statikus és dinamikus szakítása

1v

l s

A sebesség növekedése kontrakció mentes

szakadást eredményez (vk)

0

/m

k

d dv d

A hőmérséklet hatása

F

L

F

L

T20=20oC

T<<T20

A hőmérséklet növekedésével az anyag alakváltozó képessége

növekszik, a szilárdsági mérőszámok csökkennek.

A hőmérséklet csökkenésével az alakváltozó képesség csökken

és egy adott hőmérsékleten teljesen kimerül. Ekkor a fajlagos

törési munka zérus lesz. Ezzel párhuzamosan a szilárdsági

mérőszámok nőnek.

A hőmérséklet és a bemetszés

érzékenység együttes vizsgálata

Charpy-féle ütvehajlító vizsgálat

KV [J]

Hőmérséklet

90o C

20o C

-20 oC -70 oC

23

Töretfelületek vizsgálata

Ridegtörés: a törési energia új

felületek képződésére fordítódik,

a törés pedig:

I. Transzkrisztallin, vagy

II. Interkrisztallin lehet.

Szívós törés: a törési energia

képlékeny alakváltozásra és új

felületek képződésére fordítódik.

Üregek keletkezése, növekedése

és összenövése a jellemző.

24

Transzkrisztallin (hasadásos) törés

A repedés a szemcséken keresztül,

meghatározott atomsíkokon terjed.

25

Interkrisztallin törés

A törés a szemcsék között, a szemcsehatárokon történik.

26

Szívós törés

Üregek összenövése Üregek képződése

második fázis körül

A töretfelület gödrös, tompa fényű. A törést a csúsztató-

feszültségek hatására bekövetkező elnyíródás okozza.

27

Ridegtörés diszlokációs értelmezése

101

110 111

2

a

Repedés keletkezésének feltétele: képlékeny alakváltozás.

Képlékeny alakváltozáskor megnő a diszlokációsűrűség,

ami üregeket, repedéseket eredményez.

1112

a

x

y

z

0011112

1112

aaa

Hasadási sík

σ

σ

σ

σ

100 100

t.k.k Cottrell-féle „hasadási” diszlokáció

28

Repedés folyamata

Repedés

megáll Ridegtörés

Szívós

törés

Fáradásos,

kúszási törés

Instabil Stabil Lassú repedés-

terjedés

Repedésterjedés

Repedés megindulása

(statikus v. dinamikus)

Repedést tartalmazó

szerkezeti elem Repedés keletkezése

29

Repedésterjedés fajtái

Stabil repedésterjedés: állandó energiát fogyaszt,

a repedés csúcsa előtt üregek keletkeznek, majd

egyesülnek.

Instabil repedésterjedés: állandó energiafelszaba-

dulás közben megy végbe nagy sebességgel, így

makroszkopikusan ridegtörést okoz.

Fokozatos repedésterjedés: a stabil repedésterjedés

hosszabb időtartamra kiterjedő változata, jellemző a

fáradásos törés, a kúszás és a feszültségkorrózió

okozta törés esetében.

30

Törésmechanikai elméletek

a) b) c) d)

a) Lineáris rugalmas alakváltozás

b) Kis területre korlátozódó

képlékeny alakváltozás

c) Rugalmas–képlékeny

alakváltozás

d) Képlékeny alakváltozás

az egész testben

31

Terhelési módok

I. II. III.

32

A törés energetikai modellje

2

21.) , rugalmassági modulusz, fajlagos rugalmas felületi energia

22.) , Poisson tényező, Griffith elmélet

1

2 1 /3.) , fajlagos képlékeny felületi energia

kkrit k

kkrit

p k p

krit p

EE

a

l repedés hossz

Ev

a

E

a

, Orowan elmélet

24.)

k p

p

krit

E

a

1. Rugalmas test, sík feszültségi állapot, 2. Rugalmas test sík alakváltozási

állapot, 3.- 4. Rugalmas-képlékeny test sík feszültségi állapot

f kw

f k pw

Törési energia

33

Feszültségintenzitási elmélet

1

2

I II III

ij I ij II ij III ijK f K f K fr

Egy általános alakú test belsejében lévő repedés csúcsánál

kialakuló feszültségmező

ahol KI, KII, KIII – feszültségintenzitási tényezők a különböző

terhelési módoknál,

, ,I II III

ij ij ijf f f – dimenziónélküli függvények.

2

Iij ij

Kf

r

I. terhési módra

r

σyy

34

3cos 1 sin sin

2 2 22

3cos 1 sin sin

2 2 22

3cos sin sin

2 2 22

Ixx

Iyy

Ixy

K

r

K

r

K

r

Síkbeli feszültségi állapotban σz=0,

Síkbeli alakváltozási állapotban z x y

Instabil repedésterjedéskor KI = Kc. Ha ez a repedésterjedés

síkbeli alakváltozási állapotban lép fel, akkor KI = KIc, amely

anyagjellemző (törési szivósság). .

Feszültségintenzitási tényező

35

2 4

sec 1 0.025 0.062

,

I

I

a a aK a

W W W

W K a

KI /

a

W=200 mm W=200 mm

Képlékeny zóna meghatározása

36

1

2

3

3 1 3

cos 1 sin2 22

cos 1 sin2 22

0,

,

I

I

K

r

K

r

sík feszültség

sík alakváltozás

2 2

1 2 1 3

2

2 3

1

2eq

eR

repedés

2

2

2

2 2

1 31 cos sin sík feszültségi állapot

4 2

1 31 2 1 cos sin sík alakváltozási állapot

4 2

Ip

e

Ip

e

Kr

R

Kr

R

37

Kis képlékeny tartományú LRTM

A képlékeny zóna síkbeli feszült-

ségállapot esetén:

egyenértékű pa a r

,

2

1

2

Ip

e

Kr

R

Síkbeli alakváltozási állapot

esetén: 2

1

6

Ip

e

Kr

R

A módosított repedéshosszal számolva a rugalmas anyagra

vonatkozó törési elmélet alkalmazható:

σyy

rp

Re

a

aegy.

Képlékeny zóna változása a próbatest

vastagsága mentén

38

repedés

felület

középső tartomány

Feszültségintenzitási tényező

korrekciója

39

2

2

2 2 2

22

1,

6

,

1

6

1

16

II p

e

I p

II

e

I

e

KK Y a r

R

K Y a r

KK Y a

R

K Y aY

R

40

Törésmechanikai méretezés

IcI KK

aY

K Ic

max

Az adott szerkezetben repedés lehetséges ! Azt kell

megakadályozni, hogy a repedés instabilan terjedjen.

Szerkezettől és terheléstől függ Anyagjellemző

IcI KaYK

solve ,

Ic

krit

f a Y a a K

a f a

Törésmechanikai anyagvizsgálat Repedéssel rendelkező szerkezet

vizsgálata

Törési szivósság meghatározás

41

KF

BWY a WQ

Q

0 5.( / )

1 3 5 7 9

2 2 2 2 2

29.61 185.5 65.5 1017 638.9a a a a a

YW W W W W

2

0.2

, ( ),Q

Q Ic

p

Kha a W a B K K

R

2.5, 4acél alumínium

42

A Kc változása a falvastagság

függvényében

síkbeli alakváltozási állapot

síkbeli feszültségi

állapot

KIc

Kc

Kcmax

falvastagság

Törésmechanikai ellenőrzés

43

Adott geometriájú és

terhelésű tartály falában

roncsolás mentes

vizsgálattal megállapították

hogy 2ax2b méretű

elliptikus repedés van.

A mértékadó feszültség:

I IcK Y a K a szerkezet működőképes

Szilárdsági számítással meghatározható a repedés csúcsánál

a feszültség intenzitási tényező.

2

pr

t

Különböző anyagok törési szívósság

értékei

44

0 100 200 300 400 500 600

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Tö

rési szivóssá

g

MP

am

m0.5

Rp0,2

MPa

AlMg

AlMgSi

AlCuMg

AlZnMgCu

Ötvözött nemesíthető acélok Ötvözött acélok

Törési szívósság különböző

szövetszerkezet esetén

45

NiCrMoV ötvözésű nemesíthető acél

Hőmérséklet oC

Rm

Rp0,2 k

Tk1 Tk2

Rideg törés Kvázi-rideg

törés Szívós törés

Szívós töretfelület (Charpy) 50 %

KIc max

Törési tipusok változása a hőmérséklet

függvényében

k

k

2a

Ic kK Y a

T *

47

Fogalmak

• Törés fogalma

• Ridegtörés

• Szívóstörés

• Repedések a gyártás során

• Repedések a szerkezet üzemelése során

• Állapottényezők

• Ridegtörési felületek mikroszkópi jellemzői

• Szívóstörési felületek mikroszkópi jellemzői

• Ridegtörés diszlokációs elmélete

• Stabil repedésterjedés

• Instabil repedésterjedés

• Fokozatos repedésterjedés

• Terhelési esetek

• Feszültség intenzitási elmélet

• A Kc falvastagság függése

• Törési szívósság

• Képlékeny zóna

• Törésmechanikai méretezés alapegyenlete

• Kritikus hőmérsékletek

A tananyag részletesen megtalálható

48

William D. Callister, Jr.

Materials Science and Engineering

An Introduction, 7th edition, 2006

Chapter 8 Failure

207-226 pp.