1

Dr. Krállics György krallics@eik.bme.hu

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16

Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk

2

Az előadás fő pontjai

• Bevezetés

• Rugalmas és képlékeny alakváltozás

• Egyszerű igénybevételek

• Szakítóvizsgálat és mérőszámai

• Zömítő-, hajlító- és csavaróvizsgálat

3

Az előadás során megismerjük:

• az alapvető anyagi tulajdonságok csoportosítását;

• a rugalmas és a képlékeny alakváltozás jellemzőit;

• a valódi és a mérnöki rendszer feszültség és

alakváltozás fogalmát;

• a rugalmas test anyagjellemzőit;

• a szakítóvizsgálattal meghatározható alakváltozási,

feszültségi és szívóssági mérőszámokat;

2

4

Szerkezet, folyamat és tulajdonságok

HB

Lehűlési sebesség (ºC/s)

200

300

400

500

600

0.01 0.1 1 10 100 1000

(a)

(b)

(d)

(c)

100

30 mm 30 mm

4 mm

30 mm

• Az anyag tulajdonsága függ a szerkezetétől;

Pl: az acél keménységének és szerkezetének kapcsolata

• Folyamat is megváltoztathatja a szerkezetet;

Pl.: Szerkezetváltozás a lehűlési sebesség hatására

5

Anyagtulajdonság csoportok

• Mechanikai (terhelés és alakváltozás

hatása)

• Elektromos (elektromos tér hatása)

• Hő fizikai (hőmérséklet-mező hatása)

• Mágneses (mágneses tér hatása)

• Optikai (elektromágneses tér hatása)

• Károsodási (kémiai reaktivitás hatása)

6

1. Initial 2. Small load 3. Unload

Rugalmas = reverzibilis

Rugalmas alakváltozásnál

a térfogat nem állandó.

Rugalmas alakváltozás

F

ΔL

kötések

megnyúlása

visszatérés az

eredeti állapotba

F

L

Lineárisan

rugalmas

Nemlineárisan

rugalmas

Kezdeti állapot Terhelve Tehermentesítve

3

7

Kezdeti

állapot Terhelve Tehermentesítve

Képlékeny = maradó

Képlékeny alakváltozásnál

a térfogat állandó.

Képlékeny alakváltozás

a síkok

elcsúszva

maradnak

F

Lrugalmas+képlékeny

kötések

megnyúlása,

síkok

elcsúszása

Lképlékeny

F

ΔL

Lképlékeny

Lineárisan

rugalmas

ΔLrugalmas

8

Rugalmas állapotban

= E

(Hooke-törvény)

Húzó és nyomó igénybevétel

l

ll 0

0A

F

A

F

Feszültség

Alakváltozás

l0

Δl/2

F

F

l l0

l

F

F

A0

A A0 A

Δl/2

Δl/2

Δl/2

Húzás Nyomás

9

Nyíró igénybevétel

0A

F

A

F

rI

M

p

A0 F

F

Egyszerű nyírás Csavarás

M

r

G

Rugalmas állapotban 4

64p

DI

4

10

Szakítóvizsgálat

F, N

II.I.

Fu

Fm

III.

FeL

L, mm

FeH

Szakítódiagram

I. Rugalmas alakváltozás

II. Egyenletes rugalmas-képlékeny alakváltozás

III. Kontrakció

L=L-L0

11

Szabványos mérőszámok

0

2,0

2,0

00

0

,

S

FR

S

FR

S

FR

S

FR

p

p

eLeL

eHeH

ee

%100

0

0

S

SSZ u

0S

FR mm

Feszültségi mérőszámok Alakváltozási mérőszámok

Folyáshatár [MPa]

Szakítószilárdság [MPa]

%1000

0

L

LLA u

Kontrakció

Szakadási nyúlás

12

Mechanikai mennyiségek

• Mérnöki rendszer • Valódi rendszer

10

0

0

S

S

l

ll

S

S

l

l

0

0

ln

ln

Alakváltozás

Feszültség F

S

Fajlagos törési

munka [J/cm3]

u

c m

0

W d

u

c

0

W d

m

0

F

S

5

13

Feszültségi és alakváltozási

állapot a kontrakciónál

z

r

z

zzrr

g

zz

d

d

d

d

Rr

rr

0

min

min

0

min

22

min

ln

ln2

21ln1

ásalakváltozűegyenérték ,feszültségűegyenérték

14

Feszültség–alakváltozás görbék

u

u

m

e

m 0 mF S S 1

ln 1

Alakváltozás

Feszültség

M

Szakítóvizsgálat két

nyúlásmérővel

15

6

16

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005

0

200

400

Rt0,1

Rt0,2

Rp0,1

Mé

rnö

ki fe

szü

ltsé

g M

Pa

Mérnöki alakváltozás

E=190 000 MPa

Rp0,2

Egyezményes folyáshatár meghatározása

Lemezszakítás

17

18

• Rugalmassági modulusz:

E (Young-modulusz)

• Hooke- törvény:

= E

• Poisson-tényező, n:

fémek: n ~ 0,33

kerámiák : n ~ 0,25

polimerek : n ~ 0,40

Egységek:

E: [GPa] vagy [MPa]

n: dimenzió nélküli

Lineáris rugalmas tulajdonságok

Lineárisan

rugalmas

1

E

r

1 -n

F

F

Egytengelyű

igénybevétel

n r

r - radiális alakváltozás

Ekerámia > Efém >> Epolimer

7

19

• Csúsztató rugalmassági

modulusz, G

= G

• Térfogati

rugalmassági

modulusz, K

G

E

2(1 n)

)21(3 n

EK

csavaró-

vizsgálat

Hidrosztatikus nyomás alkalmazása

kezdeti térfogat : Vo

térfogat változás: dV

p = - K V V o

1

G

p

V

1 -K

V o

p

p p

M

M

p

• Hooke- törvény:

20

Képlékeny / rideg viselkedés

Mérnöki alakváltozás

Mé

rnö

ki

feszü

ltsé

g

ha a maradó alakváltozás közel nulla, akkor rideg,

ha a maradó alakváltozás jelentős, akkor képlékeny

rideg

képlékeny

21

Szívósság

Mérnöki alakváltozás

Mé

rnö

ki

feszü

ltség

kerámia: kis szívósság (nagy szilárdság, rideg viselkedés)

fém: nagy szívósság (közepes szilárdság,

képlékeny viselkedés)

polimer: kis szívósság (kis szilárdság,

képlékeny viselkedés)

Az anyag törésig tartó energiaelnyelő képessége.

8

22

23

Különböző anyagok mechanikai

tulajdonságai 20 oC-on

Anyag E [GPa] Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A50 [%]

Acél 190-210 200-1700 400-1800 65-2

Alumínium-ötv. 69-79 35-550 90-60 45-4

Réz és ötv. 105-150 75-1100 140-1300 65-3

Titán és ötv. 80-130 340-1400 410-1450 25-7

Kerámiák 70-1000 - 140-2600 0

Gyémánt 820-1050 - - -

Polimerek 1,4-3,4 - 7-80 1000-5

Karbonszál 275-415 - 2000-3000 0

Kevlárszál 62-120 - 2800 0

24 Forrás: Ashby

9

25

Nyomóvizsgálat

h0

d0

h

növekvő súrlódás

súrlódás nélkül

Erő

h elmozdulás

eF

26

Ideális súrlódási viszonyok

nagyviszkozitású kenőanyag

00

0 ln,h

h

h

hh

m2 2

0 0

ee

0

F 4F F 4F,

S d S d

FR

S

Alakváltozások

Feszültségek

h

vzöm

Nyomó folyáshatár:

27

Hordósodás jelensége

h h 0

d 0

d min

d max

R g

zzrr

g

g

zz

rd

Rd

Rd

2

2

maxmax

max

4

ln1

zrzd

d

d

d ,ln,ln2

0

max

max

0

10

28

Csavaró vizsgálat

l

dmax M

R, r

Z,z

AB

M

l

r

dtdt

d

l

rdt

tt

3

1

3

1

00

Csavaró

nyom

até

k

e

Me

Elcsavarodás szöge

3

z

3

max

32

r

MR ee

Csavaró

folyáshatár

29

Hajlító vizsgálat

L/2 L/2F

M

F

1x

L/2 L/2F

L1 L1M

F

1xx3

x2 x2 x3

3 pontos hajlítás 4 pontos hajlítás

M

fmax

Me

max

2

1

2

1

48

43

If

LLFLE

AI

L

f

FLE

124

2

max

a

b

bI

MR

rI

MR

ee

ee

2

max

dmax

30

Lemezanyag alakíthatóságának

vizsgálata

l

s

ØD

A hajlítást a lemez repedéséig végezzük, és mérjük a töréshez

tartozó hajlítási szöget.

11

31

Keménységmérés

• A (statikus) keménység fogalma:

– A vizsgált anyag ellenállása az adott

geometriájú szúrószerszám behatolásával

szemben.

• A keménység kapcsolata más tulajdonságokkal:

– Keménységi adatokból becsülhetők a szilárdsági

és technológiai tulajdonságok.

• A keménységmérés kivitelezése:

– Alakváltozás létrehozásával

– Fizikai hatások alkalmazásával

32

Brinell-keménységmérés

2 20.102 0.102 0.204F F F

HBWA D h D D D d

keményfém-

golyó

2

terhelőerő

lenyomat felület

golyóátmérő

lenyomat átmérő

lenyomat mélység

F N

A mm

D mm

d mm

h mm

Átlagos keménység értéket ad (inhomogén anyag vizsgálatánál előnyös).

Következtetni lehet az anyag szilárdságára. Öntöttvasak, színes- és

könnyűfémek, lágyacélok mérésére alkalmazható.

33

Vickers-keménységmérés

2

0.1020.189

F FHV

A d

gyémánt-

gúla

2

terhelőerő

lenyomat felület

lenyomat átló

F N

A mm

d mm

Lokális keménység pontos meghatározása. Tetszőleges anyagminőség

laboratóriumi vizsgálata. A kis terhelésű és mikro-Vickers eljárás vékony

lemezek, rétegek és szövetelemek vizsgálatára használható.

12

34

Knoop-keménységmérés

gyémánt gúla

mml

mmA

NF

l

F

A

FHK

átlója

hosszabbiklenyomata

felületlenyomat

erőterhelő

14487,1102,0

2

2

Pontos eljárás. Hasonló a Vickers-eljáráshoz. Fémek és nagyon

rideg anyagok (üveg, műszaki kerámiák) vizsgálatára alkalmas.

35

F0+F1F0 F0

1

2 34

56

1 - a lenyomat mélysége az F0 előterhelésnél

2 - a lenyomat mélysége az F0 + F1 terhelésnél

3 - a rugalmas visszarugózás az F1 főterhelés levétele után

4 - a maradó lenyomat h mélysége

5 - a mintadarab felülete

6 - a mérés referenciasíkja

Rockwell-keménységmérés

36

Rockwell-eljárások

Jel Szúrószerszám Előterhelés Főterhelés Keménység

HRA 120˚ 98,07 N 490,3 N 100-h/0,002

HRB 1,5875 mm 98,07 N 882,6 N 130-h/0,002

HRC 120˚ 98,07 N 1373 N 100-h/0,002

HRH 3,175 mm 98,07 N 490,3 N 130-h/0,002

… … … … …

HR15N 120˚ 29,42 N 117,7 N 100-h/0,001

HR45T 1,5875 mm 29,42 N 411,9 N 100-h/0,001

- gyémántkúp - acél- vagy keményfém golyó

Gyors, egyszerű, de kevésbé pontos, minden anyagminőségre és geometriai formára.

13

37

Dinamikus keménységmérő eljárások

• Gyors, lökésszerű erőhatással végzett

mérések

• Kivitelezés

– szúrószerszámmal lenyomatot mérve

– rugalmas visszapattanást mérve

38

Mérés Poldi-kalapáccsal

próbatest

2

x

m

a minta keménysége

a próbatest keménysége

a lenyomat átmérője a mintán

a lenyomat átmérője a próbatesten

m x

x m

m

x

HB d

HB d

HB

HB

d

d

minta az etalon keménysége

etalon

az etalonon

39

Eljárások a rugalmas visszahatás alapján

• Mérés elve

A vizsgált tárgy felületére adott energiával ráejtett kalapács vagy golyó visszapattanásának magassága arányos a tárgy keménységével.

• Berendezések – Szkleroszkóp

– Duroszkóp

14

40

Szkeloroszkóp

1. Ejtősúly

(gyémántvéggel)

2. Üvegcső

3. Libella

4. Mérendő tárgy

Roncsolásmentes,

egyszerű és

gyors módszer.

A mérendő tárgy tömege befolyásolja a mérési eredményt:

kis tömeg → rezgések → kisebb visszapattanás.

41

Duroszkóp

1. Mérőkalapács

2. Doboz

3. Mérendő tárgy

4. Mutató

A tömeg és felület minősége befolyásolja.

42

Műszerezett keménységmérési

eljárások

Erő - benyomódás görbe felvétele

h0

E=tan

F=a(h-h0)

m

F=hp

tehermentesítésterhelés

Erő

mN

benyomódási mélység nm Vékony rétegek mérésére

15

43

Keménység konverzió

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

50

100

150

200

250

300

350

400

HB 3000

HB 500

HRBHRC

HR

B, H

RC

, H

B5

00

,HB

30

00

HV 10

44

Fogalmak

• Rugalmas alakváltozás

• Képlékeny alakváltozás

• Mérnöki / valódi feszültség

• Mérnöki / valódi alakváltozás

• Folyáshatár, egyezményes folyáshatár

• Szakítószilárdság

• Kontrakció

• Fajlagos törési munka

• Szívósság

• Rugalmassági modulusz

• Nyíró rugalmassági modulusz

• Poisson-tényező

• Térfogati rugalmassági modulusz

• Nyomó folyáshatár

• Csavaró folyáshatár

• Hajlító folyáshatár

• Statikus keménység

• Brinell-keménység

• Vickers-keménység

• Knopp-keménység

• Rockwell-keménység

• Dinamikus keménység

• Műszerezett keménységmérés

45

William D. Callister, Jr.

Materials Science and Engineering

An Introduction, 7th edition, 2006

Chapter 6

Mechanical Properties of Metals

131-173 pp.

Angol nyelvű irodalom: