Embed Size (px)
Citation preview
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.
