Download - Tores Ea 16 Long
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
1/48
Dr. Krállics György [email protected]
Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16
Törés
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
2/48
2
Az előadás során megismerjük
• az állapottényezők hatását;
• a törések alapvető fajtáit, mechanikai és
fraktográfiai jellemzőit; • a lineárisan rugalmas, illetve a képlékenytörésmechanika elméletét;
• a törésmechanikai tervezés koncepcióját.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
3/48
3
Bevezetés
Törés: az anyagban folytonossági hiány jön létre, amitőldarabokra 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 terhelésisebesség elősegíti a ridegtörés fellépését.
Repedés mindig van az anyagban, legfeljebb nemtudjuk kimutatni.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
4/48
Káresetek
• 2700 db Liberty típusú hegesztett hajó gyártása amásodik 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
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
5/48
5
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
6/48
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.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
7/487
Öntészet: pórusok, lunkerek, zárványok, melegrepedésekkeletkezhetnek a technológiai paraméterektől függően.
Melegalakítás: az alakváltozási képesség csökken, pl.szemcsehatármenti kiválásoknál.
Ausztenit szemcsehatár károsodása anizotrop szerkezetkövetkeztében.
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 terhelésesetén.
Repedés keletkezése a gyártás során
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
8/48
A szerkezeti anyagaink tönkremenetelének két
szélsőséges típusa a ridegtörés illetve a szívós (képlékeny) törés. A rideg illetve képlékeny viselkedést azadott anyagon végzett szakítóvizsgálat is jól szemlélteti
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
9/489
Szívós törés I.
Alakváltozás
F e s z ü l t s
é g
Jelentős mértékű képlékeny alakváltozás a törés előtt.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
10/4810
Szívós törés mechanikai sémája szakításnál
cossinθ
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
11/4811
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
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
12/4812
Ridegtörés
– A töretfelület merőleges a húzástengelyére.
– Kontrakció nem lép fel az alakítássorán . – Nincs makroszkopikus képlékeny
alakváltozás. – A töretfelület átmetszi a szemcséket.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
13/4813
A ridegtörés mechanikai sémájaszakításnál
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
14/4814
Állapottényezők
Az anyag szívós (képlékeny) vagy rideg viselkedése azanyagnak nem tulajdonsága, hanem állapota, és annakszerkezetén kívül az állapottényezők befolyásolják.
Feszültségi állapot A többtengelyű húzófeszültségek a rideg állapot felé,
a többtengelyű nyomófeszültségek a képlékeny állapot feléviszik 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.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
15/48
Feszültségi állapot hatása
A
F n
Névleges feszültség
Maximális feszültség
k nmax
k t K formatényező max
k
n
Rugalmas megoldás
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
16/48
Diagram α k meghatározására
16
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
17/48
A feszültségi állapot ridegítő hatása
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
18/4818
1 2 3
eq
k
törési alakváltozásT=áll. áll.
t
Határgörbe
csavarás szakítás zömítés
2 2 2
1 2 1 3 2 3
1
2eq
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
19/4819
Bemetszés feszültségkoncentrációshatása
max y
k
név
σ név
2c
c
k 21
σ név
σ ymax
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
20/48
Az alakváltozási sebesség hatása
Acél statikus és dinamikus szakítása
1v
l s
A sebesség növekedése kontrakció mentes szakadást eredményez (vk )
0
/m
k
d d v d
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
21/48
A hőmérséklet hatása
F
L
F
L
T20=20
o
C
T
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
22/48
A hőmérséklet és a bemetszésérzékenység együttes vizsgálata
Charpy-féle ütvehajlító vizsgálat
KV [J]
Hőmérséklet
90o C
20o C
-20 oC-70 oC
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
23/48
23
Töretfelületek vizsgálata
Ridegtörés: a törési energia újfelületek képződésére fordítódik, a törés pedig:
I. Transzkrisztallin, vagy
II. Interkrisztallin lehet.
Szívós törés: a törési energiaképlékeny alakváltozásra és új
felületek képződésére fordítódik. Üregek keletkezése, növekedéseés összenövése a jellemző.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
24/48
24
Transzkrisztallin (hasadásos) törés
A repedés a szemcséken keresztül,meghatározott atomsíkokon terjed.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
25/48
25
Interkrisztallin törés
A törés a szemcsék között, a szemcsehatárokon történik.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
26/48
26
Szívós törés
Üregek összenövése Üregek képződésemásodik fázis körül
A töretfelület gödrös, tompa fényű. A törést a csúsztató-feszültségek hatására bekövetkező elnyíródás okozza.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
27/48
27
Ridegtörés diszlokációs értelmezése
101
110
1112
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
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
28/48
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
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
29/48
29
Repedésterjedés fajtái
Stabil repedésterjedés: állandó energiát fogyaszt,a repedés csúcsa előtt üregek keletkeznek, majdegyesülnek.
Instabil repedésterjedés: állandó energiafelszaba-dulás közben megy végbe nagy sebességgel, ígymakroszkopikusan ridegtörést okoz.
Fokozatos repedésterjedés: a stabil repedésterjedés
hosszabb időtartamra kiterjedő változata, jellemző afáradásos törés, a kúszás és a feszültségkorrózió okozta törés esetében.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
30/48
30
Törésmechanikai elméletek
a) b) c) d)
a) Lineáris rugalmas alakváltozás b) Kis területre korlátozódó
képlékeny alakváltozás
c) Rugalmas –képlékenyalakváltozás
d) Képlékeny alakváltozás
az egész testben
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
31/48
31
Terhelési módok
I. II. III.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
32/48
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
k krit k
k krit
p k p
krit p
E E a
l repedés hossz
E v
a
E
a
, Orowan elmélet
2
4.)
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 k w
f k pw
Törési energia
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
33/48
33
Feszültségintenzitási elmélet
1
2
I II III
ij I ij II ij III ij K f K f K f r
Egy általános alakú test belsejében lévő repedés csúcsánál
kialakuló feszültségmező
ahol K I , K II , K III – feszültségintenzitási tényezők a különböző
terhelési módoknál,, ,
I II III
ij ij ij f f f – dimenziónélküli függvények.
2
I ij ij
K f
r
I. terhési módra
r
σ yy
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
34/48
34
3cos 1 sin sin
2 2 22
3cos 1 sin sin
2 2 22
3cos sin sin
2 2 22
I xx
I yy
I xy
K
r
K
r
K
r
Síkbeli feszültségi állapotban σ z =0,
Síkbeli alakváltozási állapotban z x y
Instabil repedésterjedéskor K I= K
c . Ha ez a repedésterjedéssíkbeli alakváltozási állapotban lép fel, akkor K
I = K
I c , amely
anyagjellemző (törési szivósság). .
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
35/48
Feszültségintenzitási tényező
35
2 4
sec 1 0.025 0.062
,
I
I
a a a K a W W W
W K a
K I /
a
W=200 mmW=200 mm
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
36/48
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
e R
repedés
2
2
2
2 2
1 31 cos sin sík feszültségi állapot
4 2
1 3
1 2 1 cos sin sík alakváltozási állapot4 2
I p
e
I
pe
K r
R
K
r R
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
37/48
37
Kis képlékeny tartományú LRTM
A képlékeny zóna síkbeli feszült-ségállapot esetén:
egyenérték ű pa a r
,
2
1
2
I p
e
K r
R
Síkbeli alakváltozási állapotesetén: 2
1
6
I p
e
K r
R
A módosított repedéshosszal számolva a rugalmas anyagra vonatkozó törési elmélet alkalmazható:
σ yy
r p
Re
aaegy.
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
38/48
Képlékeny zóna változása a próbatestvastagsága mentén
38
repedés
felület
középső tartomány
F ült é i t itá i té ő
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
39/48
Feszültségintenzitási tényezőkorrekciója
39
2
2
2 2 2
22
1,
6
,
1
6
1
16
I I p
e
I p
I I
e
I
e
K K Y a r
R
K Y a r
K K Y a
R
K Y aY
R
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
40/48
40
Törésmechanikai méretezés
Ic I K K
aY
K Ic
max
Az adott szerkezetben repedés lehetséges ! Azt kellmegakadályozni, hogy a repedés instabilan terjedjen.
Szerkezettől és terheléstől függ Anyagjellemző
Ic I K aY K
solve , Ic
krit
f a Y a a K
a f a
Törésmechanikai anyagvizsgálat Repedéssel rendelkező szerkezet vizsgálata
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
41/48
Törési szivósság meghatározás
41
K F
BW Y a W Q
Q0 5.
( / )
1 3 5 7 92 2 2 2 2
29.61 185.5 65.5 1017 638.9a a a a a
Y W W W W W
2
0.2
, ( ), Q
Q Ic
p
K ha a W a B K K
R
2.5, 4acél alumínium
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
42/48
42
A K c változása a falvastagság
függvényében
síkbeli alakváltozási állapot
síkbeli feszültségi állapot
K Ic
K c
K cmax
falvastagság
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
43/48
Törésmechanikai ellenőrzés
43
Adott geometriájú és terhelésű tartály falábanroncsolás mentes vizsgálattal megállapították
hogy 2ax2b méretű elliptikus repedés van.
A mértékadó feszültség:
I Ic K Y a K a szerkezet működőképes
Szilárdsági számítással meghatározható a repedés csúcsánál a feszültség intenzitási tényező.
2
p r
t
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
44/48
Különböző anyagok törési szívósságértékei
44
0 100 200 300 400 500 600
1000
1500
2000
2500
3000
3500
T ö r é s i s z i v ó s s
á g
M P a m m
0 . 5
Rp0,2 MPa
AlMg
AlMgSi
AlCuMg
AlZnMgCu
Ötvözött nemesíthető acélok Ötvözött acélok
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
45/48
Törési szívósság különbözőszövetszerkezet esetén
45
NiCrMoV ötvözésű nemesíthető acél
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
46/48
Hőmérsékleto
C
Rm
Rp0,2k
Tk1Tk2
Rideg törés Kvázi-ridegtörés
Szívós törés
Szívós töretfelület (Charpy) 50 %
KIcmax
Törési tipusok változása a hőmérsékletfüggvényében
k
k
2a
Ic k K Y a
T *
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
47/48
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
-
8/18/2019 Tores Ea 16 Long
48/48
A tananyag részletesen megtalálható
William D. Callister, Jr.
Materials Science and Engineering
An Introduction, 7th edition, 2006
Chapter 8 Failure
207-226 pp.