Szakítóvizsgálat
Szakítóvizsgálat
A szakítóvizsgálat a szilárd anyagok mechanikai tulajdonságainak mérésére szolgál. Roncsolásos vizsgálat, amikor a próbatest alakúra kiképzett munkadarabot szakítógépen, állandó húzással fokozatosan megnyújtják, egészen addig, amíg a mintadarab el nem szakad. A folyamat során végig mérik a munkadarab megnyúlását a terhelés változásának függvényében.
Szakítódiagram
A szakítóvizsgálat egyik eredménye a megnyúlás-erő diagram, az ún. szakítódiagram. Ezen a megnyújtás és a szakítás folyamata nyomon követhető és szakaszokra osztható.
Az első szakasz a rugalmas alakváltozás szakasza. Ezen a szakaszon nem történik még olyan deformáció, ami miatt a mintadarab ne nyerhetné vissza eredeti alakját.
A második szakasz az egyenletes alakváltozás. Ezen a húzási szakaszon a képlékeny deformáció azonos végig a húzott mintadarabon.
A harmadik szakasz a kontrakció, amikor egy ponton elkeskenyedik a mintadarab, majd ott el is szakad.
Az anyag szakítószilárdsága az a mennyiség, amely a szakítódiagram maximális erőpontjának és a mintadarab keresztmetszetnek a hányad
Szakítószilárdság
A szakítószilárdság, σm , Rm egy kötél, huzal, tartógerenda, vagy más hasonló szerkezeti elem elszakításához szükséges mechanikai feszültség. A szakítószilárdság az anyagnak csak az állandó terheléssel szembeni szilárdságára ad felvilágosítást, dinamikus igénybevételt csak jóval kisebb feszültségnél bír ki az anyag. A szakítószilárdság a hőmérséklet függvényében változik (általában csökken), magasabb hőmérsékleten állandó terhelés alatt az anyag állandóan növekvő alakváltozást szenved (tartósfolyás).
Kifejtés
A szakítószilárdság megállapítására az anyagból szabvány szerint elkészített próbatesten statikus szakítóvizsgálatot végeznek, ami azt jelenti, hogy lassan növelik a húzóerőt és közben a gép felveszi a feszültség-alakváltozás diagramját. Ezt szakítódiagramnak nevezik. Az anyag tönkremenetele többféleképpen értelmezhető.
Az anyagok állandó terhelés következtében végbemenő tönkremenetelénél három fontos feszültséget kell figyelembe venni:
- Folyáshatár (Re): az a feszültség, melyet az anyag maradó alakváltozás nélkül elvisel. Ez a pont nem mindig pontosan meghatározható, ezért helyette némely anyagnál azt a feszültséget tekintik folyáshatárnak, melynél a maradó alakváltozás 0,2%.
- Szakítószilárdság (Rm): az anyag által törés nélkül kibírt legnagyobb feszültség
- Szakadás: A szakítódiagramról leolvasható feszültség, ahol az anyag elszakad.
A szakítószilárdság a mérnöki tudományok fontos fogalma, különösen az anyagtudomány, a gépészet és a szerkezetépítés területén.
A fémek, közöttük az acél is, a húzóerő hatására rugalmasan megnyúlnak, mindaddig, amíg a bennük ébredő feszültség a folyáshatárt el nem éri. A hosszirányú nyúlással egyidejűleg a próbatest keresztmetszete csökken (kontrakció). Ha a rugalmas tartományban megszüntetik a terhelést, az anyag felveszi eredeti alakját. A rugalmas szakaszban a szakítógörbe meredeksége a rugalmassági modulussal egyenlő. A folyáshatárt túlhaladva szénacéloknál a növekvő alakváltozásnál a húzóerő kismértékű csökkenése is tapasztalható, melynek oka a szénatomok és diszlokációk egymásra hatásával magyarázható. Hidegen alakított és ötvözött acéloknál ilyen jelenség nem lép fel. A legtöbb fémnél a folyáshatár ilyen világosan nem mutatkozik meg.
A folyáshatár alatt minden alakváltozás visszafordítható. A folyáshatáron túl az anyag maradó alakváltozást szenved (esetünkben megnyúlást). Ez pontosabban úgy történik, hogy leterheléskor a szakítógörbe a rugalmas szakasszal párhuzamosan halad, a megfolyatott anyag úgy fog a továbbiakban viselkedni, mintha folyáshatára magasabb értéken lenne, az anyag “felkeményedik”.
Az anyagot tovább terhelve a feszültség tovább nő egészen a legnagyobb feszültség pontjáig. Ekkor a próbatestek egy része egy ponton elvékonyodik, ami a feszültség esésével jár további megnyúlás mellett, majd egy ponton a próbatest elszakad. A szakítódiagramon leolvasható legnagyobb feszültség a szakítószilárdság.
A szakítódiagramot úgy ábrázolják, hogy a szakítógépen mérhető húzóerőt mindig a próbatest eredeti keresztmetszetével osztják el. A valódi feszültség ennél az értéknél mindig nagyobb, hiszen terhelés alatt a keresztmetszet csökken (kontrahál). A tényleges keresztmetszetekkel számított valódi feszültség függvénye monoton nő, de ezt nem szokták ábrázolni, mivel a keresztmetszet mérése nehézkes, másrészt az eredeti keresztmetszettel számított szakítószilárdság a valóságosnál kisebb értéket ad, így a mérnöki számítások biztonságát növeli.
A legtöbb anyag nem rendelkezik jól látható folyáshatárral. Ilyenkor a 0,2%-os határt határozzák meg, és ezt tekintik folyáshatárnak. A 0,2%-os határ az a feszültség, melynél a próbatest 0,2% maradó alakváltozást szenved. Ezt a szakítódiagramból úgy lehet meghatározni, hogy felrajzolják a 0,2% fajlagos nyúlást a vízszintes tengelyre, majd a diagram rugalmas szakaszának egyenesével e ponton keresztül párhuzamost húznak. Ahol az egyenes metszi a szakítógörbét, leolvassák a feszültséget: ez a 0,2%-os feszültség.
Rideg anyagoknak nincs folyáshatáruk, sem felkeményedő szakaszuk, itt a legnagyobb feszültség és a szakítószilárdság megegyezik.
Néhány anyag jellemző szakítódiagramja:
Kis széntartalmú szénacél szakítódiagramja
1. Szakítószilárdság, Rm
2. Folyáshatár, Re
3. Szakadás
4. Felkeményedés
5. Kontrakció (keresztmetszet összehúzódás)
Aluminium szakítódiagramja
1. Szakítószilárdság, Rm
2. 0,2%-os határ, R0,2
3. Arányossági határ
4. Szakadás
5. 0,2% fajlagos nyúlás
Különleges rideg anyag szakítódiagramja
1. Szakítószilárdság, Rm
2. Szakadás
Valódi és mért feszültség
Anyagok tipikus szilárdsági értékei
Anyag |
Folyáshatár |
Legnagyobb feszültség |
Sűrűség |
Szerkezeti acél A36 | 250 | 400 | 7,8 |
Acél, API 5L X65 (Fikret Mert Veral) | 448 | 531 | 7,8 |
Nagyszilárdságú ötvözött acél A514 | 690 | 760 | 7,8 |
Nagyszilárdságú előfeszített acélhuzal | 1650 | 1860 | 7,8 |
Acélhuzal | 7,8 | ||
Zongorahúr (acél) | kb. 2000 | 7,8 | |
Nagy sűrűségű polietilén (HDPE) | 26-33 | 37 | 0,95 |
Polipropilén | 12-43 | 19,7-80 | 0,91 |
Korrózióálló acél AISI 302 – (hidegen hengerelt) | 520 | 860 | |
Öntöttvas 4,5% C, ASTM A-48 | 276 (??) | 200 | |
Titán ötvözet (6% Al, 4% V) | 830 | 900 | 4,51 |
Alumínium Alloy 2014-T6 | 400 | 455 | 2,7 |
Réz 99,9% Cu | 70 | 220 | 8,92 |
Réz-nikkel 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, Cu | 130 | 350 | 8,94 |
Bronz | kb. 180+ | 250 | ; |
Volfrám | 1510 | 19,25 | |
Üveg | 50 (nyomásra) | 2,53 | |
Márvány | N/A | 15 | |
Beton | N/A | 2-5 (húzásra) (6)-20-60-(200) (nyomásra) |
2,4 |
Szénszál | N/A | 5650 | 1,75 |
Pókselyem | 1150 (??) | 1200 | |
Hernyóselyem | 500 | ||
Aramid (Kevlar vagy Twaron) | 3620 | 1,44 | |
Ultra nagy molekulasúlyú polietilén (UHMWPE) | 23 | 46 | 0,97 |
Vectran | 2850-3340 | ||
Fenyőfa (szálirányban) | 40 | ||
Csont | 130 | ||
Nejlon, 6/6 típus | 45 | 75 | |
Gumi | – | 15 | |
Bór | N/A | 3100 | 2,46 |
Szilícium, egykristályos (m-Si) | N/A | 7000 | 2,33 |
Szilícium-karbid (SiC) | N/A | 3440 | |
Zafír (Al2O3) | N/A | 1900 | 3,9-4,1 |
Szén nanocső | N/A | 62000 | 1,34 |