MEKAANINEN AINEENKOETUS

Transkriptio

1 MEKAANINEN AINEENKOETUS KOVUUSMITTAUS VETOKOE ISKUSITKEYSKOE 1 Kovuus Kovuus on kovuuskokeen antama tulos! Kovuus ei ole materiaaliominaisuus samalla tavalla kuin esimerkiksi lujuus tai sitkeys Kovuuskokeen antama tulos korreloi kuitenkin materiaalin (metallin) tilan kanssa joissakin tapauksissa kovuus korreloi metallin murtolujuuden kanssa 2

2 Moshin asteikko mineraalien kovuusvertailu Mosh esimerkkimineraali Rosiwall 1 talkki 0,33 2 kipsi 1,25 3 kalkkisälpä 4,50 4 fluorisälpä 5,00 5 apatiitti 6,50 6 maasälpä 37,00 7 kvartsi 120,00 8 topaasi 175,00 9 korundi 1 000,00 10 timantti ,00 LN (ROSIWALL) MOHS 3 Kovuuskokeet Ei ole universaalia koetta, joka kattaisi koko kovuusalueen riittävän tarkalla jaotuksella => pehmeille materiaaleille oma koe, koville oma VICKERSIN KOVUUSKOE (SFS-EN ISO 6507) BRINELLIN KOVUUSKOE (SFS-EN ISO 6506) ROCKWELLIN KOVUUSKOE (SFS-EN ISO 6508) helppo, nopea ja halpa koe 4

3 Vickersin kovuuskoe SFS-EN ISO 6507 Timanttipyramidi painetaan tietyllä kuormituksella koekappaleeseen ja kuormituksen poistumisen jälkeen mitataan pintaan jääneen painauman lävistäjä Vickers-kovuus HV on kuormituksen ja painauman pinta-alan lukuarvojen suhde 5 d (mm) HV = 0, 1891 F d HV 30 6

4 Brinellin kovuuskoe SFS-EN ISO 6506 Kovametallipallo (W) painetaan tietyllä kuormalla koekappaleeseen Pintaan syntyneestä painaumasta mitataan halkaisija Brinell-kovuus HBW on kuormituksen ja painaumakalotin pinta-alan lukuarvojen suhde Pehmeiden metallien kovuusmittaukseen HBW 5/750/20 5 mm:n pallo 70 kp kuorma 20 s vaikutusaika 8

5 Rockwell-kovuuskoe SFS-EN ISO 6508 Kartio tai pallo painetaan tietyllä kuormituksella koekappaleen pintaan kahdessa vaiheessa ja pysyvän painauman syvyyden lisäys mitataan Kartio (HRC) 98 N (10 kp) N (140 kp) - coville metalleille Pallo (HRB) 98 N (10 kp) N (90 kp) - behmeille metalleille 9 98 N (10 kp) N (140 kp) e HRC = e/0,002mm (HRB = e/0,002mm) 45 HRC 71 HRB 10

6 Yhteenveto kovuusmittauksista Callister: Materials Science and Engineering- An Introduction, 7th ed., table muista: kovuusmittari(kin) on instrumentti, jonka toimintaa on helppo häiritä => mittausvirhe kasvaa 12

7 Vetokoe Koesauvaa vedetään sen pituusakselin suuntaisella voimalla sauvan katkeamiseen saakka Kokeen suoritus on standardisoitu - koesauvan muoto, mitat, pinnanlaatu,.. - vetonopeus, mittausärjestelmien tarkkuus,... - koetulosten ilmoittaminen, Vetokone Callister: Materials Science and Engineering- An Introduction, 7th ed., fig. 6.3 voima-anturi mittaa kuormaa ekstensometri mittaa pituuden muutosta ( l) vetosauva liikkuva palkki 14

8 Vetosauva Callister: Materials Science and Engineering- An Introduction, 7th ed., fig. 6.2 Sauvan poikkileikkaus voi ympyrä (pyörösauva), neliö (neliösauva) tai suorakaide Gauge length = mittapituus L0 mittapituus = 5 x halkaisija - lyhyt suhdesauva mittapituus = 10 x halkaisija - pitkä suhdesauva 15 Jännitys (R) - kuorma jaettuna sauvan poikkipinta-alalla (stress, σ) R = F S 0 käsitteitä F - kuorma (N) S0 -sauvan (alkuperäinen) poikkipinta-ala (mm 2 ) Venymä (e) - mittapituuden suhteellinen kasvu (strain) e = L R L 0 L 0 LR - mittapituus jännityksen arvolla R L0 - alkuperäinen mittapituus e = L R L 0 L 0 100% Muista: 1 N/mm 2 = 1 MPa 16

9 tasavenymän kimmoinen alue alue Murtokurouman alue Jännitys venymä 17 Hollomon: σ = K ε n p K - kerroin n - muokkauslujittumisexponentti murtolujuus jännitys σ = Eε myötöraja venymä 18

10 Vetokokeella määritetään: Myötöraja (Re, Rp) - jännitys, jossa myötö (pysyvä Yield Strength (σy) eli plastinen muodonmuutos) alkaa Murtolujuus (Rm) - jännityksen suurin arvo kokeen aikana Tensile Strength Murtovenymä (A5, A10) - katkenneen koesauvan venymä lyhyelle, pitkälle suhdesauvalle A = L u L 0 Lu - mittapituus koesauvan katkettua 100% L 0 Murtokurouma (Z) - katkenneen koesauvan poikkipintaalan suhteellinen pieneneminen Z = S 0 S u S 0 100% Su - pienin poikkipinta-ala sauvan katkettua 19 Korostunut myötöraja Murtolujuus Ylempi myötöraja Alempi myötöraja Rm ReH ReL jännitys venymä Tyypillinen teräksille, sekä myös muille tkk-metalleille 20

11 Rp0,2 (Rp0,5) Rp0,2 jännitys 0,2% venymä venymä Tyypillinen pkkmetalleille (Cu, Ni,..) 21 Mittauslämpötilan vaikutus Callister: Materials Science and Engineering- An Introduction, 7th ed., fig

12 23 Esimerkkilujuuksia (pehmeäksi hehkutettuina) metalli myötöraja MPa murtolujuus MPa Venymä % alumiini kupari messinki (70Cu-30Zn) rauta nikkeli teräs (1020) titaani molybdeeni

13 Todellinen jännitys, todellinen venymä Edellä esitetyt laskentakaavat antavat ns. insinöörivenymän ja insinöörijännityksen kaavat eivät huomioi koesauvan ohenemista vetotokeessa Todellinen venymä: ε T = ln LR L 0 = ln (1 + e) Todellinen jännitys: R T = R (1 + e) 25 laskuesimerkki Vertaa todellisen ja insinöörivenymän eroa teräksen myötörajalla. E = 210 GPa, Re = 210 MPa. σ = E ε ε = σ E Myötörajalla: e = R e E = = 0, 001 Todellinen venymä: ε = ln (1 + 0, 001) = Ero: % 0, 005 % 26

14 Todellinen vs. insinööri Callister: Materials Science and Engineering- An Introduction, 7th ed., fig koneinsinöörin tuntema osa vetokäyrää 27 Hollomon: σ = K ε n materiaali n K (MPa) niukkahiilinen teräs (hehkutettu) 4340 seosteräs (päästetty) 304 ruostumaton teräs (hehkutettu) kupari (hehkutettu) merimessinki (hehkutettu) seostettu alumiini (lämpökäsitelty -T3) magnesiumseos (hehkutettu) 0, , , , , , ,

15 Cu:n jännitys-venymä -käyrä Rm Rp0,2 σ = K ε n p Rp0,2 69 MPa Rm 200 MPa A5 45 % jännitys 0,2% venymä σ = E venymä A5 E = 110 GPa K 530 MPa n 0,21 29 SFS-EN Iskusitkeysmittaus CHARPY-V -kokeella Keskeltä lovettua ja molemmista päistä tuettua koesauvaa isketään iskuheilurilla. Iskussa kulunut energia eli iskutyö määritetään jouleina. Tätä käytetään materiaalin iskusitkeyden mittana Koe ei mittaa materiaaliominaisuutta! Se antaa vain vertailuarvoja Helppo, nopea ja halpa koe 30

16 Callister: Materials Sciece and Engineering- An Introduction, 7th ed., fig E = mgh KV = 65 J 31 Mittauslämpötilan vaikutus KV sitkeä murtuma hauras murtuma Laatuvaatimus: KV > 20 J kun T = - 21 Transitiolämpötila 0 lämpötila 32

17 Mittauslämpötilan ja C- pitoisuuden vaikutus Callister: Materials Science and Engineering- An Introduction, 7th ed., fig Callister: Materials Science and Engineering - An Introduction, 7th ed., fig

18 35