Oktatóanyag: Az acél rugalmassági modulusa – Anyagtudomány

Az acél fontos anyag a modern iparban, és számos alkalmazási területen alkalmazható. Az acélok használata során figyelembe kell venni azok rugalmasságát. A rugalmassági modulus vagy a Young-modulus jelzi, hogy egy bizonyos mértékű megnyúlás eléréséhez mekkora feszültség szükséges. Ebben a cikkben a különböző típusú acélokat és azok megfelelő rugalmassági modulusait tekintjük át.

Mi az acél?

Az acél főként vasból (Fe) és szénből (C) áll, de más elemek is hozzáadhatók tulajdonságainak javítása vagy adaptálása érdekében.

A legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható minőség széntartalma 0,2% és 2% között van. A pontos összetétel a gyártótól és az anyag rendeltetésszerű felhasználásától függ.

Napjainkban a modern technológiáknak és kutatási eredményeknek köszönhetően olyan minőségű acélok állíthatók elő, amelyek a tulajdonságok lenyűgöző kombinációjával rendelkeznek. Ezek a tulajdonságok az olyan ötvözetelemek célzott hozzáadásának eredményei, mint a króm, molibdén vagy nikkel - bizonyos arányokban történő hozzáadás mellett.

Az acél kísérőelemei szintén fontos szerepet játszanak fizikai és kémiai tulajdonságainak meghatározásában. A szén például növeli az anyag keménységét, míg a kén törékennyé teszi azt.
Ezenkívül az acél deformáció utáni kristályszerkezete és a hőkezelési feltételei is döntő fontosságúak a végső mechanikai és termodinamikai tulajdonságok szempontjából. A szabályozott hűtési vagy melegítési folyamatok révén elérhető a kívánt állapot.

Milyen minőségű acélok léteznek?

Számos különböző minőségű acél készül különböző célokra. A leggyakoribb típusok a szénacél, az ötvözött acél és a rozsdamentes acél.

A szénacélok magas széntartalommal rendelkeznek, és gyakran használják azokat olyan építőelemekhez, mint a gerendák vagy hidak. Használhatók szerszámgépekben is, mert elég kemények a vágások elvégzéséhez. Nagy szilárdságuknak és keménységüknek köszönhetően a szénacélok népszerű anyagnak számítanak a speciális gépkonstrukciók esetében. Különösen alkalmasak nagy terhelésnek kitett alkatrészekhez, például fogaskerekekhez vagy tengelyekhez.

A vason kívül az ötvözött acélok egyéb elemeket is tartalmaznak, például krómot vagy molibdént. Ezek az adalékanyagok javítják az anyag szilárdságát és korrózióállóságát a vízzel vagy a páratartalommal szemben. A gép speciális kialakítása során például ötvözött acélokat használnak szerszámgépek alkatrészeinek gyártásához. A bányászathoz és alagútépítéshez szükséges speciális berendezések gyártása, valamint a daruk építése során gyakran használnak acélötvözeteket is.

A rozsdától mentes (rozsdamentes) acélokat a rozsdaállóság jellemzi, ezért a nevük „rozsdamentes”. Ez ideálissá teszi azokat kültéri használatra, valamint nedvességnek kitett környezetben, például konyhai eszközökben vagy orvosi berendezésekben való használatra. A rozsdától mentes acélok és a rozsdamentes acélok nélkülözhetetlenek a különleges gépkonstrukciókhoz. Magas korrózióállóságot biztosítanak, ami különösen előnyös nedves vagy agresszív környezetben.

Ezen a három fő típuson kívül számos más speciális acéltípus is elérhető a piacon: A magas hőmérsékletű acélokat például rendkívül forró körülmények között használják; az elektromos acélok viszont nagyobb energiahatékonyságot tesznek lehetővé az elektromos transzformátorokban; a rugóacélokat elsősorban rugók építéséhez használják.

Mekkora az acél rugalmassági modulusa?

Hogyan határozzák meg az acél rugalmasságát?

A rugalmasság modulusát a feszültség-alakváltozás diagram lineáris tartománya határozza meg.

Egytengelyű terheléssel a szakítószilárdsági tesztnél ez a lineáris tartomány könnyen felismerhető: Minél nagyobb az alkalmazott húzóerő, annál nagyobb az anyag tágulása, de mindig arányos az erővel. Ennek a lineárisan rugalmas területnek a meredeksége adja az anyag rugalmassági modulusát.

Ebből a levezetésből Hooke törvénye a következők szerint érvényesül:

Különböző acéltípusok E-modulusa

Fontos megjegyezni, hogy az e-modulus nemcsak az anyag kémiai összetételétől függ, hanem a gyártási folyamat és a mechanikai tulajdonságok, például a keménység vagy az erő is befolyásolják azt.

Minél magasabb egy adott acéltípus e-modulusa, annál robusztusabbak a terhelés alatt gyártott szerkezetek.