Hogyan szüntethetjük meg az ipari stresszt Understand article

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna. Darren Hughes, a franciaországi Grenoble-ban lévő Institut Laue-Langevin munkatársa a stresszel foglalkozik. Hogyan alakítsuk a stresszt, hogy a vasúti sínek biztonságosabbak és a szélturbinák hatékonyabbak legyenek – és mit tár fel a…

Mindannyian ismerjük a stressz, vagyis a belső feszültség érzését: egy nyomasztóan nehéz nap vár ránk, rengeteg munkával. Tudta-e, hogy a repülőgépek, az épületek, az autók és a vonatok készítéséhez felhasznált fémekben is kialakulhat feszültség. Valójában a környezetünkben található csaknem valamennyi tárgy anyagában van feszültség, a gyártása pillanatától kezdve. Olyan esetben nem jelent komoly problémát, ha az anyagban fellépő feszültség miatt egy alkatrész tönkremegy, ha az könnyen kicserélhető.

Azonban a feszültség kimutatása rendkívül fontos az olyan alkatrészeknél, amelyek a biztonság szempontjából fontosak, például egy repülőgép motorjában vagy egy vasúti sínben. Az alkatészeket tervező és gyártó mérnökök most együttműködnek a franciaországi Grenoble-ben dolgozó kutatókkal, hogy meghatározzák, milyen hatással van a stressz az alkatrész élettartamára és megbízhatóságára.
 

Mi a feszültség?

Amikor erő hat egy testre, azt mondjuk, hogy feszültség lép föl. A feszültség azt adja meg, hogy egy test hogyan válaszol az őt érő erőhatásra. A feszültséget úgy számítjuk ki, hogy az erőt elosztjuk azzal a felülettel, amelyre az erő hat. Ezért a feszültség mértékegysége az SI rendszerben Newton per négyzetméter (Nm-2). A feszültséget néha könnyű összetéveszteni a nyomással, mivel ennek is Nm-2 a mértékegysége. Az a legfontosabb különbség, hogy a nyomás külső erőhatás következménye, a feszültség pedig belső erőhatásé.

 

Feszültség által okozott
repedések a természetben: a
fa növekedése során a
fatörzsben megmaradó
feszültség jön létre. Amikor
kivágják a törzset, és a fa
elkezd száradni, a feszültség
leküzdi a fát összetartó erőt
és jellegzetes repedések
alakulnak ki

Darren Hughes szíves
hozzájárulásával

A fémekben a feszültség a gyártás pillanatától jelen van vagy a megmunkálás során alakul ki. A fémalkatrészekben kétféle feszültségről beszélhetünk, a maradó és a felhasználás során kialakuló feszültségről. Az előbbi a gyártás során lép fel és megmarad a fémben. A használat során kialakuló stresszre példa a vasúti sín, amelynek anyagában a vonat súlya következtében alakulhat ki feszültség. A teljes stressz ennek a két feszültségnek az összege.

Természetesen a stressz, az erő természetétől függően, egyaránt lehet pozitív és nagatív. Ha az anyagban egy régiót megnyújtunk, a feszültség általában pozitív, vagyis összehúzza. Ha azonban összenyomjuk az tárgyat, a feszültség negatív. Egy alkatrész elkészülte után minden használat során változik a maradó feszültség a kialakuló stressz miatt. A változás mértéke függ a használat jellegétől, az időtartamától és az alkalmazott erőktől. A mechanikai igénybevétel a belső feszültsséggel összeadódva tönkreteheti az alkatrészt.

Vajjon minden stressz káros vagy létezik hasznos is? Igen, a húzó feszültséget általában károsnak tartják, a nyomó feszültséget pedig hasznosnak. Képzeljünk el egy kis felszíni repedést (ld. később). Ha a repedés környezetében húzó feszültség lép fel, a repedés a stressz következtében jobban széjjelnyílik és mélyebbé válik.

A feszültség hatása egy
repedésre

Darren Hughes szíves
hozzájárulásával

Azonban ha nyomó feszültség keletkezik, az a repedést összenyomja és az nem növekszik tovább. Újabban a mérnökök olyan gyártási módszereket alkalmaznak, amelyek során az anyagban maradó nyomófeszültséget hoznak létre az alkatrész azon területein, ahol a használat során kis repedések keletkezhetnek. Így növelik a kritikus alkatrész élettartamát és a mechanikai igénybevétellel szembeni tűrőképességét.

Egyszerűnek hangzik? Az egyik probléma az, hogy az egész alkatrésznek engedelmeskednie kell a fizika törvényeinek, vagyis nyugalomban a feszültségeknek ki kell egyenlítenük egymást – ez Newton I. törvénye. Így ha egy régióban hasznos feszültség van jelen, akkor valahol máshol káros feszültségnek kell lennie, hogy egymást kiegyensúlyozzák. Ezért a mérnököknek egy fémalkatrészben meg kell mérniük a maradó feszültségeket, hogy meg tudják állapítani a húzó és nyomó feszültségek helyét, meg tudják határozni ezek nagyságát és ezek alapján tovább tudják fejleszteni a gyártási technológiát. Általában meglehetősen könnyű kiszámítani az igénybevétel során fellépő stresszt (például a vonat súlyából, ami a síneken oszlik meg), azonban sokkal nehezebb meghatározni a gyártás után megmaradó feszültségeket.

Egyre fontosabbá válik, hogy sokat tudjunk az anyagban maradó feszültségről, mivel egyre erősebb, gazdaságosabb és környezetkímélőbb szerkezetekre van szükség. Fontos, hogy minél könnyebb anyagokból készüljenek a szállítóeszközök, hiszen így nagy mértékben csökkenthető az üzemanyagköltség. Azonban az is ugyanennyire fontos, hogy ne csökkenjen az alkatrészek élettartama.

In France, engineers are working with scientists, using the world-leading neutron and X-ray science facilities in Grenoble to measure residual stress in components. Neutron and X-ray beams are fired at a metal component and the resulting diffraction pattern (see box) provides a map of the residual stress in the component. One of the benefits of this non-destructive method is that neutrons and X-rays can penetrate long distances into metals, so residual stress can be studied without cutting the component into smaller pieces. The choice between neutrons or X-rays depends on the type of metal, the component size and the spatial resolution required.
 

Hegesztés során kialakult feszültség, amelyet neutronok alkalmazásával mutattak ki. A húzófeszültség csúcsa a hegesztés középpontjában van
Darren Hughes szíves hozzájárulásával
 

Franciaországban a Grenoble-i intézetben a mérnökök és a kutatók a világ legkorszerűbb neutron- és röntgensugár berendezéseit használják az alkatrészekben megmaradt feszültségek mérésére. Egy fémalkatrészre neutronokat és röntgensugarat bocsátanak. A szórási mintázat alapján fel tudják térképezni az alkatrészben lévő feszültségeket. Ennek a módszernek az egyik előnye az, hogy a neutronok és a röntgensugarak mélyen be tudnak hatolni a fémbe anélkül, hogy abban károsodást idéznének elő, így nem kell az alkatrészt kis darabokra vágni ahhoz, hogy tanulmányozni tudják az anyagban lévő feszültségeket. Különösen fontos, hogy tanulmányozzák az anyagok összeillesztése, például a hegesztés során az anyagban megmaradó feszültséget. A hegesztés során a felmelegedés hibák kialakulásához vezet, amely feszültséget ébreszt az anyagban. Ez hatással lehet a hegesztés tartósságára és szilárdságára (ld. lejjebb).

Hatfield-i
vonatszerencsétlenség

Rob Welham szíves
hozzájárulásával; a kép forrása:
Wikimedia Commons

Egy másik fontos terület a vasúti sínekben keletkező feszültségek vizsgálata. Az angliai Hatfield-ben 2000 októberében történt vonatszerencsétlenség is az egyik példa a fémekben fellépő feszültség következményeire. Négy ember meghalt és több mint 100 ember megsérült, amikor egy törött sín miatt kisiklott egy nagy sebességgel haladó vonat. A sínek ilyen típusú hibái a kis felszíni repedések és a sín anyagában a gyártás során kialakuló feszültségek kölcsönhatásából származnak. Az ábra a kopott vasúti sínben kialakult stressz röntgensugárral készített képét mutatja: a piros területek a húzó, a kék területek a nyomó feszültséget jelölik. A stressz mintázat bonyolult, de azoknál a régióknál van nagyobb veszélye annak, hogy a felszíni repedések száma megnő, ahol a húzó feszültség megközelíti a sín felszínét.

Ha a mérnökök megértik, hogyan változik a használat során a sínben meglévő feszültség, az nem csak arra ad lehetőséget, hogy jobb anyagot kísérletezzenek ki, hanem arra is, hogy fejlesszék a karbantartás munkafolyamatát és így minimálisra csökkentsék a sínek sérülésének lehetőségét.

Az alkatrészekben kialakuló sérülés akkor is komoly probléma forrása, ha nem jelent életveszélyt. Például az alternatív energiahordozók iránti érdeklődés növekedésével az energia termelésre alkalmas szélturbinák is fontossá váltak.

A szélturbinák esetében problémát jelent a kilengés és a szinte folyamatos működés. A problémát növeli, hogy a szélturbinák legtöbbször a lakott területektől távol működnek, gyakran a tengerparton. A legnagyobb igénybevételnek a vezérlő tengely központi támasztéka van kitéve (ld. a fönti képet), amelynek egyik végéhez a lapátot, a másik végéhez a forgórészt illesztik. Ebben belső és felszíni feszültség egyaránt keletkezik. A szokásos felszíni kezelés során a felszínen nyomó feszültséget hoznak létre (azért, hogy minimálisra csökkentsék a repedéseket), ami nemvárt sérüléseket okozhat azáltal, hogy a nyomó feszültség kiegyensúlyozására más helyeken húzó feszültség ébred.
 

Kopott vasúti sínben keletkezett feszültség röntgensugár diffrakciós képe
Darren Hughes szíves hozzájárulásával
 

Egy folyamatban lévő projekt során neutron diffrakciós eljárással feltérképezik a 60 cm átmérőjű és 120 kg tömegű támasztékot. A vizsgálat eredményeit felhasználva módosíthatják a gyártást és így megnövelhetik az alkatrész élettartamát.

A mérnökök és a kutatók együtt munkálkodnak azon, hogy jobban megértsék a stresszt és az anyagok belső sérüléseit azért, hogy hosszabb élettartamú és biztonságosabb alkatrészeket tudjanak készíteni.
 

Neutronok és röntgensugár felhasználása a stressz tanulmányozásában

Darren Hughes szíves
hozzájárulásával

Neutronokat és röntgensugarakat használnak arra, hogy feltérképezzék az atomokat a fémrácsban azért, hogy információkat szerezzenek az alkatrészben fellépő feszültségekről. Ha adott hullámhosszúságú (λ) neutron- vagy röntgensugarat bocsátanak a fémre, az bizonyos szögben visszaverődik. Összefüggés áll fönn a kristályállandó (d) és a visszaverődési szög (Θ)között. Az összefüggést a Bragg törvény írja le.

Darren Hughes szíves
hozzájárulásával

Képzeletben nyomó vagy húzó stresszt alkalmazunk egy fém esetében. A feszültség hatására megváltozik az atomok közötti távolság. Például az alábbi esetben a húzás hatására a dtens nagyobb lesz, az összenyomás hatására pedig a dcomp kisebb lesz az eredeti távolságnál. A Bragg törvény segítségével kiszámítható, hogy állandó hullámhossz esetén a visszaverődési szögnek változnia kell. Ha egy detektort alkalmaznak, hogy megmérjék a visszaverődési szöget, meg tudják mondani, hogy a fém nyomó vagy húzó feszültségnek volt-e kitéve és azt is, hogy milyen nagyságú volt a stressz.

Download

Download this article as a PDF

References

  • A technika bevezető leírása megtalálható: Withers PJ, Webster PJ (2001) Neutron and synchrotron X-ray strain scanning. Strain 37: 19-33
  • Információ a neutron berendezésről, amely az Institut Laue-Langevin-ban működik, Grenoble, France: www.ill.fr
  • Információ a röntgensugár berendezésről, amely a European Synchrotron Radiation Facility-ben működik Grenoble-ban: www.esrf.fr
  • Az Institut Laue-Langevin és a European Synchrotron Radiation Facility egyaránt tagjai az EIROforumnak, amely hét európai államok-közötti kutatóintézet és a Science in School kiadójának együttműködése, ld.: www.eiroforum.org

Institution

ILL

Review

A cikket főként azoknak a diákoknak ajánljuk, akik fizikusok szeretnének lenni és különösen érdekli őket a szórás jelensége, valamint az anyagok tulajdonságai. A vegyésznek készülő diákok számára is hasznos, mivel a kristályokkal is foglalkozik. Az interdiszciplináris megközelítés miatt a cikk a fizikához, a kémiához, a technológiához és a műszaki tudományhoz egyaránt kapcsolható.

A neutronokról és a röntgensugárról szóló háttéranyag alapján egy szövegértési tesztet lehet készíteni. A diákok elmagyarázhatják a Bragg törvényt és azt, hogy hogyan változtatja meg a húzó vagy a nyomó feszültség a visszaverődési szöget.

A cikkhez kapcsolódva beszélgethetünk az alapkutatás és az alkalmazott kutatás közötti eltérésről, a részecske- és a hullámtermészetről és arról, hogy ki a felelős egy közlekedési balesetért. A cikk képei is jól felhasználhatók a tanítási órákon.


Eric Deeson, Egyesült Királyság




License

CC-BY-NC-ND