of 48/48
15.3.2016. 1 MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA Prof.dr.sc. Danko Ćorić Puzanje materijala - Definicija i utjecajne veličine - Mehanizmi puzanja - Načini povećanja otpornosti puzanju - Ispitivanje otpornosti puzanju Vrste lomova - Žilavi, duktilni - Interkristalni, transkristalni, - Smični, ravninski, smično-razdvojni Mehanika loma - Koncepti mehanike loma - Modeli pukotine - Faktor intenzivnosti naprezanja - Lomna žilavost PREGLED Puzanje materijala Puzanje

MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA · PDF file15.3.2016. 1 MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA Prof.dr.sc. Danko Ćorić • Puzanje materijala - Definicija i utjecajne

  • View
    257

  • Download
    7

Embed Size (px)

Text of MEHANIČKA OTPORNOST I PONAŠANJE MATERIJALA · PDF file15.3.2016. 1 MEHANIČKA...

  • 15.3.2016.

    1

    MEHANIKA OTPORNOST I PONAANJE MATERIJALA

    Prof.dr.sc. Danko ori

    Puzanje materijala - Definicija i utjecajne veliine- Mehanizmi puzanja- Naini poveanja otpornosti puzanju - Ispitivanje otpornosti puzanju

    Vrste lomova- ilavi, duktilni- Interkristalni, transkristalni, - Smini, ravninski, smino-razdvojni

    Mehanika loma- Koncepti mehanike loma- Modeli pukotine- Faktor intenzivnosti naprezanja- Lomna ilavost

    PREGLED

    Puzanje materijala

    Puzanje

  • 15.3.2016.

    2

    Puzanje materijala

    Primjeri su rotori turbina u mlaznim motorima i parni kotlovi koji su izloeni centrifugalnim naprezanjima i visokom pritisku pare.

    Mnogi konstrukcijski materijali izloeni su tijekom radnog vijeka visokim temperaturama i konstantnom naprezanju.

    Puzanje materijala

    Pri temperaturi 1: 1 1 konstantna deformacija tijekom vremena

    Pri temperaturi 2: 2 2 porast deformacija tijekom vremena

    Puzanje materijala

    Puzanje se javlja kao rezultat dugotrajne izloenosti konstantnom naprezanju niem od granice razvlaenja. Karakteristino je za materijale koji su dugotrajno toplinski optereeni.

  • 15.3.2016.

    3

    Puzanje materijala

    III zavrni stadij (tercijarno puzanje): sve vei prirast deformacije u jedinici vremena koji zavrava lomom

    Stadiji puzanja:

    I - poetni stadij (primarno puzanje): nakon naglog prirasta istezanja na poetku brzina puzanja se postepeno smanjuje zbog deformacijskog ovrsnua;

    II - stadij konstantne brzine (gradijenta) puzanja (sekundarno puzanje): konstantni prirast deformacije tijekom vremena (izbalansirani utjecaj deformacijskog ovrsnua i oporavka);

    Puzanje materijala

    Puzanje materijala je toplinski aktiviran, irevezibilniproces spore deformacije koji nastaje u uvjetima dugotrajnog djelovanja konstantnog optereenja pri povienoj temperaturi.

    Mehanizmi puzanja kod kristalnih materijala razliiti su od onih za amorfne materijale. Amorfni materijali mogu puzati teenjem (viskozno ponaanje).

    Puzanje materijala

    Puzanje je funkcija:

    - svojstava materijala,

    - vremena izlaganja,

    - temperature i

    - primijenjenog optereenja

  • 15.3.2016.

    4

    Puzanje materijala

    Ovisno o veliini i trajanju optereenja i eksploatacijskoj temperaturi, deformacija kod puzanja moe postati toliko velika da komponenta vie ne moe obavljati svoju funkciju i u konanici moe doi do loma.

    Primjer: puzanje lopatica turbine kontakt lopatica s kuitem pucanje lopatica

    Puzanje materijala

    Vea temperatura ili naprezanje:

    - trenutno istezanje,- brzina puzanja u 2.

    stadiju (utjecaj oporavka nadvladava deformacijsko ovrsnue),

    - vrijeme do loma

    Utjecaj temperature i naprezanja

    Puzanje materijala

    Parametri ponaanja kod puzanja:

    II. stadij puzanja vremenski traje najdulje i brzina puzanja u ovom stadiju (d/dt) je navaniji parametar kod dugotrajnih primjena

    Drugi parametar, osobito vaan u sluajevima kratkotrajnog puzanja je vrijeme do loma (tr).

  • 15.3.2016.

    5

    Puzanje materijala

    Brzine puzanja razliitih materijala:

    d/dtkeramika < d/dtmetal

  • 15.3.2016.

    6

    Puzanje materijala

    Oteenje i lom uslijed puzanja

    Vrijeme do loma, za odreeno naprezanje i temperaturu, mora biti dulje od predvienog ivotnog vijeka konstrukcije.

    Puzanje materijala

    Odreivanje vremena do loma:

    Primjer:

    C590 elik, =800 C; =140 Mpa

    tr=?

    Puzanje materijala

    Na pojavu puzanja utjeu:

    - temperatura talita materijala;

    - tip atomske veze i kristalne reetke materijala;

    - mikrostrukturno stanje materijala

  • 15.3.2016.

    7

    Puzanje materijala

    Kako utjee temperatura?

    - Puzanje nastupa u podruju temperatura: T > 0,3 Tt, K

    - to je via temperatura talita (Tt) materijal je otporniji puzanju.

    - Temperature puzanja za neke materijale: elik: > 450 C; legure bakra: > 270 C;olovo pue ve na sobnoj temperaturi

    Puzanje materijala

    Odreivanje temperature puzanja na temelju homologne temperature (Th)

    Homologne temperature kod razliitih metala jesu one temperature koje podijeljene s temperaturom talita tog metala daju istu vrijednost:

    Th (Pb) / Tt (Pb) = Th (Al) / Tt (Al) = Th (Cu) / Tt (Cu)= Th (Fe) / Tt (Fe) Primjer: Temperatura puzanja aluminija=?

    Th (Al) / Tt (Al) = Th (Fe) / Tt (Fe) = 450+273 / 1539 +273

    t (Al) = 660 C Tt (Al) = 660+273 = 933 K

    Th (Al) / 933 = 723 / 1812Rjeenje: Th (Al) = 372 K h (Al) = 100 C

    Puzanje materijala

    Kako utjee tip atomske veze i kristalne reetke materijala?

    Kod materijala s kovalentnom vezom izmeu atoma (keramike) plastino teenje nastupa pri visokim naprezanjima i temperaturama neznatno niim od Tt.

  • 15.3.2016.

    8

    Puzanje materijala

    Re1Legiranje

    0-dimen. defekti

    Re2Hladna

    deformacija1-dimen. defekti

    Re3Usitnjenje

    zrna2-dimen.defekti

    Re4Precipitacija

    3-dimenz.defekti

    Nisko-temperaturno deformiranje

    + ++ ++ ++

    Visoko-temperaturno deformiranje

    + +/- - ++

    + Poveanje Re; ++ Jako poveanje Re; - Smanjenje Re

    Utjecaj mehanizama ovrsnuapri niskim i visokim temperaturama

    Kako utjee mikrostrukturno stanje materijala?

    Puzanje materijala

    to je temperatura via kretanje dislokacija je bre i odvija se na drugaiji nain neko pri niim temperaturama.

    Niska temperatura: Kretanje bridnih dislokacija u kliznim ravninama (konzervativno gibanje)

    Puzanje materijala

    Visoka temperatura: Penjanje bridnih dislokacija okomito na kliznu ravninu (nekonzervativno gibanje)

    Bridne dislokacije se kreu po kliznoj ravnini sve dok ne naiu na strukturnu prepreku gdje se gomilaju. Pri visokim temperaturama bridne dislokacije mogu savladati prepreku na nain da se penju u drugu kliznu ravninu i time omoguuju nastavak plastinog teenja.

    IzvorPrepreka

    Penjanje

  • 15.3.2016.

    9

    Puzanje materijala

    Dislokacija se penje gibanjem praznina ili vakancija (tokaste nepravilnosti).

    Dislokacija; Praznina

    Puzanje materijala

    Ovisno o stvaranju i kretanju praznina u kristalnoj reetki dislokacija se moe penjati prema gore (pod djelovanjem tlanog optereenja) ili prema dolje (pod djelovanjem vlanog optereenja).

    Dislokacija; Praznina

    Puzanje materijala

    Gibanje dislokacija

    Kod niskih temperatura materijal ovrava uslijed deformiranja (poveanja gustoe dislokacija), dok se kod viih temperatura dislokacije lijee oporavkom (preraspodjela dislokacija) ili rekristalizacijom (ponitavanje dislokacija).

  • 15.3.2016.

    10

    Puzanje materijala

    Brzina puzanja (d/dt) u 2. stadiju: - naprezanjeT - apsolutna temperaturaA konstanta materijalam - eksponent naprezanja

    (parametar materijala)Qp - energija aktivacije puzanjaR - plinska konstanta

    Energija aktiviranja puzanja je priblino jednaka energiji aktiviranja difuzijskih procesa.

    Koeficijent difuzije -eljeza oko 100 x je manji nego kod -eljeza austenitne legure su otpornije puzanju od feritnih

    Puzanje materijala

    Konstante materijala (A, m) i energija aktivacije puzanja (Qp) variraju s temperaturom i naprezanjem

    Puzanje materijala

    Pukotine inducirane puzanjem

  • 15.3.2016.

    11

    Puzanje u kristalima

    Mehanizmi puzanja

    Puzanje u kristalima

    TEM snimka dislokacija kristalnog zrna(austenitni nehrajui elik)

    Puzanje u kristalima dislokacijsko puzanje (gibanje dislokacija unutar kristalnog zrna)

    Puzanje u kristalima

    Kada dislokacija naie na prepreku, potrebno je odreeno minimalno naprezanje kako bi prela preko prepreke pri nioj temperaturi, u suprotnom e se zaustaviti. Pri povienim temperaturama, dislokacija moe izbjei prepreku, tako da dodaje ili zrai praznine. Uporabom ovog mehanizma, zvanog penjanje, dislokacije mogu napustiti svoju prvotnu kliznu ravninu.U ovom sluaju, brzina deformacije odreena je brzinom emisije i apsorpcije praznina.

    Osnovni pokazatelj brzine puzanja je gustoa dislokacija i brzina kretanja dislokacija.

  • 15.3.2016.

    12

    Puzanje u kristalima

    b- burgersov vektor, cm - gustoa dislokacija, cm-2v - prosjena brzina kretanja dislokacija, cm/s

    b - burgersov vektor, mk - plinska konstanta, J/KT - apsolutna temperatura, K - naprezanje, N/m2Dvd - koeficjent vlastite difuzije, m2/s

    Brzina puzanja, d/dt:

    Kod visokotemperaturnog puzanja gustoa dislokacija je konstantna pa brzina puzanja ovisi samo o brzini kretanja (klizanja i penjanja) dislokacija:

    Puzanje po granicama zrna

    Klizanje po granica zrna i deformacija materijala bez promjene mree granica zrna

    Kod visokih temperatura granice zrna predstavljaju slabija mjesta od samih kristala tako da zrna mogu klizati jedno uz drugo pod djelovanjem sminih naprezanja.

    Puzanje po granicama zrna

    Klizanje zrna spreava formiranje mikropukotina u materijalu. mikropukotina

    a) Polikristalna struktura prije puzanja s oznaenom referentnom linijom;

    b) Utjecaj deformiranja difuzijskim puzanjem bez klizanja po granicama zrna; stvaranje pukotina izmeu zrna;

    c) Deformacija uslijed puzanja povezana s klizanjem po granicama zrna; nema pukotina meu zrnima

    referentna linija

  • 15.3.2016.

    13

    Puzanje po granicama zrna

    Atomi

    Dislokacija granica zrna moe svladati zavoj samo ako dijelom pree u zrno. Za to je potrebno odreeno smino naprezanje.

    Puzanje po granicama zrna

    Difuzija pri visokim temperaturama omoguuje premjetanje atoma iz podruja tlan