Zaostala Naprezanja i Deformacije-nastava1h

1

Zaostala naprezanja i deformacije

POSTUPCI SPAJANJA

Doc.dr.sc. Branko Bauer

2

POJMOVIZaostala naprezanja

Unutarnja naprezanja u konstrukcijskom elementu. To su prisilno nastala naprezanja koja su u ravnoteži samo sama sa sobom.

∑ unutarnjih sila = 0

∑ unutarnjih momenata = 0

Tipični postupci koji uzrokuju nastanak zaostalih naprezanja su oni koje karakterizira neravnomjeran ciklus zagrijavanja i hlađenja na sobnu temperaturu.

To su: lijevanje, toplo valjanje, toplo deformiranje, zavarivanje i ravnanje plinskim plamenom.

3

POJMOVI

Zaostala naprezanja: zapravo se sastoje od toplinskih i strukturnih naprezanja.

TOPLINSKA NAPREZANJA:U području zavarenog spoja dolazi do neravnomjernog zagrijavanja i hlađenja na sobnu temperaturu. Tako nastaju u tom području različita onemogućena rastezanja i stezanja, čija su posljedica toplinska naprezanja. Mogu se popustiti razrezivanjem.

STRUKTURNA NAPREZANJA:Proces hlađenja odvija se vremenski i mjestimice vrlo različito. S time su povezane različite promjene strukture. One uzrokuju povećanje volumena, a posljedica su strukturna naprezanja. U pravilu se ne mogu popustiti razrezivanjem.

4

POJMOVISTRUKTURNA NAPREZANJA

PRIMJER: hlađenje kugle od ugljičnog čelika zagrijane na temperaturu austenitizacije.

Pri bržem hlađenju površina se lako zakali, što nije slučaj sa unutrašnjosti. Zakaljivanjem čelika dolazi do porasta volumena.

Vanjski sloj (martenzit) je većeg volumena od unutrašnjosti (F+P) i nastanu naprezanja između unutrašnjih i vanjskih slojeva,koja u nekim slučajevima mogu uzrokovati i pukotine.

ZAVARIVANJE – Slična pojava javlja se u ZUT-u. Austenitno područje u ZUT-u je relativno usko, pa je tako usko i područje povećanja naprezanja zbog porasta volumena. Porast volumena zbog nastanka martenzita smanjuje zaostala naprezanja izazvana stezanjem zavara kod zakaljivih čelika.

5

POJMOVIDEFORMACIJE KOD ZAVARIVANJAOpći pojam za odstupanja konstukcijskog elementa od definiranog oblika nakon unošenja topline i hlađenja na sobnu temperaturu.

UZDUŽNA POPREČNA KUTNA

4 vrste deformacija kod zavarivanja:

- Skraćenje elementa u uzdužnom smjeru (Uzdužna deformacija)

- Skraćenje elementa poprečno na uzdužnu os (Poprečna deformacija)

- Iskrivljenje = neravna površina (Uzdužna i poprečna deformacija)

- Kutna deformacija (sučeljeni i kutni spoj)

6

NASTAJANJE ZAOSTALIH NAPREZANJA I DEFORMACIJA

OPĆENITO

Svaki metal se prilikom zagrijavanja rasteže u svim smjerovima, a prilikom hlađenja se steže.

Ako je komad metala slobodan i ravnomjerno se zagrijava, rastegnuti će se bez ograničenja i ponovo ravnomjernim hlađenjem i stezanjem vratiti na početne dimenzije. Prisilna naprezanja i deformacije ovdje se ne javljaju.

ZAVARIVANJE se također sastoji od zagrijavanja i hlađenja. Međutim ovaj postupak razlikuje se od gore opisanog u slijedećim točkama:

1. Zagrijavanje i hlađenje odvija se neravnomjerno

2. Rastezanje zagrijanog materijala onemogućava okolni hladni materijal

3. Stezanje zagrijanog dijela također onemogućava okolni hladni materijal

4. Različita kemijska, fizikalna i mehanička svojstva materijala i različite debljine radnih komada zahtijevaju različite unose topline

5. Različiti postupci zavarivanja imaju različite unose topline, a time i različite tijekove izotermi

7

UVJETI UČVRŠĆENJA 1. SLOBODNO RASTEZANJE – SLOBODNO STEZANJE

Sobna temperatura

Zagrijano stanje

Ohlađivanje na sobnu temperaturu

Za vrijeme zagrijavanja slobodni vrh štapa može se rastezati. Nakon hlađenja na sobnu temperaturu štap je ponovno postignuo svoju početnu duljinu.

Pod ovim uvjetima učvršćenja u štapu ne nastaju zaostala naprezanja.

Iz slijedeće formule može se izračunati produljenje štapa:

8

UVJETI UČVRŠĆENJA 2. SLOBODNO RASTEZANJE – ONEMOGUĆENO STEZANJE

Sobna temperatura

Zagrijano stanje


Učvršćeno prije početka hlađenja

Slobodni kraj štapa može se slobodno rastezati za Δl za vrijeme zagrijavanja.

U rastegnutom stanju učvrsti se slobodni kraj.

Za vrijeme hlađenja onemogućeno je stezanje, pa nastaju zaostala napre-zanja povezana sa smanjenjem presjeka.

Zaostala naprezanja ostaju u štapu i nakon hlađenja.

9

UVJETI UČVRŠĆENJA

Zaostala naprezanja mogu imati sljedeće djelovanje na konstrukcijski element:

• Nastaje plastična deformacija povezana sa smanjenjem presjeka. Zaostala naprezanja budu djelomično razgrađena. Ovaj događaj pretpostavlja duktilno ponašanje materijala.

• Nastaju pukotine ili lom. Plastična deformacija i redukcija presjeka štapa se ne događaju. Ovakvo ponašanje tipično je za materijale koji nisu duktilni.

Veličina zaostalih naprezanja odgovara vlačnim naprezanjima, koja se dobiju kada se uzorak za vlačno ispitivanje razvuče za jednaku dužinu Δl.

10

UVJETI UČVRŠĆENJA 3. ONEMOGUĆENO RASTEZANJE – SLOBODNO STEZANJE

Sobna temperatura

Zagrijano stanje


Za vrijeme zagrijavanja štap se ne može slobodno rastezati u uzduž-nom smjeru. Najprije nastaju tlačna naprezanja u štapu.

Uslijed zagrijavanja Re se značajno smanjuje. Uzdužno produljenje nije moguće.

Nastaje plastična deformacija u obliku bubrenja. Tlačna naprezanja se razgrade.

Prilikom hlađenja omogućeno je slobodno stezanje. Nakon hlađenja na sobnu temperaturu štap se skratio i ostao nabubren.

Nema zaostalih naprezanja.

11

UVJETI UČVRŠĆENJA 4. ONEMOGUĆENO RASTEZANJE – ONEMOGUĆENO STEZANJE

Sobna temperatura

Zagrijano stanje


Za vrijeme zagrijavanja štap se ne može slobodno rastezati u uzdužnom smjeru. Nastaju tlačna naprezanja.

Kao u slučaju 3. nastaje plastična deformacija u obliku bubrenja. Tlačna naprezanja se razgrade.

Za vrijeme hlađenja onemogućeno je stezanje, pa nastaju zaostala napre-zanja povezana sa smanjenjem presjeka.

Kao u slučaju 2., ovisno o duktilnosti materijala nastati će ili plastična deformacija ili pukotine.

Ovaj slučaj tipičan je za zavarivanje.

12

NASTAJANJE I RASPODJELA ZAOSTALIH NAPREZANJA

1. UTJECAJ GRANICE RAZVLAČENJA

Štap se upne na oba kraja u jedan kruti konstrukcijski element i zagrijava. Uslijed onemogućenog uzdužnog rastezanja nastaju tlačna naprezanja.

Kruta konstrukcija

Iznos tlačnih naprezanja(uz pretpostavku elastičnog ponašanja)

Materijal: čelik S235 prema EN 10025

Re = 235 N/mm2

Duljina: l0 = 100 mm

Temperaturne razlike ΔT: 60 °C / 80 °C / 100 °C / 120 °C

Formule:

13


NAPREZANJA KAO POSLJEDICA RAZLIKE TEMPERATURE:Porast temperature za 100 °C dovodi već do prelaženja granice razvlačenja, pa tako i do plastičnih deformacija ukrućenog štapa.

Za granicu razvlačenja 235 N/mm2 može se izračunati maksimalno istezanje u elastičnom području:

14

1. RASPODJELA NAPREZANJA U SUČELJENOM SPOJU

OpćenitoZa vrijeme zavarivanja zagrijava se približno do temperature taljenja i osnovni materijal koji se nalazi neposredno uz metal zavara. Temperatura osnovnog materijala udaljenog od metala zavara je značajno niža.

Zagrijani osnovni materijal pokušava se rastezati u svim smjerovima, ali mu to onemogućava okolni hladni materijal, što dovodi do:•Malog rastezanja u poprečnom smjeru. Ako nema zazora, nastanu tlačna naprezanja.•U smjeru još hladnog materijala nastaju najprije tlačna naprezanja. Kad se pređe izoterma od 600 °C, čelik izgubi otpornost deformiranju i dolazi do plastične deformacije u obliku bubrenja.•I u hladnijim područjima nastaju tlačna naprezanja, koja također prelaze Re i koja se razgrade plastičnom deformacijom.•Rastezanje taline također je onemogućeno okolnim hladnijim materijalom i dolazi do bubrenja.


15


Za vrijeme hlađenja stežu se i talina i zagrijana područja osnovnog materijala. Kao rezultat plastične deformacije (bubrenja) povezan sa hladnijim dijelovima ploče, koji djeluju kao ukrućenja, stezanje se može samo djelomično dogoditi i zaostala naprezanja ostaju.Opaska:Pri temperaturi većoj od 600 °C, Re je vrlo niska i plastične deformacije materijala se mogu jednostavno dogoditi. Nastala zaostala naprezanja koja nastaju uslijed stezanja brzo se razgrade plastičnom deformacijom.

Sa opadanjem temperature ponovno raste Re i sposobnost plastične deformacije opada. Plastične deformacije više nisu moguće. Zaostala naprezanja uslijed stezanja ne mogu se više razgraditi.

16

Granica razvlačenja, Re N/mm2

Da bi se zavar za vrijeme hlađenja mogao stegnuti, zaostala naprezanja moraju doseći granicu razvlačenja metala zavara Re.

Što je veća granica razvlačenja u području zavarenog spoja, toliko su veća i zaostala naprezanja. Iz toga proizlazi i povećan rizik od nastanka pukotina.

MEHANIČKA I FIZIKALNA SVOJSTVA METALA

UTJECAJ POVEĆANJA TEMPERATURE NA RAZLIČITA MEHANIČKA SVOJSTVA za konstrukcijski čelik S355. [Riebesahm i Traeger]

Kod približno 200°C čelik doseže maksimalnu Rm kod istovremeno najnižeg istezanja ε. Opasnost od nastanka pukotina je ovdje posebno visoka.

Radi toga se u mnogim normama preporučuje, izbjegavati udarna opterećenja, deformiranje i vibriranje na zavarenom dijelu, za vrijeme tog toplinskog stanja.

17

Područje koje se hladi (stezanje)

Stezanje je

završiloP

odručje stezanja Tijek

temperature u uzdužnom smjeru zavara

Zagrijano područje (rastezanje)

Područje

rastezanja

PRIKAZ PODRUČJA RASTEZANJA I STEZANJA ZA VRIJEME ZAVARIVANJA

U području BC događa se stezanje. Istovremeno se u području CD postiže maksimalno rastezanje, a područje DE se zagrijava i počinje rastezati.

Obje pojave, rastezanje i stezanje dovode do smanjenja razmaka između limova.

18

RASPODJELA ZAOSTALIH NAPREZANJA U SUČELJENOM SPOJU

mjestimice Re

mjestimice Re

Raspodjela poprečnih naprezanja

Uzdužna naprezanja

Poprečna naprezanja

Prikazan je tijek naprezanja u jednostrano zavarenom sučeljenom spoju. Limovi su bili slobodni. Time je zajamčeno slobodno stezanje. Zavarivano je u jednom smjeru od jednog do drugog ruba lima.

19

RASPODJELA ZAOSTALIH NAPREZANJA U SUČELJENOM SPOJU

Tijek poprečnih naprezanja primjenom različitih redosljeda zavarivanja.

Istovremeno zavarivanje od sredine prema van Zavarivanje unatrag

Isprekidano zavarivanjeSuprotno s obje strane ali bez prekidanja

20

Zavareni spoj se steže i želi postati manji. Zbog više ili manje onemogućenog stezanja zavar se prvo plastično, a zatim sa smanjenjem temperature elastično deformira. Uslijed elastične deformacije zavar je pod zaostalim vlačnim naprezanjem.

Iz toga slijedi da su zadnje ohlađena mjesta pod vlačnim zaostalim naprezanjima, dok se u okolini stvaraju tlačna naprezanja. Zaostala vlačna naprezanja u uzdužnom smjeru mogu mjestimice doseći vrijednosti Re.

ZAKLJUČAK

ZAOSTALA NAPREZANJA U ZAVARENOM SPOJU

21

STEZANJE I DEFORMACIJE

Deformacije uvijek djeluju na krutost i fleksibilnost konstrukcije.

Odnos zaostalih naprezanja i deformacija

Tankostjena konstrukcija → rizik od velikih deformacija → zato mala zaostala naprezanja

Debelostjena konstrukcija → rizik od velikih zaostalih naprezanja → zato male deformacije

deformacije zaostala naprezanja

onemogućenost stezanja povećanjesmanjenje

22

UTJECAJNI ČIMBENICI NA DEFORMACIJE

1. UNOS TOPLINE J/mm (najvažnije) – ovisi o postupku (plinsko, REL, plazma, LASER) i parametrima

- koncentracija izvora topline (W/cm2) →veličina izvora odnosno taline - maksimalna temperatura izvora topline

2. IZVOĐENJE ZAVARIVANJA

- redosljed zavarivanja- kontinuirano – automatski- diskontinuirano – ručno- nastavak na hladno, nastavak na vruće → razlika

23

UTJECAJNI ČIMBENICI NA DEFORMACIJE

3. TEHNOLOGIJA ZAVARIVANJA - jednoslojno, višeslojno - broj prolaza – više / manje - pripremni radovi

●predgrijavanje ● vrsta žljeba, dužina žljeba ● pripajanje (pripoj min. 50

mm)

4. KONSTRUKCIJA- vrsta materijala- dimenzije- oblik

NAJVAŽNIJA SVOJSTVA MATERIJALA:Imaju mjerodavan utjecaj na zaostala naprezanja i

deformacije.1. Modul elastičnosti, E N/mm2

2. Granica razvlačenja, Re N/mm2

3. Koeficijent linearnog rastezanja, αT mm m-1 K-1

4. Toplinska vodljivost, λ W/mK5. Specifična toplina, c kJ kg-1 K-1

24

ZAŠTO DOLAZI DO KUTNE DEFORMACIJE

Grijanje

(H) hladno ne dozvoljava prilikom grijanja rastezanje toplom (T) i doći će do sabijanja zavara

Hlađenje

(H) Hladno ne dozvoljava stezanje prilikom hlađenja. Lice – širji dio zavara, želi se skratiti za ∆l1, a korijen koji je uži, želi se skratiti za ∆l2 koje je manje od ∆l1. To uzrokuje nastanak kutne deformacije.

• Kada je ∆l1 ~ ∆l2, ne dolazi do kutne deformacije, već samo nastaje poprečna i uzdužna.

• Kada se radi u više slojeva i više prolaza po jednom sloju, dobivamo najveću kutnu deformaciju jer se svi prolazi stežu oko prvog najslabijeg.

∆l1 = α*l1* ∆t ∆l2 = α*l2* ∆t>

25

STEZANJE I DEFORMACIJEUZDUŽNO STEZANJEZa sučeljene i kutne spojeve može se uzeti ista veličina odnosno iznos stezanja.

U proizvodnji se može računati sa slijedećim vrijednostima:Za debelostjene, velike dijelove → 0,1 [mm/m zavara]Za tankostjene djelove - tablica

Odnos presjek zavara / presjek osnovnog materijala

Iznos stezanja[mm/m zavara]

> 1:150 0,1

= 1:80 0,3

< 1:50 1,0

Napomena:

Ako su zavareni spojevi jedan pored drugog, veličine stezanja treba odrediti za svaki zavar i kasnije zbrojiti.

26

STEZANJE I DEFORMACIJE

IZNOSI STEZANJA - Ovisno o postupku zavarivanja, unešenoj energiji kao i širini i debljini zavara mogu se koristiti:

KUTNI SPOJEVI → 0,1 do 0,4 [mm/zavar]SUČELJENI SPOJEVI → 0,6 do 3,3 [mm/zavar]

Vrijednosti je pokusima oderdio Malesius na čeliku S235.

4. KUTNO STEZANJENastaje kada se poprečno stezanje pretežno odvija na površini lima. Ovisi o:

•Širini zavara•Debljini završnog sloja•Broju prolaza i slojeva, koji se slažu jedan preko drugog

Slijedeće vrijednosti se mogu koristiti za procjenu kuta stezanja. Pokuse je proveo Malesius na slobodnim neukrućenim limovima od čelika S235.

27

MJERENJE ZAOSTALIH NAPREZANJA -METODE

Naprezanja usijed vanjskog djelovanja mogu se izračunati prema pravilima tehničke mehanike.

Zaostala naprezanja mogu se odrediti iz modela prema pravilima termodinamike. Veliki broj varijabli koje se ovdje javljaju, ne dozvoljava točno određivanje veličine naprezanja. Većina formula odnose se na jednostavne zavarene spojeve i konstru-kcije, a ne na složene iz više elemenata.

Važno je moći dati izjavu o veličini očekivanih zaostalih naprezanja u konstrukciji. Uobičajeno se koristimo poznatim formulama i iskustvenim vrijednostima.

Mjerenje zaostalih deformacija vrlo rijetko se provodi. Mogu se koristiti metode bez razaranja i s razaranjem.

28

OPĆA PRAVILA ZA IZBJEGAVANJE PUKOTINA I MINIMALIZACIJU DEFORMACIJA

7. NAPRAVE ZA ZAVARIVANJE

Pomoćna sredstva kao što su stege i stezne naprave služe za postizanje linearnosti i točnosti dosjedanja.

Dijelovi se međusobnostegnu radi točnog dosjedanja

8. PREDNAPREZANJE / PREDNAMJEŠTANJERADNIH KOMADA

Dijelovi se stegnuprije zavarivanja

Svi zavari su sa gornje strane cijevi što uzrokuje kutnu deformaciju. Cijev je prednapregnuta za iznos kutne deformacije u suprotnu stranu, tako da nakon zavarivanja bude ravna.

29


8. PREDNAPREZANJE / PREDNAMJEŠTANJE RADNIH KOMADA

Nakon zavarivanja

Prije zavarivanja (predsavijanje)Nakon zavarivanja

Prije zavarivanja (prednamještanje za kutno stezanje)

9. PROVJERAVANJE DIMENZIJA KONSTRUKCIJE

Dimenzije radnih komada treba redovito provjeravati. Treba paziti da su svi zavarivački radovi i ravnanje završili tog dana završili i da su se svi djelovi konstrukcije ohladili na sobnu temperaturu.

30

TOPLINSKO RAVNANJE

Grije se na suprotnoj strani deformiranog elementa, da se izazove kontra deformacija odnosno izravnavanje. (paziti da nije zakaljiv materijal-pukotine)

OBLICI ZAGRIJANIH MJESTA

a) Toplinska točka

b) Toplinski krug

c) Toplinska linija

d) Toplinske paralelne linije

e) Toplinski klin

f) Toplinski polumjesec

Lokalnim grijanjem postiže se efekt sabijanja tople zone i stezanje za ∆l.

31

TOPLINSKO RAVNANJE

Postupak:

1. Grijati iznad 600 °C (plastična deformacija). Kod čelika crveni žar 750°C.

2. Sva zagrijana mjesta moraju biti oštro ograničena.

3. Zagrijana mjesta ne smiju biti prevelika da se postigne efekt sabijanja.

4. Brzo zagrijavanje.

5. Odrediti i označiti mjesta zagrijavanja.

6. Nikada isto mjesto dva puta grijati.

7. Koristiti dvostruko veći plamenik nego za zavarivanje lima iste debljine.

32


ZAKLJUČAKZaostala naprezanja od zavarivanja

• Javljaju se uvijek kod upotrebe normalnih postupaka zavarivanja 111, 121, 135, 136 itd. bez djelovanja vanjskih sila

• Ne vide se• Dovode do troosnog stanja naprezanja u kojem prevladavaju vlačna naprezanja,

koja su daleko iznad normalne granice razvlačenja a istezanje značajno opada, zbog čega se mogu pojaviti pukotine, krhki i terasasti lom

• Dovode do deformacija radnih komada, posebno kad nisu dovoljno kruti• Najbolje se mogu popustiti (smanjiti) žarenjem cijele konstrukcije u peći

Cilj dobivanja minimalnih zaostalih naprezanja i deformacija može se postići kada se konstruktor drži pravila:

“ Najbolja zavarena konstrukcija je ona sa najmanjim brojem zavarenih spojeva”

Documents

Zaostala Naprezanja i Deformacije-nastava1h