Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

© eva novotná1 Modul pružnosti objemový K tahový E smykový G plastická  pl skluzem dvojčatěním elastická  el objemová  smyková  Deformace tahová 

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "© eva novotná1 Modul pružnosti objemový K tahový E smykový G plastická  pl skluzem dvojčatěním elastická  el objemová  smyková  Deformace tahová "— Transkript prezentace:

1 © eva novotná1 Modul pružnosti objemový K tahový E smykový G plastická  pl skluzem dvojčatěním elastická  el objemová  smyková  Deformace tahová  Poissonův poměr (číslo)  podélná  příčná  Vnější síla F a její složky F n a F t působící v určité rovině normálové  smykové (tečné   Napětí 2. Chování kovů za působení vnějších sil I

2 © eva novotná2 Vnější síla F v S    normálová F n smyková F t (tečná, tangenciální)

3 © eva novotná3 Poměrná deformace tahová smyková  objemová   velmi malé  p = hydrostatický tlak  = poměrné objemové stlačení podélná příčná Poissonův poměr Obecně:  kovy  0,33;  plasty  0,35

4 © eva novotná4 monokrystaly anisotropie elastických vlastností Modul pružnosti v tahu E ve smyku G objemový K Hodnoty modulů pružnosti jsou závislé na:.  typu vazby mezi atomy,  uspořádání atomů v prostoru, tj. na typu krystalové mřížky,  vzájemné orientaci působícího napětí a krystalografické mřížky polykrystaly isotropie elastických vlastností

5 © eva novotná5 deformace elastická plastická skluzem  pohyb dislokací  skluzové systémy  kritické skluzové napětí  schmidtův faktor  pohyb dislokací v monokrystalu  pohyb dislokací v polykrystalu  Hall – Petchův vztah dvojčatěním

6 © eva novotná6 Plastická deformace skluzem pohyb dislokací – působením smykového napětí, podstatou je opakované porušování a navazování vazeb mezi atomy  posouvání vložené atomové poloroviny až na volný povrch materiálu

7 © eva novotná7 fccbcchcp kritické skluzové napětí  MPa  0,3 až 0,830 až 800,3 až 0,8 počet skluzových systémů 12 (  5) 3 (  5) příčný skluz jemožný nemožný výsledná materiálová vlastnost tvárnostpevnostrelativní křehkost skluzové systémy = cesty pro pohyb dislokací; krystalografické roviny a směry nejhustěji obsazené atomy  atomy nejblíže k sobě  nejsnadnější navázání nových vazeb mezi atomy kritické skluzové napětí  kr = smykové napětí nutné pro pohyb dislokací v daném skluzovém systému; vyjadřuje odolnost materiálu vůči plastické deformaci; je dáno pouze typem krystalografické mřížky schmidtův faktor  r = smyková složka vnějšího zatížení působící v dané skluzové rovině

8 © eva novotná8 pohyb dislokací v monokrystalu  monokrystal  jedno zrno materiálu (jedna orientace krystalografické mřížky)  dislokace se pohnou v okamžiku, kdy je dosaženo  r   kr pohyb dislokací v polykrystalu  polykrystal   (monokrystalů)  pohyb dislokací přes jedno zrno jako u monokrystalů  hranice zrna = nepřekonatelná překážka pohybu dislokací (nespojitost skluzového systému)  dislokace v druhém zrně se pohnou až je v i něm splněna podm.  r   kr  pohyb dislokací přes všechna zrna je postupný proces  jemnější zrno  obtížnější rozvoj plastické deformace přes celý materiál Hall – Petchův vztah = závislost skluzového napětí  y na velikosti zrna d  0 - napětí závislé na pohyblivosti dislokací v krystalové mřížce, k y – konst.; míra napětí nutného k vzájemné koordinaci tvarové změny jednotlivých zrn; obě hodnoty jsou dány chem. slož., strukturou a technologickým zprac. materiálu

9 © eva novotná9 pokračující zatížení dislokace + intersticiální atomy dislokace + substituční atomy dislokace + precipitáty dislokace + hranice zrna interakce dislokací Deformační zpevnění polykrystalického materiálu Zpevňování materiálu  pohybu dislokací   plastická deformace materiálu překážky pohybu dislokací  obtížnější plastická deformace materiálu 

10 © eva novotná10 Dislokace + intersticiální atomy  Frank – Readův zdroj dislokací dislokace se šíří materiálem  na intersticiálních atomech se zachytí  nemůže pokračovat v cestě  dislokační čára se prohýbá až do uzavření  dislokační smyčka se uvolní a pokračuje materiálem  zachycená dislokace emituje další smyčky  roste hustota dislokací  zkrácená volná dráha pro pohyb dislokací  zpevnění

11 © eva novotná11 Dislokace + precipitátyZpevnění hranicemi zrn

12 © eva novotná12 Plastická deformace dvojčatěním  zvláště u kovů s mřížkou fcc a hcp  vysoká rychlost deformace  ´ a nízká teplota T  přesun atomů v části krystalu o necelou meziatomovou vzdálenost ( vzniklá oblast mřížky je souměrná s neposunutou mřížkou podle roviny dvojčatění)

13 © eva novotná13 Porovnání mechanismu plastické deformace skluzem a dvojčatěním skluz (pohyb úplných dislokací) dvojčatění (pohyb neúplných dislokací) 

14 © eva novotná14 Reakce zkoušeného materiálu na působení vnějších sil je dána vzájemným působením čtyř základních faktorů: podmínky zkoušky = určeny teplotou zkoušky, rychlostí zatěžování a dohodnutým zkušebním postupem vlastní zkoušky zatížení = vnější sila, vyvolá v tělese stav napjatosti a působí na jednu nebo více ploch zkušebního tělesa zkušební těleso = tuhé těleso definovaného tvaru a rozměrů, je dohodnutým způsobem vyrobeno ze zkoušeného materiálu materiál zkušebního tělesa = definován chemickým složením a mikrostrukturou

15 © eva novotná15 ROZDĚLENÍ ZKOUŠEK MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ nedestruktivní zkoušky – bez trvalé změny tvaru, rozměrů, chemického složení či struktury zkoušeného materiálu (zjišťování struktury materiálů – výroba metalografických vzorků, mikroskopie optická a elektronová), destruktivní zkoušky ZatíženíKrátkodobéDlouhodobé Statické  zkouška tahem  tlakem  ohybem  krutem  střihem  zkoušky tvrdosti  zkouška tečení (creepu) Dynamické  zkoušky tvrdosti  zkouška rázem v ohybu  zkoušky nízkocyklové únavy  zkoušky vysokocyklové únavy

16 © eva novotná16 křivka  –  ideálního lineárně elastického materiálu (Hook. z.) křivka  –  nelineárně elastického materiálu (pryže) = zatížení a odlehčení po stejné dráze  vložená energie je uvolněna 3 = křivka zatížení nekopíruje přesně křivku odlehčení  energie je disipována křivka  –  anelastického materiálu 3 1 Elastická deformace

17 © eva novotná Zkouška tahem Skripta Zkoušení materiálů a výrobků

18 © eva novotná18 smluvní tahový (  –  ) diagram   elastická deformace rovnoměrná plastická deformace nerovnoměrná plastická deformace  deformace pro tváření plastická nestabilita žíhaná měkká ocel stabilní krček = Lüdersova deformace měkká ocel pro hluboké tažení Al- slitiny rychlá tvorba krčku  lom PE vznik stabilního krčku  lom; vliv řetězců

19 © eva novotná19 Tahový diagram  deformace napětí Lüdersova deformace

20 © eva novotná20 Lüdersovy čáry kov

21 © eva novotná21 PP rozvoj stabilního krčku

22 © eva novotná22 jak z tahového diagramu odečítat velikost deformace Energie potřebná na deformaci  i = plocha pod křivkou   –  i Resilience = množství energie potřebné na elastickou deformaci vzorku (do napětí na mezi kluzu) Tahová houževnatost

23 © eva novotná23 smluvnískutečné napětí poměrná deformace závislost  –  oceli měřená při různých T korekce uvažuje komplexní napjatost v oblasti krčku

24 © eva novotná Zkoušky tvrdosti Skripta Zkoušení materiálů a výrobků Ruční tvorba ve výuce

25 © eva novotná Zkouška rázem v ohybu Skripta Zkoušení materiálů a výrobků

26 © eva novotná Lomová mechanika Lodě třídy LIBERTY

27 © eva novotná27 Materiál s trhlinou Počátek výzkumu chování materiálu s trhlinou – během II. světové války, kdy bylo vyrobeno asi lodí třídy Liberty – první rozměrné konstrukce vyráběné svařováním (do té doby lodě pouze nýtované). Přibližně každá sedmá loď byla porušena křehkým lomem mimo bojovou akci. Lomová houževnatost použitých oceli byla zcela dostatečná pro nýtované konstrukce, kde každá trhlina může být zachycena na nýtu; ve svařovaných konstrukcích však trhlina nenarazí na žádnou barieru a může tak projít celým trupem. Analýza porušení  porušení lodí bylo zapříčiněno souhrou: konstrukce – většina lomů byla iniciována v rozích hranatých palubních otvorů, v nichž bylo koncentrováno napětí použitého materiálu – použitá ocel měla velmi nízkou dynamickou lomovou houževnatost – až tak, že některé lodi se rozlomily dřív než byly nasazeny do boje v chladných vodách výroby – svary zhotovené nezkušenými pracovníky obsahovaly poruchy podobné trhlinám

28 © eva novotná28 kovová deska: s jednotkovou tloušťkou nekonečnými rozměry ve směru osy x a y s průchozí trhlinou eliptického tvaru o délce 2a zatížená napětím  tak, aby elastická deformace desky byla konstantní  poloměr kořene trhliny   intenzita napětí součinitel intenzity napětí B W a f = 1,12 f = 1,00

29 © eva novotná29 lomová houževnatost K C [MPa.m 0,5 ] (kritická hodnota součinitele intenzity napětí) materiálová charakteristika určovaná experimentálně statickým nebo dynamickým 3-bodovým ohybem pro podmínky rovinné deformace: I II III tah: K IC K IIC K IIIC smyk:krut:

30 © eva novotná30 Příklad aplikace vztahu znám materiál (K C ) a zatížení (  ), hledám kritickou velikost defektu pro vznik nestabilní trhliny a < a C  bezpečí znám materiál (K C ) a velikost defektu (a), hledám kritické zatížení pro vznik nestabilní trhliny  <  C  bezpečí znám velikost defektu (a) a zatížení (  ), hledám materiál odolný proti vzniku nestabilní trhliny K < K C  bezpečí

31 © eva novotná31 Tranzitní délka trhliny a t a < a t   … R e …  c  def. elastická … def. plastická … porušení a >a t   …  c  porušení

32 © eva novotná32 materiál bez defektůmateriál s defekty Problém: aby při provozu nedošlo k plastické deformaci zařízení Problém: aby při provozu nedošlo k nestabilnímu šíření trhliny z přítomného defektu dané geometrie Mater. Ing. umí nalézt materiálovou charakteristiku popisující odolnost materiálu proti plastické deformaci  mez kluzu R e Konstruktér umí popsat provozní zatížení součástky  napětí  Mater. Ing. umí nalézt materiálovou charakteristiku popisující odolnost materiálu proti vzniku nestabilní trhliny  lomová houževnatost K C Konstruktér umí popsat provozní zatížení součástky s defektem dané geometrie  součinitel intenzity napětí K společně hledají materiál, který je schopen zatížení unést R e   hledají materiál, který je i s defektem dané geometrie schopen zatížení unést K C  K

33 © eva novotná33 Určování lomové houževnatosti keramiky (Courtesy of Wang and Raj N. Singh, Ferroelectrics, 207, 555–575 (1998) Stanovení odolnosti proti šíření trhlin u křehkých materiálů se provádí pomocí indentační zkoušky lomové houževnatosti. Tato metoda je založena na indentaci křehkého materiálu diamantovým jehlanem, který při zatížení větším než kri- tickém způsobí vznik trhlin, vychá- zejících z rohů Vickersova vtisku. Hodnota lomové houževnatosti je pak určována v závislosti na velikosti použitého zatížení a délce induko- vaných trhlin.

34 © eva novotná34 MateriálK IC [MPa.m 1/2 ] R e nebo R m (pro křehké materiály) [MPa] Slitina Al-Cu Ti-6Al-4V Ni-Cr ocel Al 2 O 3 1,7206 Si 3 N 4 5,0551 Transformačně zhouževnatěný ZrO Si 3 N 4 – SiC kompozit Polymethyl metakrylát - polymer 1,028 Polykarbonát - polymer 3,360 Hodnoty lomové houževnatosti K IC pro různé materiály

35 © eva novotná35 Lomy kovových materiálů Mechanismus lomu: * štěpný * tvárný Charakter lomu: * transkrystalický = přes * interkrystalický = mezi Energetická náročnost: * křehký * houževnatý

36 © eva novotná36 Tvárný lom kovu transkrystalický

37 © eva novotná37 Štěpný lom kovu transkrystalický interkrystalický

38 © eva novotná38 Lom keramiky a skla lomová plocha skla, obsahující zrcadlovou zónu (nahoře) a lomové čáry charakteristické pro lasturovitý lom (300x) lomová plocha Al 2 0 3, složená z transkrystalických štěpných faset (1250x)

39 © eva novotná39 dva základní mechanismy: Porušování vláknového kompozitu slabá vazba mezi matricí a vlákny  vytahování vláken z matrice  vznik dutin slabý spoj jednotlivých vrstev matrice  delaminace  vznik dutin

40 © eva novotná40 trhlina a vláknový kompozittrhlina a částicový kompozit

41 © eva novotná41 Únava materiálu je proces změn strukturního stavu materiálu a jeho vlastností vyvolaný cyklickým ( kmitavým ) zatěžováním, přičemž nejvyšší napětí je menší než mez pevnosti R m a ve většině případů i menší než mez kluzu R e. V důsledku toho dochází v materiálu k hromadění poškození, které se v závěru procesu projeví růstem makroskopické trhliny a únavovým lomem. Místo iniciace lomu je přednostně na povrchu, vyjímku tvoří kompozitní materiály. 3.6 Únava materiálu

42 © eva novotná42 Princip únavové zkoušky (zatěžování ohyb za rotace) podle Wöhlera z roku 1850 Typické místo porušení železniční nápravy August Wöhler (1819 – 1914) F/2 rotace F/2 zatížení Historie zkoušení únavy materiálu

43 © eva novotná43 Klasifikace zatěžování Obecné zátěžné cykly Sinusový zátěžný cyklus  a = amplituda napětí – dynamická složka  m = střední napětí – statická složka  h = horní (maximální) napětí  n = dolní (minimální) napětí Čas t

44 © eva novotná44 Parametry asymetrie zátěžného cyklu P =  h /  a R =  n /  h

45 © eva novotná45 Proces únavového poškozování tři stadia únavového procesu: 1. změny mechanických vlastností v důsledku změny dislokační struktury 2. vzniku únavových trhlin 3. šíření únavových trhlin

46 © eva novotná46 Únava střední napětí amplituda napětí rozkmit napětí

47 © eva novotná47 Mez únavy  c =  a při daném  m, kterou materiál vydrží po 10 7 cyklů Časová mez únavy  cN =  a při daném  m, kterou materiál vydrží po N cyklů  m4 >  m3 >  m2 >  m1  m4  m3  m2  m1 mm mm aa aa log N f NfNf

48 © eva novotná48 Konstrukce Wohlerovy křivky Konstrukce Smithova diagramu

49 © eva novotná49 Schéma únavového lomu ocelové hřídele. Místo inici- ace, oblast šíření (postupo- vé čáry) a oblast statického dolomení, které vzniklo v okamžiku, kdy únavová trhlina dosáhla kritickou ve- likost vzhledem k působí- címu napětí. Makroskopický vzhled lomové plochy

50 © eva novotná50 Výsledky únavových zkoušek Mez únavy σ C = amplituda napětí při daném středním napětí, při které nedojde k lomu Časovaná únavová pevnost (časovaná mez únavy) σ CN = amplituda napětí při daném středním napětí, při které dojde k únavovému lomu po určitém konkrétním počtu cyklů Únavová životnost (únavový život) = počet cyklů do porušení pro dané konkrétní napětí N f = počet cyklů do lomu N c = základní počet cyklů do ukončení zkoušky; pro ocel a litiny N c = 10 7

51 © eva novotná Creep (tečení)  = f ( , t, T) Mez tečení R T = napětí, které při dané teplotě vyvolá za určitou předem stanovenou dobu deformaci určité velikosti. R T čas [h] / deformace [%] / teplota [°C] = napětí [MPa] R T 10 5 / 0,1 / 600 = 90 MPa Mez pevnosti při tečení R mT = napětí, které při dané teplotě způsobí po určité předem stanovené době lom. R mT čas [h] / teplota [°C] = napětí [MPa] R mT 10 4 / 600 = 150 MPa  konst T = konst  roste

52 © eva novotná52 Deformace a porušení při tečení Pokluzy po hranicích zrn vznik kavit a trhlin

53 © eva novotná53 Creepové kavity vzniklé na hranici zrna austenitické korozivzdorné oceli (500x) From ASM Handbook, Vol. 7, (1972) ASM International, Materials Park, OH 44073

54 © eva novotná54 Křivka tečení

55 © eva novotná55 Larson – Millerův parametr = T(C+log t r ); teplota T [K]; konst. C; čas do lomu t r [h] Ocel S 590 Podstata L–M parametru: Pro daný materiál se t r při daném  mění s T, přičemž C zůstává konstantní Př. použití L – M parametru: Součástka z oceli S 590 pracuje při T = 800°C (1073 K) pod zatížením  = 150 MPa. Jaký je čas t r do porušení? Postup: Pro dané  najdeme hodnotu L – M parametru a počítáme:

56 © eva novotná56 Relaxace napětí Namáhané těleso je upnuto tak, že během namáhání zůstává konstantní jeho celková deformace  celk ve směru zatížení (např. šroub), dochází k pomalému poklesu = relaxaci působícího napětí. Relaxace je způsobena růstem plastické deformace  pl na úkor deformace elastické  el při zachování hodnoty celkové deformace  celk

57 © eva novotná57 Při konstrukci součástí namáhaných za vysokých teplot. Výjimku tvoří polymery, u nichž zpravidla dochází ke creepu již za pokojových teplot. Praktické využití zkoušek tečení Lopatka spalovací turbíny leteckého motoru Kombinovaná paroplynová turbína


Stáhnout ppt "© eva novotná1 Modul pružnosti objemový K tahový E smykový G plastická  pl skluzem dvojčatěním elastická  el objemová  smyková  Deformace tahová "

Podobné prezentace


Reklamy Google