Transcript Glava 8

GLAVA 8: MEHANIČKI LOM
PITANJA OD ZNAČAJA...
• Na koji način greške u materijalu iniciraju lom?
• Kako se utvrđuje otpornost na lom; kako se različite
klase materijala mogu uporediti?
• Kako procenjujemo napon potreban za lom?
• Na koji način utiču brzina i istorija opterećivanja, kao i
temperatura na napon loma?
Ciklična opterećenja
broda usled talasa.
Ciklična toplotna opterećenja
računarskog čipa.
Ciklično opterećenje
veštačkog kuka
usled hodanja.
Chapter 8- 1
DUKTILAN I KRTI LOM
• Klasifikacija:
• Duktilan
lom je
poželjan!
Duktilan:
upozorenje pre
loma
Krti:
Nema
upozorenja
Chapter 8- 2
PRIMER: LOM CEVI
• Duktilan lom:
--jedan komad
--velika deformacija
• Krti lom:
--mnogo komada
--mala deformacija
Chapter 8- 3
UMEREN DUKTILAN LOM
• Razvoj do loma:
• Površine
preloma
50
50mm
mm
(čelik)
100 mm
uključci
su mesta
nukleacije
šupljina.
Prelomna površina armaturne
žice automobilske gume pri
zatezanju.
Chapter 8- 4
POVRŠINA KRTOG LOMA
• Transkristalno
• Interkristalno
(unutar zrna)
(granice zrna)
Čelik
304 S -ASTM
(metal)
Čelik
316 S -ASTM
(metal)
160 mm
4 mm
Polipropilen
(polimer)
Al-oksid
(keramika)
3 mm
1 mm
Chapter 8- 5
SAVRŠENI I REALNI MATERIJALI
• Ponašanje napon-deformacija (sobna T):
Rminženjerskih<< Rmsavršenih
materijala
materijala
• DaVinči (pre 500 godina)...
--što je duža žica, potrebna je
manje opterećenje za lom.
• Razlozi:
--greške izazivaju ubrzani lom.
--veći uzorci sadrže više grešaka!
Chapter 8- 6
GREŠKE SU KONCENTRATORI NAPONA!
• Eliptičan otvor na
ploči:
• Raspodela napona ispred otvora:
• Faktor koncentracije napona:
• Veliko Kt doprinosi lomu:
NIJE
OPASNO
Chapter 8- 7
PROJEKTOVANJE PROTIV LOMA
• Izbegavati oštre prelaze!
Chapter 8- 8
KADA ĆE PRSLINA DA RASTE?
• rt na vrhu
prsline je vrlo
mali!
• Rezultat: napon na
vrhu prsline je mnogo
velik.
• Prslina raste kada:
je napon na vrhu dovoljno
velik da bude:
K ≥ Kc
Chapter 8- 9
GEOMETRIJA, OPTEREĆENJE,
MATERIJAL
• Uslov za rast prsline:
K ≥ Kc
Faktor intenziteta napona:
--zavisi od opterećenja i
geometrije.
Žilavost loma:
--zavisi od materijala,
temperature, sredine i
brzine opterećenja.
• K za neka standardna opterećenja i geometriju:

jedinica K :
MP a m
K   a
a
K  1, 1  a
Chapter 8- 10
increasing
ŽILAVOST LOMA
Kcmetal
Kckompoz.
Kcker. ≈ Kcpolim.
Prema podacima iz Tabele B5,
Callister 6e.
Tip armature kompozita je:
f = vlakno;
sf = kratko vlakno;
w = niti;
p = čestice.
Chapter 8- 11
PROJEKTOVANJE PROTIV RASTA
PRSLINA
• Uslov rasta prsline:
K ≥ Kc
Y a
• Najveće prsline, sa najvećim naponima prve rastu!
--Rezultat 1: Maks.
veličina greške određuje
projektni napon.
Kc
 projekt. 
Y  amax
--Rezultat 2: Projektni
napon određuje maks.
dimenziju greške.
amax

Kc
1
 

  Y  projekt. 
Chapter 8- 12
2
PRIMER PROJEKTOVANJA:
KRILO LETELICE
• Materijal ima Kc = 26 MPa√m
• Dva pristupa za razmatranje...
Dizajn B
Dizajn A
--najveća greška je 9 mm
--napon loma = 112 MPa
• Primeniti... c 
Kc
--upotreba istog materijala
--najveća greška je 4 mm
--napon loma = ?
Y a max
• Ključni moment: Y i Kc su isti kod oba dizajna.
--Rezultat:
112 MPa 9 mm
c
a max
A  c
4 mm
a max
B
 
 168MPa
Rešenje: c
B
• Smanjenje veličine greške se isplati!
Chapter 8- 13
BRZINA OPTEREĆENJA
• Porastom brzine opterećenja...
--rastu Re i Rm
--opada %A
• Zašto? Veća brzina
daje manje vremena
dislokacijama da zaobiđu
prepreke.
• Udarno opterećenje:
--teži slučaj ispitivanja
--krtije ponašanje
--manja žilavost
Chapter 8- 14
TEMPERATURA
• Porastom temperature...
--rastu %A i Kc
• Temperatura prelaska u krto stanje...
Chapter 8- 15
STRATEGIJA PROJEKTOVANJA:
ODRŽAVAJ T IZNAD PRELAZNE!
• Pre II sv. rata: Titanik
• II sv. rat: Liberty brodovi
• Problem: upotrebljen tip čelika sa
prelaznom T ~ sobna temp.
Chapter 8- 16
ZAMOR
• Zamor = lom usled cikličnog napona.
• Napon se menja sa vremenom.
--ključni parametri su a i sr
• Ključno: zamor...
--može izazvati lom, čak kada je max < c.
--izaziva ~ 90% mehaničkih lomova.
Chapter 8- 17
PARAMETRI PROJEKTOVANJA SA
ZAMOROM
• Dinamička čvrstoća, RD:
--nema zamora ako je
R < RD
• Podekad je dinamička
čvrstoća jednaka 0!
Chapter 8- 18
MEHANIZAM ZAMORA
• Prslina raste inkrementalno
 
oko 1 do 6
da
m
 K
dN
~ 
• Lom vratila
 a
porast dužine prsline po ciklusu opterećenja
početak prsline
--prslina je rasla iako je
Kmax < Kc
--prslina raste brže ako
•  raste
• prslina postaje duža
• raste frekvencija
opterećenja.
Chapter 8- 19
PRODUŽAVANJE VEKA ZAMORA
1. Uneti pritisni površinski
napon
(radi suzbijanja rasta
površinskih prslina)
--Postupak 1: sačmarenje
--Postupak 2: cementacija
2. Ukloniti koncentratore napona.
Chapter 8- 20
PUZANJE
• Izraženo je na povišenoj temperaturi, T > 0,4 Ttoplj.
• Deformacije se menjaju sa vremenom.
Chapter 8- 21
PUZANJE U II FAZI
• Veći deo radnog veka komponenata je u II fazi.
• Brzina deformacije je konstantna pri zadatim T i 
--deformaciono ojačavanje je uravnoteženo oporavljanjem
eksponent napona (parametar materijala)
 Q 
.
n
s  K 2  exp  c  aktivaciona energija puzanja
 RT  (parametar materijala)
brzina deformacije
konstanta materijala primenjeni napon
• Brzina deformacije raste kod
većih T i 
Chapter 8- 22
LOM USLED PUZANJA
• Lom:
• Procena vremena do loma
S 590 gvožđe, T = 800°C,  = 200 MPa
duž granica zrna.
šupljine na gr. zrna
delujući
napon
• Vreme do razaranja, tr
T(20  log t r )  L
24x103 K-log č
T(20  log t r )  L
temperatura
funkcija delujućeg 1073 K
napona
Rešenje: tr
vreme do loma (razaranja)
= 233 č.
Chapter 8- 23
ZAKLJUČAK
• Inženjerski materijali nemaju teorijsku čvrstoću.
• Greške proizvode koncentraciju napona čime se
izaziva prerani lom.
• Oštri prelazi proizvode veće koncentracije napona
i prerani lom.
• Tip loma zavisi od T i napona:
-kod necikličnih  i T < 0,4Ttoplj, napon loma opada sa:
porastom maksimalne veličine greške,
smanjenjem T,
porastom brzine opterećenja.
-kod cikličnog :
broj ciklusa do loma opada pri porastu .
-kod viših T (T > 0,4Ttoplj):
vreme do loma opada sa porastom  ili T.
Chapter 8- 24