Transcript Tecenie_a_unava-Tomasec,Michalekova

Ž U v Ž ilin e
Strojnícka fakulta
Bc. Peter Tomašec - [email protected]
Bc. Lenka Micháleková - [email protected]




Tečenie
Únava materiálu
Tepelná únava
Tepelne – mechanická únava

Tečenie (angl. creep) je rast trvalej plastickej deformácie pri konštantnom
napätí. Je charakterizovaný pomalou plastickou deformáciou, ktorá prebieha aj
pod medzou klzu daného materiálu. Vplyv energie v mikroobjemoch kovu sa
môže sčítať s pružnou deformáciou od vonkajšej sily a tak sa v niektorých
miestach prekoná bariéra na pohyb dislokácií. Obyčajne sa to deje pri teplotách
nad 30 – 35% Tt. [1]
I – primárne (prechodové) tečnie nadväzuje na
začiatočnú pružnú a trvalú deformáciu.
Dochádza k postupnému poklesu rýchlosti
deformácie a prejavuje sa vplyv deformačného
spevnenia.

II v sekundárnom (ustálenom) štádiu
dosahuje minimálnu rýchlosť - toto štádium je
zvyčajne najdlhšie a trvá aj niekoľko rokov.
Dosahuje
približne
konštantnú
rýchlosť
tečenia. Toto štádium je charkteristické
plastickou deformáciou, pri ktorej sa spevňuje
a súčasne zotavuje kovová látka. Sekundárne
štádium je považované za najdôležitejšie,
keďže práve v tomto štádiu je súčiastka
vystavená
prakticky
počas
celej
svojej
životnosti.


Obr. 1 - Priebeh tečenia e od času t [5]

III – terciárne (zrýchlené) štádium tečenia je charakterizované exponenciálnym rastom
rýchlosti a končí lomom. Začiatkom je vznik mikroskopických trhlín, kvôli redukcii nosného
prierezu sa zvyšok súčiastky prakticky dolomí silovým lomom. Lom sa inciuje a prebieha
prednostne po hraniciach kryštálov – medzikryštálový charakter
Obr. 3 Trhlinové porušenie:
a)nukleácia kavít na hranici zrna; b)spájanie kavít;
a) vznik klinovej trhliny na styku troch hraníc zŕn
c) vznik dutiny; d) rast dutiny a jej šírenie pozdĺž priliehajúcej fazety zrna [5]
b) rozšírenie trhliny po celej fazete zrna a jej
dalšie šírenie pozdlž priliehajúcej fazety [5]

Obr. 2 Vznik a rozvoj medzikryštálovej trhliny pri tecení:
Trvanie jednotlivých štádií je pre daný
materiál nepriamo úmerné teplote a napätiu.



Obr. 4 Krivky tečenia pre rôzne hodnoty napätia a teploty [1]

Krátkotrvajúce

Dlhotrvajúce
◦ Informácie o vplyve teplôoty na okamžité mechanické charakteristiky
materiálu
◦ Poskytujú charakteristiky odolnosti materiálu voči tečeniu

Hodnotenie odolnosti materiálov voči tečeniu musí byť v súlade s požiadavkami na
plánovanú životnosť a prevádzkovú spoľahlivosť.

Medza pevnosti pri tečení
napätie, ktoré pri danej teplote materiál
po určitom čase poruší. (Použ. Potrubia v energetických centrálach ... )
napr.
1000 hodín

σ
TPt
σTPt 1000/600 je napätie v ťahu , ktorým sa pri teplote 600°C poruší daný materál o
Medza tečenia
σ
napätie, ktoré pri danej teplote spôsobí dohovorené
pomerné predĺženie skúšobnej tyče. (Použ. Lopatky parných a plynových turbín ... )

T
napr. σT 1000/0,1/500 je napätie v ťahu , ktorým sa pri teplote 500°C predĺži skúšaná
vzorka o 0,1% o 1000 hodín




Únava konštrukcných materiálov je degradacný proces nevratných zmien
vlastností a stavu materiálu, vyvolaný jeho opakovaným mechanickým,
tepelným alebo tepelno-mechanickým zatažovaním
K únavovému porušeniu materiálu môže dochádzat pri jeho zatažovaní
časovo premenlivými vonkajšími silami, ktoré v nom vyvolávajú elastické
deformácie a napätia neprevyšujúce hodnoty prípustné pri statickom
zatažovaní.
Proces únavy má kumulatívny charakter, predstavujúci zníženie pevnosti a
životnosti namáhanej súčiastky alebo zariadenia, ktorý sa v závere
porušovania prejaví rastom makroskopickej trhliny a lomom.
Obr. 5 únavový lom [7]


Cyklické (kmitavé) zataženie mení periodicky svoju hodnotu
od minima k maximu, pričom táto periodická zmena môže
byt pravidelná - harmonické zatažovanie alebo nepravidelná
- zatažovanie, ktoré má neharmonický až náhodný charakter
priebehu napätia v závislosti od času.
V rámci jedného pravidelného zatažovacieho cyklu možno
charakterizovat:
◦ horné napätie
= maximálna hodnota cyklického napätia ;
◦ dolné napätie
= minimálna hodnota cyklického napätia ;

Potom možno definovat:
◦ stredné napätie cyklu
◦ amplitúda napätia
◦ rozkmit napätia
◦ doba (dlžka) kmitu = najmenší casový úsek, pocas ktorého sa
opakuje rovnaký priebeh napätosti

Obr 6.
[6]

Celkovú únavovú životnost súčiastok môžeme rozdeliť do 4
štádií:
◦
◦
◦
◦
štádium zmeny mechanických vlastností
štádium nukleácie trhlín
štádium šírenia trhlín
konečný lom
Obr. 7 Štádiá únavového procesu [1]

Na únavu materiálu má, okrem amplitúdy zaťažovacieho
cyklu, vplyv aj množstvo ďalších faktorov:

Vonkajšie faktory:
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦

frekvencia a asymetria zaťažovania
veľkosť stredného napätia
stav napätosti
agresivita a teplota prostredia
história zaťažovania
tvar telesa
existencia trhlín, vrubov
vlastnosti povrchovej vrstvy
Vnútorné faktory:
◦
◦
◦
◦
štruktúrny stav materiálu a jeho chemické zloženie
veľkosť zrna
tvar a rozloženie nekovových vtrúsenín
veľkosť predchádzajúcej deformácie


Tepelná únava vzniká pôsobením zmien teploty, čím
sa dosiahnu cyklické mechanické napätia, ktoré
vyvolávajú hromadenie poškodenia. Proces únavy je
zložitý tým, že preberá komplikovanosť mechanickej
únavy a súčasne zložito pôsobí teplota
Pri tepelnej únave je vhodné počítať s:
◦ mechanickými vlastnosťami
(závisia od teploty a menia sa v záv. od času)
◦ prejavmi tečenia
◦ relaxáciou
◦ fázovými premenami
◦ štruktúrnymi premenami atď.




zobrazenie
výsledkov
porovnania
charakteristík vzoriek ocele AISI 347
Skúška v podmienkach nízkocyklovej
únavy pri konštantnej teplote určitej
veľkosti a pri cyklickej zmene teploty
(prerušovaná čiara) od 200°C do 500°C
so strednou teplotou 350°C. Vzorky boli
pevne upnuté, čo znemožňovalo meniť
rozmery teliesok.
Obr 8. Porovnanie výsledkov pôsobenia mechanickej
únavy pri uvedených teplotách a tepelnej únavy [2]
Z týchto výsledkov vyplýva, že pri rovnakom rozkmite plastickej deformácie je počet
cyklov do porušenia Nf pri cyklickej zmene teploty podstatne nižší, aj keď v jednom
prípade sú vzorky vystavené konštantnej teplote o 100°C vyššej ako je najvyššia
teplota pri cyklickej zmene teploty. Krivka tepelnej únavy pri 350°C je až 2,5-krát
vyššia , pri ľubovoľnom zvolenom počte Nf, ako pri cyklickom opakovaní teploty
s priemernou teplotou 350°C.
Zvýšenie rýchlosti ohrevu zapríčiní, že veľkosť ohrevu teplôt, pri ktorom prebieha
porušenie vzoriek sa zväčšuje.

Rozdiely medzi nízkocyklovou únavou a tepelnou
únavou:
◦ plastická deformácia sa koncentruje do najviac zohriatych
oblastí telesa, mení sa medza sklzu materiálu,
◦ pri stlačení vzniká vybočenie, pri následnom ťahu v dôsledku
ochladenia sa formuje miestne zúženie,
◦ opakovaná zmena teploty môže vplývať na vlastnosti materiálu
a na jeho schpnosť odolať porušeniu pri nízko cyklovej únave,
◦ vzájomné pôsobenie zmien teploty a deformácie na správanie
materiálu, degradácia vlastností so zmenou disperzity fáz,
skrehnutia,
◦ rýchlosť zmien mechanického namáhania môže byť cyklickou
zmenou teploty významne ovplyvnená,
◦ významná funkcia – hodnota súčiniteľa tepelnej únavy
◦ zložené materiály – rozdielny súčiniteľ tepelnej rozťažnosti,
vodivosti jednotlivých fáz. Medzifázová hranica je miestom
vzniku trhliny.

Obr. 9 Tepelná únava formy pre vysokotlakové liatie [3]


Tepelno-mechanická únava pôsobením zmien teploty na
niektoré súčiastky a súčasne sú namáhané cyklicky
mechanickým zaťažovaním. Pri zvýšených teplotách šírenie
trhlín vyžaduje nižšie hladiny mechanického zaťažovania ako
pri izbovej teplote. So zvýšením teploty rastie účinok
agresivity prostredia a frekvencie zaťažovania (tepelného,
alebo mechanického) na medzu únavy.
Pozorovanie šírenia povrchových a podpovrchových trhlín
v podmienkach tepelno-mechanického a izotermického
skúšania na nízkocyklovú únavu troch značiek ocelí v tvare
tenkostenných valcových vzoriek, pri teplotách 300-600°C
preukázalo, že existuje korelácia medzi rýchlosťou šírenia
trhliny a oblasťou cyklického J-integrálu.

Všeobecné charakteristiky hromadenia poškodenia a porušenia
pri tepelno-mechanickej únave sú blízke tým, ktoré
charakterizujú tepelnú únavu a tým, ktoré sú typické pre
mechanickú únavu. Doteraz sa však nepreukázalo, že životnosť
pri tomto spôsobe zaťažovania je jednoduchou superpozíciou
oboch procesov. Zvlášť zložitá je problematika tepelnomechanickej únavy, keď Sa uplatňujú rozličné vonkajšie
a vnútorné faktory procesu únavy.








[1] Skočovský, Bokúvka - Náuka o materiáli pre odbory
strojnícke, EDIS, 2001
[2] Puškár, Kápolka – Podminky vzniku a šírenia lomov
v konštrukčných materiáloch, VA SNP Liptovský Mikuláš 1994
[3] http://www.uddeholm.sk/slovak/files/HW.pdf
[4] www.ipm.cz/group/fracture/vyuka/doc/P11.ppt
[5] http://www.mtfdca.szm.com/subory/tecaziarup.pdfň
[6] http://www.mtfdca.szm.com/subory/unava.pdf
[7] http://sk.wikipedia.org/wiki/%C3%9Anava_materi%C3%A1lu
[8] http://www.matnet.sav.sk/index.php?ID=213
 ĎAKUJEM
ZA POZORNOSŤ