NAGŁE PĘKANIE I WIĄZKOŚĆ Niekiedy konstrukcje zaprojektowane poprawnie z punktu widzenia zarówno odkształcenia sprężystego, jak i plastycznego ulegają katastroficznemu zniszczeniu w wyniku nagłego pękania . Cechą wspólną tego typu sytuacji-pękania spawanych kadłubów statków, spawanych mostów i rur gazociągów oraz zbiorników ciśnieniowych - jest obecność pęknięć będących często efektem błędów spawania . Nagłe pękanie jest spowodowane wzrostem - zachodzącym z szybkością propagacji dźwięków w danym materiale - istniejących pęknięć , które nagle stają się niestabilne . Energetyczne kryterium nagłego pękania Nadmuchanie balonika prowadzi do zmagazynowania w nim pewnej energii . Energia ta jest związana zarówno z ciśnieniem gazu wewnątrz balonu , jak i z napięciem gumow ej powłoki . Wzrasta ona w miarę wzrostu ciśnienia w baloniku. Jeśli do rozważanego układu wprowadzimy defekt w postaci igły penetrującej powłokę balonika , nadmuchany balonik pęknie, uwalniając zgromadzoną w nim energię . Powłoka balonika nagle pęka , pomimo że napięcie nie przekracza jej wytrzymałości na rozciąganie . Jeśli jednak taki sam defekt wprowadzimy do układu o mniejszej energii, np. nakłuwając balonik nadmuchany częściowo, wykazuje on cechy stabilności i nagłe pękanie nie ma miejsca. Z kolei, jeśli nadmuchujemy balonik uprzednio przedziurawiony, w pewnym momencie osiągamy ciśnienie, przy którym balonik nagle pęka. Innymi słowy, podczas nadmuchiwania osiągamy moment, w którym dziurka w baloniku staje się niestabilna i mamy do czynienia z nagłym pękaniem. Wiele wypadków (niespodziewane zawalenie się mostu, pęknięcie kotła) miało miejsce i nadal przytrafia się w związku z opisanym zjawiskiem . We wszystkich przypadkach, przekroczone zostaje krytyczne naprężenie , przy którym jest dostatecznie dużo energii n a to , by wykonać pracę rozrywania materiału , co często zaskakuje konstruktora danego elementu. Na podstawie przeprowadzonych rozważań można zapisać równanie energii układu , jakie musi być spełnione w momencie nagłego pękania w wyniku rozrostu pęknięcia . Załóżmy, że pęknięcie o długości a w materiale o grubości t rośnie o Sa . Wymaga to, aby praca w ykonana przez przyłożone obciążenie była większa od sumy zmiany energii sprężystej i energii zgromadzonej w wierzchołku pęknięcia Parametr Gc jest stałą materiałową - jest to energia związana z utworzeniem jednostki pola pęknięcia , nazywana wiązkością materiału (lub czasami krytyczną szybkością uwalniania energii odkształcenia ). Mierzony jest on w jednostkach energii na jednostkę pola, np. w J/m2. Duża wiązkość materiału oznacza,, że propagacja pęknięć w danym materiale
(…)
… tego równania ujmuje warunek, że nagłe pękanie wystąpi w materiale poddanym działaniu naprężeń s, jeżeli występujące pęknięcia osiągną pewną krytyczną wielkość a; lub alternatywnie, jeśli do materiału, w którym występują pęknięcia o wielkości
a przyłożone zostanie naprężenie s. Prawa strona równania zależy jedynie od wielkości o charakterze materiałowym; od modułu Younga E oraz od parametru Gc (wiążkości…
… umożliwiają pełną kontrolę zmienności naprężenia.
Dla przypadku wysokocyklowego zmęczenia materiału pozbawionego pęknięć, a więc wówczas, gdy ani smax ani smin nie przekraczają granicy plastyczności, okazało się, że dane doświadczalne można dobrze opisać zależnością:
Zależność ta nazywana jest prawem Basąuina. Parametr a jest stałą (o wartości od 1/15 do 1/8 dla większości materiałów), podobnie jak C1.
W przypadku niskocyklowego zmęczenia materiału pozbawionego pęknięć, a więc wówczas, gdy smax lub smm przekraczają granicę plastyczności, prawo Basąuina nie obowiązuje. Otrzymuje się liniową zależność zakresu odkształceń plastycznych Depl zdefiniowanych na rys. w funkcji liczby cykli do pęknięcia Nf . Zależność ta znana jest jako prawo Coffina-Mansona w postaci:
Przedstawione dwa prawa (zakładając znajomość…
…, która pokazuje, że w strefie uplastycznienia powstają pustki łączące się ze sobą i z czołem pęknięcia. W tym przypadku pęknięcie rośnie nieco szybciej niż poprzednio, co wynika z obecności tych pustek.
Zmęczenie wysokocyklowe przebiega w odmienny sposób. Wówczas gdy naprężenie nie przekracza granicy plastyczności, praktycznie cały zakres żywotności materiału jest związany z okresem inicjowania pęknięcia…
… dużego ziarna, które wydłuża drogę dyfuzji i ogranicza rolę mechanizmu dyfuzji po granicach ziarn - idealny byłby monokryształ.
c) Stworzyć warunki powstania wydzieleń na granicach ziarn, w celu ograniczenia poślizgu granic ziarn. Ceramiki, zwykle ulegają odkształceniu głównie przez płynięcie dyfuzyjne (ponieważ mają małe ziarno, a duży opór sieci krystalicznej utrudnia pełzanie według prawa potęgowego…
…). Zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej, prowadzącej do rozrostu ziarna, może zwiększyć ich odporność na pełzanie.
Temperatura zeszklenia polimerów rośnie ze wzrostem stopnia krzyżowania się łańcuchów. Polimery o dużym stopniu krzyżowania (np. epoksydowe) są bardziej odporne na pełzanie w temperaturze pokojowej, niż te o małym stopniu krzyżowania (np. polietylen). Lepkość polimerów, powyżej TG, wzrasta ze wzrostem ciężaru cząsteczkowego, co również wpływa na zmniejszenie pełzania. Wreszcie polimery krystaliczne lub częściowo krystaliczne (np. polietylen o dużej gęstości) są bardziej odporne na pełzanie niż materiały typowo szkliste (np. polietylen o małej gęstości).
Szybkość pełzania polimerów można zmniejszyć przez wprowadzenie do nich
sproszkowanego szkła lub krzemionki, w przybliżeniu proporcjonalnie…
… do ilości dodanego wypełniacza (zarówno PTFE na pokrycia naczyń kuchennych, jak i polipropylen, stosowany na elementy samochodowe, są wzmacniane w ten sposób). Znacznie lepszą odporność na pełzanie uzyskuje się dla kompozytów zawierających długie włókna (GFRP i CFRP), w których większość obciążenia jest przenoszona przez włókna nie ulegające pełzaniu ze względu na dużą wytrzymałość.
…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)