ZkouÅ¡ky založené na principu Å¡ÃÅenà defektů, zkouÅ¡ky ... - ATeam
ZkouÅ¡ky založené na principu Å¡ÃÅenà defektů, zkouÅ¡ky ... - ATeam
ZkouÅ¡ky založené na principu Å¡ÃÅenà defektů, zkouÅ¡ky ... - ATeam
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Zkoušky založené <strong>na</strong> <strong>principu</strong><br />
šíření defektů<br />
Zkoušky lomové houžev<strong>na</strong>tosti
Houžev<strong>na</strong>tost materiálu udává jeho odolnost proti křehkému lomu.<br />
Ten je nebezpečným druhem porušení, neboť při malé spotřebě<br />
energie a nepatrné tvárné deformaci se často šíří velkou rychlostí.<br />
Vznik křehkého lomu závisí <strong>na</strong> řadě faktorů. Nejvýz<strong>na</strong>mnějšími jsou<br />
nízká teplota, rychlost zatěžování, tloušťka konstrukce, přítomnost<br />
vrubu či výskyt vad, ale i jakost materiálu [1] .<br />
Lom je<br />
HOUŽEVNATÝ<br />
Energetické<br />
hledisko<br />
KŘEHKÝ
S rozvojem používání vysoce pevných ocelí se ukázalo, že únosnost<br />
strojních součástí a konstrukcí neurčuje mez kluzu, ale odolnost proti<br />
iniciaci lomu z defektu [2] .<br />
Vzniká nová disciplí<strong>na</strong><br />
lomová mechanika.<br />
Respektuje výz<strong>na</strong>mný vliv přítomnosti defektů v materiálu, pojednává<br />
o <strong>na</strong>pjatosti kolem těchto defektů, o jejich chování při zatěžování<br />
statickém či dy<strong>na</strong>mickém a definuje podmínky pro okamžik iniciace<br />
nestabilního lomu (z defektu).<br />
Objevuje se nový materiálový parametr lomová houžev<strong>na</strong>tost.
HISTORIE<br />
Stále rostoucí požadavky <strong>na</strong> zlepšené a nové vlastnosti materiálů musí být<br />
splněné při zaručení bezpečnosti, spolehlivosti a životnosti vyráběných<br />
strojů a strojních zařízení.<br />
Týká se to zejmé<strong>na</strong> letecké a automobilové dopravy, tisíců kilometrů<br />
tlakových potrubí <strong>na</strong> ropu a plyn, tlakových zařízení tepelné<br />
a jaderné energetiky, ocelových mostů, lodí, ocelových konstrukcí budov,<br />
stožárů apod., tj. zařízení, u nichž selhání materiálu může mít katastrofální<br />
následky spojené s ohrožením mnohých lidských životů.<br />
Neočekávané havárie konstrukcí se začali ve světě vyskytovat koncem<br />
19. století. Již v té době se objevují zprávy o katastrofálních lomech potrubí,<br />
plynojemů, nádrží a jiných zařízení.<br />
Před druhou světovou válkou, když se ocelové konstrukce <strong>na</strong>místo nýtování<br />
začaly svářet, vzniklo v Evropě několik katastrofálních porušení mostů<br />
zhotovených z konstrukčních uhlíkových ocelí vyrobených ve vzduchových<br />
konvertorech. Mosty se porušily náhlým lomem při nižším provozním<br />
zatížení a po krátkém používání.<br />
Materiálová a<strong>na</strong>lýza ukázala, že jde o křehké lomy, které byli iniciovány<br />
z defektů ve svarech a větši<strong>na</strong> materiálů měla při provozní teplotě nízkou<br />
vrubovou houžev<strong>na</strong>tost. Zdroj: [3]
Od listopadu 1942 do dub<strong>na</strong> 1946 se <strong>na</strong> 976-ti svařovaných námořních<br />
plavidlech USA objevilo 1442 vážných poškození trhli<strong>na</strong>mi různých velikostí. Do<br />
konce roku 1949 došlo k havárii 11 lodí typu Liberty a 8 tankových lodí jejich<br />
úplných příčným rozlomením <strong>na</strong> dvě části.<br />
Větši<strong>na</strong> těchto lomů vycházela z konstrukčních vrubů a z defektů<br />
ve svarech. Konstrukčními úpravami nosných dílů trupu lodi<br />
a vsazením zastavovačů trhlin v kritických místech se podstatně zredukoval<br />
výskyt křehkých lomů. Zkoušky materiálu lodí ukázaly, že kromě konstrukčních<br />
chyb byla jedním z primárních faktorů, které přispěly k porušení, i nízká kvalita<br />
použité oceli.<br />
Uvedené havárie a poškození lodí přinutily Americký úřad pro lodní dopravu v r.<br />
1947 zavést určité normy pro chemické složení oceli používaných <strong>na</strong> stavbu<br />
lodí. I když byly používány zastavovače trhlin a došlo ke konstrukčním<br />
zlepšením i k úpravě chemického složení ocelí <strong>na</strong> stavbu lodí, křehké lomy se v<br />
omezené míře vyskytovaly i <strong>na</strong>dále.<br />
Zdroj: [3]<br />
Zdroj: [6]
Měření lomové houžev<strong>na</strong>tosti umožňuje nový pohled <strong>na</strong> jakost<br />
materiálu a stanoví přípustné velikosti defektu, který je v součásti za<br />
provozních podmínek [2] .<br />
• lineární (elastická) lomová mechanika<br />
• elasticko-plastická lomová mechanika<br />
Lomová houžev<strong>na</strong>tost je funkcí [2] :<br />
• Chemického složení<br />
• Čistoty materiálu<br />
• Tepelného a mechanického zpracování<br />
• Teploty<br />
• Rychlosti deformace<br />
Zdroj : [2]
RÁZOVÉ ZKOUŠKY<br />
V provozu působí často <strong>na</strong> strojní součásti síla, která se cyklicky<br />
mění, popř. její působení je dy<strong>na</strong>mického charakteru. Rázové<br />
působení síly je velmi nebezpečné, neboť to může iniciovat náhlou<br />
destrukci materiálu, ke které by při statickém zatížení nikdy<br />
nedošlo.<br />
Náhlý lom vzniklý rázovým působením síly má obvykle ve svém<br />
okolí jen nepatrné deformace (křehký lom). Zatímco u stejného<br />
materiálu, který je zatěžován statickou silou, dojde před porušením<br />
k rozvoji tvárné deformace (tvárný lom).<br />
Ke zjištění jak se chová materiál při náhlém vzrůstu <strong>na</strong>máhání<br />
slouží zkoušky rázem.<br />
Rázové zkoušky za normálních teplot<br />
Podle způsobu jakým působí síla při rázu lze tyto zkoušky rozdělit <strong>na</strong>:<br />
1. rázové zkoušky v tahu a tlaku<br />
Zdroj : [2]<br />
2. rázové zkoušky v ohybu – tato zkouška má největší výz<strong>na</strong>m<br />
3. rázové zkoušky v krutu
RÁZOVÉ ZKOUŠKY - CHARPY, IZOD [1]<br />
Rázová zkouška v ohybu má z rázových zkoušek největší výz<strong>na</strong>m.<br />
Používá se zejmé<strong>na</strong> u ocelí. Vzhledem k vysoké houžev<strong>na</strong>tosti ocelí<br />
by někdy nedošlo k porušení (přeražení) zkušebního tělesa, ale jen<br />
k plastické deformaci. Proto se opatřují zkušební tyče vrubem.<br />
V jeho dně dochází při úderu ke koncentraci <strong>na</strong>pětí a vzniká oblast<br />
složité <strong>na</strong>pjatosti, což zvýší pravděpodobnost křehkého porušení<br />
tělesa.<br />
Protože však i při geometrické podobnosti vzniká u tyčí různých<br />
rozměrů ve dně vrubu při rázu rozdílná <strong>na</strong>pjatost, nelze výsledky<br />
získané <strong>na</strong> tyčích různých rozměrů srovnávat. Proto jsou tvar<br />
i rozměry zkušebních těles stanoveny normou.<br />
Podle způsobu uložení tyče, <strong>na</strong> niž dopadá ráz, rozdělujeme rázové<br />
zkoušky <strong>na</strong> zkoušky podle Charpyho (tyč je ulože<strong>na</strong> <strong>na</strong> dvou<br />
podporách) a zkoušky podle Izoda (tyč uchyce<strong>na</strong> letmo).
RÁZOVÉ ZKOUŠKY - CHARPY, IZOD [2]<br />
ZKOUŠKA VRUBOVÉ HOUŽEVNATOSTI<br />
K [J] - nárazová práce potřebná k přeražení vzorku měla by se<br />
vztahovat k deformovanému objemu – problém, vztahuje se<br />
k velikosti původního průřezu v místě vrubu => nemá fyzikální<br />
charakter<br />
KC = K / S o<br />
[J/cm 2 ] — vrubová houžev<strong>na</strong>tost<br />
Faktory ovlivňující KC:<br />
– rychlost zatěžování: 4-7 m/s<br />
– způsob <strong>na</strong>máhání: trojbodý<br />
symetrický ohyb<br />
– stav <strong>na</strong>pjatosti<br />
– tvar a rozměry tyče — dle ČSN<br />
– tvar a rozměry vrubu — dle ČSN<br />
– U-vrub, V-vrub<br />
– jakost povrchu<br />
– velikost zr<strong>na</strong><br />
– orientace vrubu ke směru<br />
– tváření<br />
vzorek<br />
úhel<br />
vrubu<br />
KC<br />
[J/cm 2 ]<br />
61<br />
30° 67<br />
60° 64<br />
90° 71<br />
120° 115<br />
150° 183<br />
180° 174
CHARPYHO KLADIVO [4]<br />
energie rázu: 250-300 J
Jeho historie sahá do roku 1901, kdy v Budapešti <strong>na</strong> sjezdu<br />
Mezinárodního svazu pro technické zkoušení materiálu přednášel<br />
Francouz G. Charpy o svých zkušenostech stanovení houžev<strong>na</strong>tosti<br />
přerážením prismatických tyčí opatřených vrubem.<br />
V roce 1909 bylo <strong>na</strong> kongresu v Kodani doporučeno normování<br />
Charpyho zkoušky, která se brzy <strong>na</strong> to ujala po celém evropském<br />
kontinentě.<br />
V Anglii <strong>na</strong>vrhl Izod odlišný způsob provedení zkoušky. Izod vetknul<br />
tyč až ke vrubu(viz obr.). Rozdíl obou způsobů spočívá v tom,<br />
že u Charpyho zkoušky <strong>na</strong>razí kladivo <strong>na</strong> zkoušenou tyč v rovině<br />
lomu, zatímco u Izodovy zkoušky je ráz veden <strong>na</strong> místo od lomu<br />
vzdálené. Zkoušky Izodova byla zavede<strong>na</strong> v Anglii<br />
a částečně i v Americe.<br />
Zdroj: [3]<br />
Princip rázové zkoušky dle Izoda
ZKOUŠKA VRUBOVÉ HOUŽEVNATOSTI<br />
PROVEDENÍ<br />
1. při pokojové teplotě – orientačně informativní výz<strong>na</strong>m<br />
2. při více teplotách – hodnocení přechodu z houžev<strong>na</strong>tého lomu<br />
<strong>na</strong> křehký<br />
ZMĚNA MECH. VLASTNOSTI UHLÍKOVÉ OCELI S TEPLOTOU<br />
– při krátkodobých zkouškách<br />
Re<br />
Rm<br />
↓<br />
↓<br />
– má lokální maximum<br />
↑<br />
A, Z – mají lokální minimum<br />
Zdroj : [2]
LUDWIK - JOFFEHO TEORIE<br />
Joffe sestrojil diagram viz obr., který<br />
vysvětluje tzv. křehkost za stude<strong>na</strong>.<br />
Tento diagram je sestrojen pro<br />
monokrystal kuchyňské soli. Jsou zde<br />
zakresleny dvě křivky v závislosti <strong>na</strong><br />
teplotě. Křivka R K<br />
zachycuje tzv. mez<br />
pevnosti v kluzu a křivka R T<br />
mez<br />
pevnosti v kohezi.<br />
Z diagramu vyplývá, že hodnota R T<br />
zůstává při změně teploty stálá, kdežto<br />
hodnota R K<br />
s klesající teplotou rychle<br />
vzrůstá a protíná přímku R T<br />
v bodě a.<br />
Tento bod odpovídá tzv. kritické teplotě<br />
křehkosti. Při teplotách pod tímto<br />
kritickým bodem má <strong>na</strong> charakter<br />
porušení největší vliv křehký stav před<br />
lomem. Za teplot vyšších než je kritická<br />
teplota křehkosti <strong>na</strong>stává porušení<br />
v oblasti tvárné deformace.<br />
Diagram křehkosti za stude<strong>na</strong> pro sůl kamennou<br />
Zdroj: [5]<br />
R K<br />
mez pevnosti v kluzu, R T<br />
mez pevnosti v kohezi
Lomy houžev<strong>na</strong>tého a křehkého<br />
charakteru se mohou objevit u téže oceli,<br />
a ukazují <strong>na</strong> to, že otázka přechodu<br />
křehkého stavu do houžev<strong>na</strong>tého,<br />
vysvětlená Joffem <strong>na</strong> monokrystalu NaCl,<br />
<strong>na</strong>jde i zde svoji obdobu.<br />
Převedeme-li diagram z monokrystalu <strong>na</strong><br />
polykrystalické materiály, pak má kritická<br />
teplota křehkosti určité rozmezí R Kmax<br />
R Kmin<br />
a R Tmax<br />
, R Tmin<br />
(obr.).<br />
V tomto rozmezí se vyskytují oba druhy<br />
porušení, jak křehké tak tvárné. Jestliže<br />
se u některých materiálů, jako jsou <strong>na</strong>př.<br />
slitiny hliníku a mědi se křivky R K<br />
a R T<br />
neprotí<strong>na</strong>jí, pak jsou tyto materiály<br />
necitlivé <strong>na</strong> pokles teploty při rázu, neboť<br />
jejím snižováním se nemění dy<strong>na</strong>mická<br />
houžev<strong>na</strong>tost.<br />
Zdroj: [5]<br />
Diagram křehkosti pro polykrystalické struktury,<br />
b – změ<strong>na</strong> dy<strong>na</strong>mické houžev<strong>na</strong>tosti v kritickém rozmezí křehkosti
Hlavním činitelem, který vedle deformační rychlosti a velikosti<br />
vrubu má zásadní vliv <strong>na</strong> vrubovou energii je teplota při které dojde<br />
k přeražení vzorku. Hlavní výz<strong>na</strong>m zkoušky rázem v ohybu spočívá<br />
v určení přechodové teploty T P<br />
, tj,. teplota pod níž se materiál chová<br />
křehce. Nad touto teplotou má lom tvárný charakter.<br />
Způsoby zjišťování přechodové teploty<br />
Pro stanovení přechodové teploty neplatí žádná závazná norma.<br />
Protože není přechodová teplota jednoz<strong>na</strong>čně definová<strong>na</strong>, existuje<br />
více kritérií jejího určování. Stanovení přechodové teploty lze zjistit<br />
některým z následujících způsobů:<br />
1. Nejnižší teplota, při níž je lom zkušební tyče v celém průřezu<br />
houžev<strong>na</strong>tý.<br />
2. Teplota při níž houžev<strong>na</strong>tý lom tvoří 50% celkového lomové plochy.<br />
3. Teplota odpovídající střední hodnotě vrubové houžev<strong>na</strong>tosti<br />
(dle Daviděnka).<br />
4. Teplota odpovídající inflexnímu bodu křivky teplotní závislosti<br />
vrubové houžev<strong>na</strong>tosti.<br />
5. Teplota odpovídající dohodnuté vrubové houžev<strong>na</strong>tosti. Zdroj: [5]
Teplotní závislost vrubové houžev<strong>na</strong>tosti<br />
a) schéma průběhu; b) způsoby stanovení přechodové teploty<br />
Zdroj: [5]
Přehled nejdůležitějších vlivů <strong>na</strong> polohu<br />
přechodové teploty<br />
Zdroj: [5]
Neporušené a porušené zkušební tyče<br />
Neporušená zkušební tyč před experimentem – č. 1 a zkušební tyč po<br />
provedení experimentu (pouhé ohnutí tyče – č. 2, příp. její <strong>na</strong>lomení – č. 3<br />
v případě, že energie rázu nebyla dostatečná <strong>na</strong> přeražení tyče), a tyč<br />
porušená křehkým lomem – č. 4).<br />
Zdroj: [3]
Štěpný lom – interkrystalický<br />
Štěpný lom - transkrystalický<br />
Zdroj: [6]
Tvárné porušení zkušební tyčky<br />
12 060 přeražené při teplotě<br />
100°C.<br />
Křehké porušení zkušební tyčky<br />
12 060 přeražené při teplotě 20°C.<br />
Smíšené porušení zkušební<br />
tyčky 12 060 přeražené při teplotě 65°C.<br />
Zdroj : [5]
Transkrystalické dutinové tvárné porušení oceli 12 060<br />
přeražené při teplotě 100°C.<br />
Zdroj : [5]<br />
Transkrystalické křehké porušení oceli 12 060<br />
přeražené při teplotě 20°C.
ZKOUŠKA VRUBOVÉ HOUŽEVNATOSTI<br />
VÝHODY:<br />
– jednoduchost<br />
– ekonomická a časová nenáročnost<br />
– porovnání různých stavů jednoho materiálu<br />
– porovnání různých materiálů <strong>na</strong>vzájem<br />
– měření - při pokojové teplotě - orientačně informativní výz<strong>na</strong>m<br />
– při více teplotách => přechodová křivka => přechodová teplota<br />
NEVÝHODY:<br />
– t T<br />
- udává jen min. teplotu, při které může být materiál provozován<br />
• neudává krit. <strong>na</strong>pětí, které při dané teplotě způsobí<br />
porušení<br />
• vztahuje se pouze <strong>na</strong> zkušební těleso určitých rozměrů<br />
– malá plocha pro vyhodnocení a posouzení charakteru lomu<br />
Zdroj : [2]
Kovové materiály - fcc = γ železo<br />
- o typu lomu nerozhoduje teplota<br />
Čisté kovy – lomu vždy předchází plastická deformace a tedy lom<br />
bude houžev<strong>na</strong>tý<br />
Slitiny – zablokování dislokací – lom bude křehký (<strong>na</strong>př.<br />
zvonovi<strong>na</strong>)<br />
Kovové materiály - hcp (hexagonální m.)<br />
- o typu lomu rozhoduje teplota<br />
Malý počet skluzových systémů – lom je zpravidla křehký – pouze<br />
za zvýšených teplot je možné vyvolat plastickou deformaci<br />
Kovové materiály bcc = α - železo<br />
o typu lomu rozhoduje teplota, rychlost zatěžování a<br />
<strong>na</strong>pjatost (tloušťka stěny, vruby)<br />
<br />
V závislosti <strong>na</strong> podmínkách zatěžování se mění charakter lomu.<br />
Při vyšších teplotách zpravidla je lom houžev<strong>na</strong>tý, za nízkých teplot<br />
lom křehký. Změ<strong>na</strong> charakteru lomu vlivem poklesu teploty se<br />
oz<strong>na</strong>čuje pojmem tranzitní lomové chování ocelí a teplota tranzitu<br />
(přechodu) je tranzitní teplota.<br />
Zdroj: [6]
Při havárii se prohlíží lomová plocha -<br />
fraktografie<br />
Typ lomu se rozlišuje podle mechanismu jakým vznikl.<br />
<br />
Předchází-li lomu plastická deformace nebo též přetvoření<br />
– mluvíme o tvárném lomu<br />
<br />
Nepředchází-li lomu výz<strong>na</strong>mná makro-plastická deformace, pak<br />
se lom šíří po hranicích zrn nebo v krystalografických rovinách<br />
– mluvíme o štěpném (křehkém) lomu<br />
Zdroj: [6]
Tranzitní lomové chování ocelí<br />
Změ<strong>na</strong> charakteru lomu oceli – z tvárného lomu <strong>na</strong> lom štěpný<br />
v závislosti <strong>na</strong> poklesu teploty.<br />
Jak zabránit havárii ocelové svařované konstrukce křehkým lomem<br />
- filosofie zastavení trhliny – tranzitní teplota<br />
- filosofie zabránění iniciace lomu – lomová mechanika<br />
Zdroj: [6]
ZKOUŠKY ZALOŽENÉ NA PŘECHODOVÉ TEPLOTĚ<br />
VÝHODY:<br />
– stanovení teploty, <strong>na</strong>d kterou nemůže <strong>na</strong>stat nestabilní růst trhliny<br />
s přípustnou velikostí<br />
– korelace parametrů zkoušek a skutečných podmínek;<br />
DWTT<br />
• pro ocelové plechy t T<br />
• pro tlustostěnné části t ZT<br />
- podmínka pro konstrukční materiály:<br />
tz Tσopr.<br />
= t pr<br />
- t B<br />
tz Tσopr.<br />
– teplota zastavení trhliny při provozním <strong>na</strong>pětí σ pr.<br />
a při dovolené velikosti defektu c dov.<br />
t pr<br />
– provozní teplota<br />
t B<br />
- přídavek teploty <strong>na</strong> bezpečnost<br />
Zdroj : [2]<br />
NEVÝHODY:<br />
- hodnotí odolnost materiálu proti křehkému porušení z hlediska šíření<br />
defektu, ale nevyjadřuje odolnost materiálu proti iniciaci křeh. trhliny<br />
- odolnost proti křehkému porušení není vyjádře<strong>na</strong> kvantitativně<br />
příslušným <strong>na</strong>pětím, které by umožnilo dimenzování konstrukcí<br />
- nelze aplikovat <strong>na</strong> materiály, které nemají přechod z houžev<strong>na</strong>tého<br />
stavu do křehkého (austenitické oceli, vysokopevné hliníkové slitiny)
Zkoušky rázem v ohybu provádíme za různých teplot – dostaneme<br />
tak velké množství údajů o hodnotách nárazové práce při různých<br />
teplotách.<br />
Po grafickém zpracování těchto experimentálních výsledků získáme<br />
tzv. přechodové křivky (ilustrační příklad přechodové křivky je<br />
uveden <strong>na</strong> obr). Čím více údajů máme k dispozici, tím jsou tyto<br />
křivky přesnější.<br />
Pro některé materiály má uvedená závislost dramatický průběh<br />
(křivka a), pro některé vcelku nezajímavý (křivka b).<br />
Naneštěstí výraznou závislost nárazové práce <strong>na</strong> teplotě vykazují<br />
právě běžně používané konstrukční materiály – uhlíkové oceli<br />
s prostorově centrovanou kubickou mřížkou (bcc). Naopak materiály<br />
s kubickou plošně centrovanou mřížkou (fcc) některé kovy<br />
s hexagonální mřížkou vykazují jen velmi pozvolný a hlavně<br />
relativně plynulý nárůst nárazové práce s rostoucí teplotou.<br />
Zdroj : [3]
Na křivce bcc materiálu je možno vysledovat přechodovou<br />
(tranzitní) oblast, v níž dochází v relativně úzkém intervalu teplot k<br />
velkému poklesu nárazové práce – dá se říct, že materiál při<br />
poklesu teploty přes uvedený interval zkřehne.<br />
Šířka teplotního intervalu a jeho poloha <strong>na</strong> teplotní ose stejně jako<br />
velikost poklesu nárazové práce závisí <strong>na</strong> materiálu.<br />
Poloha tranzitní oblasti <strong>na</strong> teplotní ose je specifiková<strong>na</strong> pomocí<br />
tzv. přechodové neboli tranzitní teploty T p<br />
. Je to teplota<br />
charakteristická pro daný materiál.<br />
PRACOVNÍ TEPLOTA SOUČÁSTI – V OBLASTI TVÁRNÉHO<br />
(HOUŽEVNATEHO) LOMU!!!<br />
Zdroj : [3]
ZKOUŠKA TEPLOTY NULOVÉ HOUŽEVNATOSTI<br />
NDT - nil ductility temperature<br />
- vyjadřuje odolnost materiálu proti nestabilnímu šíření trhliny<br />
ZKUŠEBNÍ TĚLESO - ploché ocelové těleso 1<br />
- <strong>na</strong>vařený křehký návar - tvrdá elektroda 2<br />
s vyfrézovaným vrubem - tj. iniciátor lomu<br />
NAMÁHÁNÍ TĚLESA.<br />
- trojbodový ohyb dy<strong>na</strong>mickou silou s omezeným průhybem pomocí<br />
<strong>na</strong>rážky 3, tak, že při max. průhybu y k<br />
se <strong>na</strong> tahové straně <strong>na</strong>pětí<br />
rovná mezi kluzu R e<br />
.<br />
Zdroj : [2]
PROVEDENÍ ZKOUŠKY<br />
rázové <strong>na</strong>máhání při snižujících se<br />
teplotách<br />
NDT<br />
– nejvyšší teplota, při které přechází<br />
lom z návaru do základního<br />
materiálu<br />
– koreluje s přechodovou teplotou:<br />
<strong>na</strong>chází se v oblasti dolního ohybu<br />
přechodové křivky<br />
– materiálová charakteristika při daném<br />
stavu <strong>na</strong>pjatosti pro b > b 0<br />
VÝHODY:<br />
- přiblížení skutečným poměrům: <strong>na</strong>pětí, složitá <strong>na</strong>pjatost,<br />
vrubové účinky defektů<br />
- určení teploty, při které <strong>na</strong>stává křehké porušení (σ < Re)<br />
- pomocné hledisko: hodnota spotřebované energie odpovídá<br />
přibližně energii pro šíření trhliny (díky s<strong>na</strong>dné iniciaci)<br />
Zdroj : [2]
ZKOUŠKA VELKÝCH TĚLES NA RÁZOVÝ OHYB<br />
DROP WEIGHT TEAR TEST - DWTT<br />
t T<br />
DWTT<br />
– přechodová teplota ocelových<br />
plechů <strong>na</strong> tlakové potrubí<br />
ZKUŠENÍ TĚLESO<br />
– velké zkušební tyče se skutečnou<br />
tloušťkou plechu<br />
– ostrý lisovaný V vrub<br />
NAMÁHÁNÍ TĚLESA<br />
– trojbodý ohyb rázem<br />
PROVEDENÍ ZKOUŠKY<br />
- padostroj nebo velkokapacitní kyvadlové kladivo – energie rázu<br />
musí stačit k přeražení jedním úderem<br />
- různé zkušební teploty<br />
Zdroj : [2]<br />
- i pro vzorky se svarem (v ose vrubu)
PHL – podíl houžev<strong>na</strong>tého lomu<br />
PKL = 100 – PHL …. podíl křehkého lomu<br />
t T DWTT - přechodová teplota odpovídající PHL = 75%<br />
Zdroj : [2]<br />
- koreluje s přechodovými teplotami <strong>na</strong>měřenými <strong>na</strong> skutečných<br />
potrubích<br />
- pokud se vyhodnotí pro PHL = 85% odpovídá zkoušce vrubové<br />
houžev<strong>na</strong>tosti (Charpy) <strong>na</strong> tělesech s V vrubem
Zkouška teploty zastavení trhliny podle Robertso<strong>na</strong><br />
TZT - teplota zastavení trhliny<br />
CAT - crack arrest temperature<br />
ZKUŠEBNÍ TĚLESO<br />
- ploché těleso se skutečnou tloušťkou<br />
s vrubem<br />
- přivaří se k upí<strong>na</strong>cím hlavám<br />
NAMÁHÁNÍ TĚLESA<br />
- tahové <strong>na</strong>pětí - dle provozu (<strong>na</strong>př. tlakové<br />
nádoby)<br />
PROVEDENÍ ZKOUŠKY<br />
- teplotní gradient<br />
- ochlazování - stra<strong>na</strong> s vrubem<br />
- ohřev - druhá stra<strong>na</strong><br />
- úder <strong>na</strong> straně s vrubem => iniciace trhliny,<br />
šíření trhliny kolmo <strong>na</strong> směr tahového<br />
<strong>na</strong>pětí<br />
- oblast s nízkou teplotou (podtranzitní): šíření<br />
velkou rychlostí- 1000 m/s<br />
- oblast s vyšší teplotou: zpomalení šíření,<br />
zastavení trhliny při t = t ZT<br />
Zdroj : [2]
t ZT<br />
- charakterizuje schopnost materiálu<br />
zastavit šíření trhliny při daném<br />
nominál. <strong>na</strong>pětí σ<br />
~ <strong>na</strong> působícím <strong>na</strong>pětí σ<br />
~ <strong>na</strong> velikosti trhliny c<br />
~ <strong>na</strong> tloušťce materiálu B<br />
σ 0<br />
- mezní <strong>na</strong>pětí: σ < σ 0<br />
=> nešíří se<br />
křehká trhli<strong>na</strong><br />
FTE - fracture transition elastic<br />
přechodová teplota lomu v elastické<br />
oblasti deformace t >FTE => nešíří<br />
se křehká trhli<strong>na</strong><br />
LTTR - limiting transition temperature<br />
range<br />
- hranice rozsahu teplot zastavení<br />
trhliny<br />
Robertsonova přechodová<br />
křivka teploty zastavení trhliny<br />
Zdroj : [2]
DIAGRAM ANALÝZY PORUŠENÍ<br />
FAD - fracture a<strong>na</strong>lysis diagram<br />
- závislost charakteru porušení <strong>na</strong> <strong>na</strong>pětí σ, teplotě t a velikosti defektu c<br />
- a<strong>na</strong>lyzuje podmínky vzniku lomu<br />
- platí pro jeden materiál<br />
SESTROJENÍ - 2 Robertsonovy křivky pro tloušťky b 1<br />
< b 2<br />
> 75 mm<br />
- 2 části:<br />
Zdroj : [2]
1. tNDT:<br />
uplatňuje se princip přechodu: stabilita trhliny ~ <strong>na</strong> t<br />
čára B 1<br />
– FTP b1<br />
- odpovídá <strong>na</strong>pětí <strong>na</strong> mezi kluzu při c 1<br />
= c krit<br />
FTP b1<br />
- přechodová teplota plastického lomu, tj. maximální<br />
teplota, pod kterou mohou vznikat lomy v elastoplastické<br />
oblasti při σ < Rm<br />
body B 2<br />
, B 3<br />
, B 4<br />
- počátky interpolačních čar pro b 1<br />
pro b 2<br />
odpovídajících kritickým délkám trhliny c 2<br />
, c 3<br />
, c 4<br />
body B 2<br />
, B 3<br />
, B 4<br />
- určují σ a t, při kterých začíná nestabilní růst trhliny<br />
příslušející kritickým délkám trhliny c 2<br />
, c 3<br />
, c 4.<br />
σ < R o<br />
- ne<strong>na</strong>stává křehké porušení ani při max. velikosti defektů<br />
Zdroj : [2]<br />
T > TZT b1<br />
- ne<strong>na</strong>stává křehké porušení pro tloušťku b 1<br />
35 / 38
Zkoušky odolnosti materiálu vůči iniciaci lomu<br />
založené <strong>na</strong> zjišťování materiálových charakteristik<br />
zavedených lomovou mechanikou
kovová deska:<br />
s jednotkovou tloušťkou<br />
nekonečnými rozměry ve směru osy x a y<br />
s průchozí trhlinou eliptického tvaru o délce 2a<br />
zatížená <strong>na</strong>pětím σ tak, aby elastická<br />
deformace desky byla konstantní<br />
↓ poloměr kořene trhliny ⇒ ↑ intenzita <strong>na</strong>pětí<br />
součinitel<br />
intenzity<br />
<strong>na</strong>pětí<br />
K<br />
= σ ⋅ π<br />
⋅<br />
a<br />
B<br />
W<br />
a
V praxi se pro popis vzniku nestabilního lomu používá rovnice:<br />
a<br />
K<br />
E G c<br />
K c<br />
Součinitel<br />
intenzity <strong>na</strong>pětí<br />
Kritická hodnota součinitele intenzity<br />
<strong>na</strong>pětí ≡ lomová houžev<strong>na</strong>tost
materiál bez defektů<br />
materiál s defekty<br />
Problém:<br />
aby při provozu nedošlo k plastické<br />
deformaci zařízení<br />
Mater. Ing.<br />
umí <strong>na</strong>lézt<br />
materiálovou<br />
charakteristiku<br />
popisující odolnost<br />
materiálu proti<br />
plastické deformaci<br />
⇓<br />
mez kluzu R e<br />
Konstruktér<br />
umí popsat<br />
provozní zatížení<br />
součástky<br />
⇓<br />
<strong>na</strong>pětí σ<br />
společně hledají materiál, který je<br />
schopen zatížení unést<br />
R e<br />
> σ<br />
Problém:<br />
aby při provozu nedošlo k nestabilnímu<br />
šíření trhliny z přítomného defektu dané<br />
geometrie<br />
Mater. Ing.<br />
umí <strong>na</strong>lézt<br />
materiálovou<br />
charakteristiku<br />
popisující odolnost<br />
materiálu proti vzniku<br />
nestabilní trhliny<br />
⇓<br />
lomová houžev<strong>na</strong>tost<br />
K C<br />
Konstruktér<br />
umí popsat<br />
provozní zatížení<br />
součástky s<br />
defektem dané<br />
geometrie<br />
⇓<br />
součinitel intenzity<br />
<strong>na</strong>pětí K<br />
hledají materiál, který je i s defektem<br />
dané geometrie schopen zatížení unést<br />
K C<br />
> K
K C
Příklad aplikace vztahu<br />
K<br />
= σ ⋅ π<br />
⋅<br />
a<br />
znám materiál (K C<br />
) a zatížení (σ ), hledám kritickou velikost defektu pro<br />
vznik nestabilní trhliny<br />
2<br />
1 K<br />
a = ⋅<br />
C<br />
C<br />
a < a C<br />
⇒ bezpečí<br />
π<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
σ<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
znám materiál (K C<br />
) a velikost defektu (a), hledám kritické zatížení pro<br />
vznik nestabilní trhliny<br />
σ<br />
C<br />
=<br />
K<br />
π<br />
C<br />
⋅<br />
a<br />
σ < σ C<br />
⇒ bezpečí<br />
znám velikost defektu (a) a zatížení (σ ), hledám materiál odolný proti<br />
vzniku nestabilní trhliny<br />
K<br />
= σ ⋅ π<br />
⋅<br />
a<br />
K < K C<br />
⇒ bezpečí
LITERATURA<br />
[1] Macek K., Zu<strong>na</strong> P.: Strojírenské materiály. ČVUT 2003.<br />
[2] Podklady pro cv ze Strojírenských materiálů v letech 2000-2005.<br />
KMM. ZČU v Plzni. Citace literatury [2] je použita v podkladech v celém rozsahu.<br />
[3]http://www.fme.vutbr.cz/opory/pdf/umvi/zk.raz.ohybu.pdf#search<br />
=%22zkou%C5%A1ky%20podle%20Izoda%20%22<br />
[4] http://mujweb.atlas.cz/www/pk80/pub/st/data/st1/zk3_2.htm<br />
[5] Kříž A. : Podklady pro cv z NM. www.ateam.zcu.cz<br />
[6] Vlach: Tranzitní lomové chování. ÚMI. Brno. www.ime.fme.vutbr.cz