Instytut In

ż

ynierii Materiałowej

Politechnika Łódzka

Temat wykładu:

Nauka o materiałach

Prowadz

ą

cy:

Wykład z przedmiotu:

Zjawiska p

ę

kania, zm

ę

czenia i

pełzania w materiałach

Dr in

ż

. Bo

ż

ena Pietrzyk

1

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Właściwości mechaniczne materiałów

•

moduł sprężystości,

•

granica plastyczności,

•

wytrzymałość,

•

twardość,

•

odporność na pękanie,

•

wytrzymałość zmęczeniowa,

•

odporność na pełzanie

Zjawiska występujące w materiałach

w trakcie eksploatacji

• nagłe pękanie

• zmęczenie materiału

• pełzanie

• utlenianie i korozja

• tarcie i zużycie trybologiczne

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Pękanie plastyczne
Występuje w materiałach plastycznych (metalach) - o dużej wiązkości.
Przebiega przez uplastycznienie strefy wokół krawędzi istniejącego
pęknięcia.
Uplastycznienie tej strefy pochłania znaczne ilości energii.
Przełom ma szorstką powierzchnię

Mikromechanizmy pękania

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Kruche pękanie
Występuje w materiałach o wysokiej granicy plastyczności,
(bliskiej R

m

) – o małej wiązkości

Przełom ma gładką powierzchnię

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Nagłe pękanie

Nagłe pękanie spowodowane jest obecnością pęknięć i przebiega
jako wzrost tych pęknięć z szybkością rozchodzenia się dźwięku w
materiale

Warunek nagłego pękania:

σ √ π

a =

√

EG

c

σ −

naprężenie

a - długość pęknięcia
E - moduł Younga
G

c

- wiązkość materiału (krytyczna szybkość uwalniania energii)

energia wydatkowana na utworzenie jednostki pola pęknięcia [kJ/m

2

]

Κ = σ √ π

a - współczynnik intensywności naprężeń

Κ

c

=

√

EG

c

- krytyczny współczynnik intensywności naprężeń

Zjawisko nagłego pękania występuje gdy K ≥ K

c

Nagłe pękanie wystąpi w materiale poddanym działaniu naprężeń

σ,

jeżeli pęknięcia

w tym materiale osiągną krytyczną wartość a, lub jeżeli w materiale, w którym

występują pęknięcia o długości a, zostanie osiągnięte naprężenie

σ.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

ceramika
specjalna

ceramika
tradycyjna

szkło

stale miękkie

stale
ś

redniowęglowe

stopy Al

polietylen
polipropylen

ż

ywice

epoksydowe

kompozyty

G

c

K

c

Porównanie odporności na nagłe pękanie dla różnych grup materiałów

Dla niektórych materiałów (metale) wiązkość zależy od temperatury i zmienia
się skokowo poniżej progu kruchości. Wiązkość określa się w próbie udarności.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Modyfikacja odporności na nagłe pękanie
(materiałów kruchych)

1. Uzyskiwanie odpowiedniego stanu naprężeń w materiale:
- naprężenia ściskające (na powierzchni)

2. Mikrostruktura:
- zmniejszenie wielkości ziarna
- obecność wydzieleń

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Zniszczenie zmęczeniowe

Może zachodzić przy obciążeniach mniejszych niż przy działaniu
jednokierunkowym - najczęściej 0,35 - 0,60 R

m

(poniżej granicy plastyczności),

Zmęczeniem nazywane są zmiany występujące w materiale pod
wpływem okresowo zmiennych naprężeń prowadzące do zniszczenia
materiału przez peknięcie

Zniszczenie zmęczeniowe może prowadzić do wielu poważnych awarii.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Zniszczenie zmęczeniowe

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Przełom zm

ę

czeniowy

8

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Na zniszczenie zmęczeniowe narażone są elementy w których występują

koncentracje naprężeń takie jak karby, rysy, ostre zmiany przekroju

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Wytrzymało

ść

zm

ę

czeniowa Z (granica zm

ę

czenia) jest to

maksymalne napr

ęż

enie s

max

dla danego cyklu napr

ęż

e

ń

, przy

którym element nie dozna zniszczenia po osi

ą

gni

ę

ciu umownej

granicznej liczby cykli napr

ęż

e

ń

(dla stali N = 10*10

6

)

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Pełzanie

Pełzanie to proces powolnego, ciągłego odkształcenia
plastycznego, które zachodzi w podwyższonej temperaturze,
przy naprężeniach niższych od granicy plastyczności.

Pełzanie zachodzi w temperaturach wyższych niż
0,3 - 0,4 T

M

dla metali

0,4 - 0,5 T

M

dla ceramik,

gdzie T

M

jest temperaturą topnienia

Krzywa pełzania

Przebieg procesu pełzania zależy nie tylko od naprężenia, temperatury i czasu.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Dla ustalonej szybkości pełzania

ε = Α σ

n

e

(-Q/RT)

gdzie

ε

- szybkość pełzania,

σ

- naprężenie

A - stała pełzania
n - wykładnik pełzania: n=3-8, dla małych

σ:

n

≈

1

Q - energia aktywacji pełzania
R - stała gazowa (8,31 J /mol K)
T - temperatura [K]

Konsekwencje pełzania:

• przy stałym naprężeniu, odkształcenie rośnie z upływem czasu nawet do

zniszczenia materiału

• przy stałym odkształceniu naprężenie z czasem ulega relaksacji

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Mechanizmy pełzania

Pełzanie dyslokacyjne:
Odkształcenie plastyczne materiału zachodzi na skutek poślizgu
dyslokacji uruchomionych dzięki dyfuzyjnemu wspinaniu się dyslokacji.
Siłą napędową wspinania się dyslokacji jest naprężenie.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Pełzanie dyfuzyjne:
Zachodzi przy małych naprężeniach i wysokich temperaturach poprzez
wydłużenie ziarn materiału.

Proces ten zachodzi na skutek:

- dyfuzji atomów po granicach ziarn, dla niższych temperatur (mniejszych
T/T

M

), - przez dyfuzję objętościową dla większych T/T

M

.

Mechanizmy pełzania

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Uszkodzenia wywołane pełzaniem

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Wytrzymałość na pełzanie

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Cechy materiałów o wysokiej odporności na pełzanie:

• wysoka temperatura topnienia

• ruch dyslokacji utrudniony przez tworzenie roztworów stałych i obecność

wydzieleń stabilnych w temperaturze pracy

• obecność wydzieleń na granicach celem ograniczenia migracji granic ziarn

• duże ziarna, które wydłużają drogę dyfuzji i ogranicza rolę dyfuzji po

granicach ziarn