Zniszczenie przez odkształcenie plastyczne na zimno, jego dyslokacyjny mechanizm:

Zniszczenie - trwałe odkształcenie elementu wywołane różnymi czynnikami.

Odkształcenie plastyczne - reakcja materiału na naprężenia powstałe w wyniku przyłożonych obciążeń zewnętrznych. Zachowanie sprężyste oznacza, że odkształcenie znika po usunięciu naprężenia . Dalszy wzrost naprężeń powoduje przekroczenie granicy plast., a w konsekwencji trwałą zmianę kształtu, która zależy od stopnia odkształcenia plastycznego.

Odkształcenie plastyczne na zimno następuje podczas odkształcenia przeprowadzonego poniżej temperatury rekrystalizacji, wywołuje zmiany w strukturze krystalicznej, powoduje zwiększenie się dyslokacji oraz defektów punktowych, które wpływa na zwiększenie się energii wewnętrznej.

Odkształcenie plastyczne zachodzi w metalach na drodze poślizgu oraz bliźniakowania mechanicznego, w obu przypadkach poprzez ruch dyslokacji. liniowych defektów sieciowych) w kierunku poślizgu.

Odkształcenie poprzez poślizg następuje w uprzywilejowanych płaszczyznach krystalograficznych, w kierunkach o najgęstszym ułożeniu atomów. rys. 1.1

Bliźniakowanie mechaniczne - skręcenie pewnej objętości sieci krystalograficznej o stały określony kąt względem płaszczyzny nieodkształconej. Bliźniak porusza się w metalu z prędkością dźwięku.

Każda przeszkoda na drodze przemieszczającej się dyslokacji powoduje umocnienie materiału.

Zniszczeniem przez zmęczenie nazywamy procesy zachodzące pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń które mogą być:

- wyższe od granicy plastyczności R_e - zmęczenie niskocyklowe

- niższe od granicy plastyczności R_e - zmęczenie wysokocyklowe

 

Pęknięcie zmęczeniowe rozwija się stopniowo, pogłębiając się powoli na przekroju przedmiotu. Po krytycznym osłabieniu przekroju następuje nagłe pęknięcie pozostałej części. Pęknięcia te zarodkują na występujących na powierzchni elementu nieciągłościach (np: karbach) lub wtrąceniach niemetalicznych oraz cząstkach innej fazy. W tych miejscach powstają koncentracje naprężeń, które stają się początkiem przełomu zmęczeniowego.

 

Definicja wytrzymałości zmęczeniowej wynika z zależności między wielkością amplitudy naprężenia zmiennego σ a liczbą cykli wywołujących pękniecie N. Zależność taka jest przedstawioną za pomocą krzywej Wohlera..

rys. krzywej Wohlera

 

Dla elementów pozbawionych pęknięć (np.: wały, sworznie) - pękanie kontrolowane procesem inicjacji pęknięcia.

a) wysokocyklowe zniszczenie zmęczeniowe - zniszczenie zmęczeniowe poniżej granicy plastyczności, ponad 10⁴ cykli do zniszczenia np.: koła, półosie, elementy silników

b) niskocyklowe zniszczenie zmęczeniowe - zniszczenie zmęczeniowe, powyżej granicy plastyczności, poniżej 10⁴ cykli do zniszczenia np.: kadłuby samolotów, części turbin, elem. rdzeni reaktorów atomowych

 

Znając parametry materiału (stałe materiałowe) można obliczyć ilość cykli do zniszczenia N_f :

- dla zakresu niskocyklowego (σ>R_e) posługując się prawem Coffina-Mansona  ∆ε_pl*N_f^b=C₂ b i C₂ to stałe materiałowe rys. z wykładu str nr 6

- dla zakresu wysokocyklowego (σ<R_e) posługując się prawem Basquina ∆ε*N_f^a=C₁ a i C₁ , ∆ε - amplituda cyklu, N_f - ilość cykli do zniszczenia

 

Dla elementów z pęknięciami (np.: pęknięcia spawalnicze) - pękanie kontrolowane procesem rozwoju pęknięć np.: praktycznie każda duża konstrukcja, a w szczególności konstrukcje spawane: mosty, statki.

 

Inne, rzadziej spotykane rodzaje zmęczenia: zmęczenie cieplne: lufa armatnia, zmęczenie termokompensacyjne: elementy energii parowej, energetycznej.

 

4. Zniszczenie przez pełzanie  materiałów,  temperatura  krytyczna, krzywa pełzania przy stałym T i  σ, charakterystyki  pełzania, (R_z/t, R_ε/t).

 

Materiały pracujące w podwyższonych temp. odkształcają się trwale przy naprężeniach znacznie niższych od granicy plastyczności, a odkształcenie zachodzi przy stałym naprężeniu i jest zależne od czasu. Takie odkształcenie nazywamy pełzaniem. Zniszczenie przez pełzanie należy uwzględniać przy wyższych temperaturach eksploatacji T > T_kr.

Dla stali 400-550ºC, ~30ºC dla lodu, polimerów.

T_kr w ogólnym przypadku zależy od temp topnienia T_s  T_kr=α* T_s, gdzie α = 0.3-0.4 dla stopów metali, α=0.4-0.5 dla ceramik.

Odkształcenie przy pełzaniu ε_p = f(T, σ, τ)

Próby pełzania przeprowadza się przy temp. T i naprężeniu σ rejestrując odkształcenie ε_p i czas τ. Próby te charakteryzują się dużą czasochłonnością (miesiące i lata 10000 ~1 rok i 2 miesiące), aby je skrócić stosuje się różne modele pełzania a próby przeprowadza przy wyższych temperaturach i naprężeniach.

 

Charakterystyki pełzania:

R_ε/τ - naprężenie, które przy danej temp. po czasie τ odkształci próbkę do wartości ε. np.: R_1%/10000h

R_Z/τ - naprężenie, które przy danej temp. po czasie  τ spowoduje zniszczenie próbki. np.: R_Z/1000h

 

Typowym wykresem jest poniższy wykres, w którym możemy wyróżnić trzy zakresy, odpowiadające trzem stadiom pełzania.

Stadium I – cechuje się zmniejszeniem nachylenia krzywej, co wskazuje na spadek prędkości pełzania. W okresie tym decydującą rolę odgrywają procesy, które umacniają materiał, jak wzrost gęstości defektów, zgniot oraz procesy wydzielania. Z upływem czasu zaczynają się rozwijać procesy przeciwdziałające umacnianiu, aż wreszcie ustala się równowaga dynamiczna materiału.

Od tego momentu zależność wydłużenia od czasu jest prostoliniowa (stadium II). Do czynników osłabiających należą: zdrowienie i rekrystalizacja lub rozpuszczanie wydzieleń.

W stadium III następuję wzrost nachylenia krzywej, co jest związane ze zwiększeniem naprężeń w wyniku zmniejszenia czynnego przekroju próbki. Zmniejszenie to jest spowodowane powstaniem wewnętrznych pustek wskutek poślizgu po granicach ziarn, a następnie utworzeniem się szyjki.

Odkształcenie w wyniku pełzania jest wynikiem zachodzenia trzech różnych procesów:

•         dyfuzyjnego ruchu wakacji między obszarami znajdującymi się pod działaniem naprężeń rozciągających i ściskających

•         ruchu dyslokacji przez poślizg i wpinanie w ziarnach

•         poślizgu po granicach ziarn

Korozja to niszczenie materiałów pod wpływem chemicznej lub elektrochemicznej reakcji z otaczającym środowiskiem. Pierwotnie używano tego terminu do określania procesów powodujących niszczenie metali. Obecnie można spotkać się z pojęciami: korozja betonów, korozja tworzyw sztucznych (starzenie) itp. Korozję żelaza i jego stopów nazywa się często rdzewieniem, natomiast metale nieżelazne korodują, lecz nie rdzewieją.

Bardziej ogólną definicję podaje PN-EN ISO 8044. : korozja – oddziaływanie fizykochemiczne między metalem i środowiskiem, w wyniku którego powstają zmiany we właściwościach metalu, które mogą prowadzić do znacznego pogorszenia funkcji metalu, środowiska lub układu technicznego, którego są częściami.

Istnieje wiele sposobów klasyfikowania zjawisk korozyjnych. Najczęściej stosuje się podziały według:

•         mechanizmów

•         typów zniszczeń korozyjnych

•         środowisk

•         zastosowań (gałęzi przemysłu)

Podział według mechanizmów korozji. W odniesieniu do metali najwygodniej przyjąć podział według mechanizmów lub typów zniszczeń korozyjnych. Wyróżniamy dwa podstawowe mechanizmy procesów korozyjnych: elektrochemiczny i chemiczny.

Zgodnie z mechanizmem elektrochemicznym zjawiska korozyjne zachodzą w środowiskach przewodzących prąd elektryczny w wyniku wędrówki jonów. Mechanizm chemiczny obserwuje się w suchych gazach, bezwodnych środowiskach organicznych itp.

Korozja elektrochemiczna

Korozja elektrochemiczna jest najbardziej rozpowszechnionym rodzajem korozji z jakim spotykamy się codziennie. Powstaje ona w środowisku wilgotnym i ma mechanizm elektrochemiczny, który polega na tworzeniu się lokalnych ogniw korozyjnych na powierzchni metalu (rys.16). W każdym przypadku istotnym składnikiem tych ogniw jest roztwór elektrolitu, który powstaje w wyniku rozpuszczenia w wodzie takich substancji jak tlen, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu i inne. W przypadku deszczu lub konstrukcji ukrytych pod wodą na powierzchni metalu pojawia się nieskończona ilość takich ogniw korozyjnych a cała powierzchnia przykryta jest warstwą wody.