WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW II
OPRACOWANIE ZAGADNIEŃ
ZIP 2011
1. Podać kryteria stosowane w tradycyjnym podejściu do wytrzymałości materiałów.
Kryterium uszkodzeń wskutek odkształcenia plastycznego: σ = Re lub σ = R0, 2 :
Re - wyraźna gr. plastyczności
R0, 2 - umowna gr. plastyczności
Kryterium maksymalnego naprężenia stycznego (hipoteza Tresci Guest’a) – Uszkodzenie nie wystąpi jeżeli max. naprężenia tnące nie osiągnie wartości gr. Plastyczności przy jednoosiowym rozciąganiu.
|σ1| ≤ σy
|σ2| ≤ σy
|σ1−σ2| ≤ σy
Kryterium maksymalnej energii odkształcenia postaciowego (hipoteza Mises-Huber-Hencky-Maxwell’a) – uszkodzenie nie wystąpi jeżeli energia odkształcenia postaciowego nie osiągnie wartości równej energii odkształcenia postaciowego potrzebnej do uplastycznienia/uszkodzenia przy jednoosiowym rozciąganiu.
$\frac{1}{2}\left\lbrack \left( \sigma_{1} - \sigma_{2} \right)^{2} + \left( \sigma_{2} - \sigma_{3} \right)^{2} + \left( \sigma_{3} - \sigma_{1} \right)^{2} \right\rbrack \leq \ \sigma_{y}^{2}$
Dla σ3 = 0 σ12 − σ1σ2 + σ22 ≤ σy2
Kryterium uszkodzenia wskutek pękania kruchego: σ = Rm
Kryterium max. naprężenia normalnego (kryterium Coulomba) – zniszczenie zachodzi, gdy max. Naprężenie główne osiąga wytrzymałość graniczną materiału dla rozciągania prostego (przyjmuje się, że wytrzymałość graniczna materiału przy rozciąganiu i ściskaniu jest taka sama).
σ1 ≥ σgran
(( Sc < {S1,S2} < St
Kryterium Mohra
2. Określić różnicę pomiędzy współczynnikiem koncentracji naprężeń i współczynnikiem intensywności naprężeń.
Współczynnik koncentracji naprężenia (Kσ) – to stosunek wytworzonego na dnie karbu naprężenia σmax do naprężenia normalnego σ. Kσ = σmax/σ ; - nie zależy od rodzaju materiału, jest funkcją konfiguracji geometrycznej defektu i obciążenia zewnętrznego); - stosowany przy ocenie spiętrzenia naprężeń wokół koncentratorów o skończonym promieniu krzywizny (np. otworów lub karbów*), w przypadku otworów kołowych max. wartość WSP. Kσ = 3; -*jeżeli rozpatruje się szczelinę w postaci otworu eliptycznego o dużej osi 2a i małej osi 2b, to współczynnik koncentracji naprężeń wynosi:σmax/σ = 1 + 2a/b σmax/σ = 1 + a/ρ , gdzie ρ- promień krzywizny na końcach elipsy. Dla szczelin ‘matematycznych’, w których ρ = 0 pojęcie to traci sens bo Kσ->∞.
Współczynnik intensywności naprężenia K – to granica, do której zmierza iloczyn naprężenia normalnego do powierzchni pęknięcia i pierwiastka kwadratowego z odległości mierzonej od frontu szczeliny pomnożonej przez czynnik 2π $K = \operatorname{}\tau_{y}(x,a)\sqrt{2\pi(x - a)}$; - nie zależy od rodzaju materiału, jest funkcją konfiguracji geometrycznej defektu i obciążenia zewnętrznego); -jest miarą naprężeń wokół wierzchołka szczeliny (poprzez szczelinę należy rozumieć przypadek granicy karbu, którego promień krzywizny zmierza do zera); -posiada wartości krytyczne: K = Kc - dla płaskiego stanu naprężeń, K = KJC - dla płaskiego stanu odkształcenia (Aby je wyznaczyć należy doświadczalnie wyznaczyć siłę (lub naprężenie) oraz rozmiar szczeliny w momencie zapoczątkowania jej propagacji)
3. Pokazać na mapie mechanizmów pękania obszar zastosowania mechaniki pękania.
Mechanika pękania zajmuje się obszarem pękania kruchego typu 1.
$K_{1C} = \sigma\sqrt{\text{πa}} = \text{const}.$ (dotyczy 1. Wykresu)
Pękanie kruche typu 1 – zachodzi przy naprężeniach niższych niż granica plastyczności.
Pękanie kruche typu 2 – występuje powyżej mikroskopijnej granicy plastyczności, ale poniżej makroskopowej Re.
Pękanie kruche typu 3 –wstępuje powyżej makroskopowej Re, ale poniżej Rm.
4.Na czym polega pękanie kruche kontrolowane zarodkowaniem pęknięć?
Pękanie kruche kontrolowane zarodkowaniem pęknięć – typ 2a – miejsca pęknięcia granicy wytrzymałości granicą plastyczności bez globalnego uplastycznienia; do pęknięcia wystarczy pojawienie się zarodków pękania:– materiał wolny od wad, nie ma żadnych pęknięć; – pęknięcie powstaje podczas obciążania powyżej granicy sprężystości; – dochodzi do poślizgu w systemach łatwego poślizgu, poniżej makroskopowej granicy plastyczności; – po przekroczeniu granicy plastyczności, gdy pojawiają się zarodki pęknięcia – materiał pęka natychmiast. Zarodkowanie pęknięć występuje najczęściej na powierzchni materiału lub w warstwie przypowierzchniowej. Mikropęknięcia powstają na ogoł w osłabionych obszarach powierzchni, gdzie pod wpływem wzajemnego działania zewnętrznych i wewnętrznych naprężeń następuje lokalne odkształcenie plastyczne. Zarodkują one wzdłuż płaszczyzn, w których występują max naprężenia styczne, tzn pod katem 45 do kierunku max naprężenia rozciągającego. Głównym miejscem zarodkowania pęknięć są trwałe pasma poślizgu - poniżej makroskopowej granicy plastyczności dochodzi do poślizgu w systemach łatwego poślizgu, po jej przekroczeniu pojawiają się zarodki pęknięć i materiał pęka natychmiastowo. Re<σ<Rm
5.Na czym polega pękanie kruche kontrolowane rozwojem pęknięcia?
Pękanie typu 3a: – materiał nie ma żadnych pierwotnych wad; – powstaje po przekroczeniu granicy plastyczności; – tworzy się przewężenie; – pęknięcia się rozwijają do momentu dojścia do granicy odporności na pękanie – po czym materiał pęka. Tworzy się przewężenie, pęknięcia rozwijają się do momentu dojścia do granicy odporności na pękanie, po czym materiał pęka. Rozprzestrzenianie pęknięcia kontroluje proces pękania i zachodzi w 2 stadiach: 1. - podkrytyczny wzrost pęknięcia - pęknięcie rozprzestrzenia się względnie powoli podczas zwiększania obciążenia; 2. - krytyczny wzrost pęknięcia -rozprzestrzenianie pęknięcia staje się niekontrolowane i nie wymaga zwiększania obciążenia - stadium to kończy proces pękania. Re<σ<Rm
6. Czym różni się pękanie kruche typu II i III od pękania kruchego typu I.
Pękanie kruche typu I | Pękanie kruche typu II i III |
---|---|
jest odpowiedzią na rozwój istniejących w materiale pęknięć, powstałych przed jego obciążeniem na etapie wytwarzania i przetwarzania go | zajmują się materiałami wolnymi od pęknięć |
występuje grubo powyżej granicy plastyczności | pktII występuje poniżej makroskopowej granicy plastyczności, pktIII – powyżej |
Wiążemy je z materiałami o wysokiej wytrzymałości więc pęknięcia nie poprzedzi odkształcenie | pkt II i III poprzedzone jest przez odkształcenie, dzięki któremu można dostrzec zagrożenie pęknięciem oraz mamy czas na interwencję i uniknięcie pęknięcia. |
Jest najgroźniejszym typem pękania kruchego gdyż rozwój pęknięcia jest niestabilny. Naprężenia osiągają pewien poziom, długość pęknięcia pewną wartość i nagle tracimy stabilność – pęknięcie osiąga wartość krytyczną i rusza w sposób katastrofalny. |
Pękanie kruche typu I występuje zawsze w zakresie odkształceń sprężystych. Kontrolowane jest przez wstępnie istniejące pęknięcia tzn. wady materiału powstałe przy jego odlewaniu czy obróbce mechanicznej. Występują zawsze poniżej makrop. Re. Przy pękaniu kruchym typu II i III musi dojść do odkształcenia plastycznego aby doszło do powstania zarodków pękania.
7. Podać wzór na krytyczne naprężenie pękania przy płaskim stanie odkształcenia.
$\sigma_{\text{kryt}} = \frac{K_{1C}}{Y\sqrt{a\Pi}}\ $
K1C – krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń dla płaskiego stanu odkształcenia
a – krytyczna długość pęknięcia
Y – współczynnik poprawkowy uwzględniający kształt i wymiary próbki : f$\ \left( \frac{a}{w} \right)$
8. Podać wzór na krytyczną długość pęknięcia.
$a_{\text{kryt}} = \frac{K_{1C}^{2}}{\sigma_{\text{kryt}}^{2}*y^{2}*2\pi}$
KIc- krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń dla PSO [Przedmiotowy System Oceniania]
σkryt- krytyczne naprężenia pękania dla PSO
y- współczynnik poprawkowy uwzględniający kształt i wymiary próbki f(Q/W)
9. Narysować wykres wytrzymałości szczątkowej.
10. Wyjaśnić jak ustala się czas inspekcji w przypadku rozwoju pęknięć dłuższych od pęknięć możliwych do wykrycia metodami badań nieniszczących.
Przypadek: ap>ad
ac- długość krytyczna
ap- dopuszczalna długość pęknięcia
ad- najmniej możliwa do wykrycia długość pęknięcia
Pęknięcie musi zostać odkryte i usunięte, bo niby będzie w obszarze spokoju, ale będzie zmierzać do katastrofy.
tu nie widzimy pęknięcia, dopiero w punkcie (t1,ad)
Wykres: Rozwój pęknięć:
Zakładamy, że przy każdej inspekcji urządzenia diagnostyczne wykazują istnienie pęknięć i informują o ich wielkości. Wtedy po wynikach inspekcji, ustalamy czas do kolejnej taki, aby przy obciążeniach z jakimi pracuje element (nominalne, ale raczej na bezpieczeństwa-max) nie doszło do rozwoju pęknięć ponad wielkość krytyczną (powyżej której dla danych б obserwujemy niestabilny rozwój pęknięć). Można nazwać nadzorowaniem z tolerancją uszkodzeń.
Czas na kontrolę dzielimy na pół i robimy inspekcję-wykrywamy pęknięcie-> usunąć je trzeba-> usunąć mechanicznie lub wymienić część (monitoring): przywracamy stan, gdzie nie widzimy pęknięcia lub jesteśmy na granicy ( ale mamy rezerwę długości między dopuszczalną a krytyczną).
11. Wyjaśnić jak ustala się czas inspekcji w przypadku rozwoju pęknięć krótszych od pęknięć możliwych do wykrycia metodami badań nieniszczących.
ap < ad
Mamy konstrukcję - pęknie, nie wiemy kiedy, nie można wykryć pęknięcia. Kontrola rozwoju pęknięć w drugim groźnym przypadku kiedy ap < ad:
ap - dopuszczalna długość pęknięcia
ad - najmniej możliwa do wykrycia długość pęknięcia
H -czas inspekcji
Tu zaczynam od wykresu a(t). Wybieram sobie długość kontrolną (wyznaczoną w laboratorium) i od tego czasu monitoruje się powrót do wykresu 1, nanosimy długość kontrolną (a proof) i patrzymy czy jest mniejsza od ap na wykresie a (sigma).
12. Narysować mapę mechanizmów pękania dla metali o sieci A1.
1 - pękanie ciągliwe
2 - pękanie pełzaniowe transkrystaliczne
3 - rozerwanie ciągliwe
4 - pękanie pełzaniowe międzykrystaliczne
13. Narysować mapę mechanizmów pękania dla metali o sieci A2.
1 - pękanie łupliwe II i/lub kruche międzykrystaliczne II
2 - pękanie łupliwe III i/lub kruche międzykrystaliczne III
3 - pękanie ciągliwe
4 - rozerwanie ciągliwe
5 - pękanie łupliwe I i/lub kruche międzykrystaliczne I
6 - pękanie pełzaniowe transkrystaliczne
7 - pękanie pełzaniowe międzykrystaliczne
14. Kiedy stosujemy mechanikę pękania, a kiedy tradycyjne kryteria wytrzymałościowe.
x (na wykresie)- to nas w klasycznej wytrzymałości nie interesuje
Klasyczne kryteria wytrzymałościowe: klasyczna mechanika zaleca sigma <R0, 2 ; przekroczysz granicę plastyczności - konstrukcja dozna odkształceń trwałych i to jest złe - projektuj w zakresie odkształceń sprężystych, wprowadź współczynnik bezpieczeństwa, zapytaj jakie maksymalne obciążenie lub sigma może być. Pękanie kruche 2 i 3 mieści się w klasyce, bo punktem krytycznym jest Re, a w pękaniu kruchym 1 ważne jest K1c (wraz z rozwojem pęknięcia)
(reszta na kolejnej stronie … )
Mechanika pękania: Krytyczna wartość intensywności naprężeń gdzie przechodzi pęknięcie w stan niestabilny. Stosowana do materiałów wysokowytrzymałych; stosuje się również w przypadku konstrukcji narażonych na działanie niskich bądź wysokich temperatur (turbiny, kotły parowe) - w podwyższone temperaturze wartość granicy plastyczności zależy od prędkości odkształcenia
Materiały wysokowytrzymałościowe: nie można uznać że są bezpieczne w tym zakresie, bo jest wrażliwy na pęknięcie. Trzeba więc monitorować. Na wykresie jest przedstawiony niestabilny wzrost pęknięć według liniowej mechaniki pękania.
15. Kiedy stosujemy liniową, a kiedy nieliniową mechanikę pękania.
Nieliniowa mechanika pękania (NMP) zajmuje się materiałami plastycznymi lub bardzo plastycznymi, mają one tę właściwość, że zanim pęknie to w całym przekroju sie uplastyczni i dopiero potem zostanie przekroczona makroskopowa granica plastyczności; dotyczy przypadków, w których odkształcenia plastyczne poprzedzające rozwój pęknięcia przekraczają wielkość określoną warunkami liniowo-sprężystej mechaniki pękania.
Liniowa mechanika pękania (LMP) - korzystamy z niej wówczas kiedy uplastycznienie zachodzi tylko w wierzchołku pęknięcia; rozpatruje przypadki, w których propagacja pęknięcia odbywa się przy bardzo małym odkształceniu plastycznym w obszarze wierzchołka szczeliny.
16. Opisać procedurę doświadczalnego wyznaczania odporności na pękanie przy płaskim stanie odkształcenia.
Pomiar wartości K1C w warunkach laboratoryjnych przeprowadza się na podstawie odpowiedniej normy, która przewiduje pomiar odporności na pękanie za pomocą próbek zginanych trójpunktowo lub rozciągania próbek zwartych, w postaci płyty z jednostronnym karbem i inicjacyjną szczeliną zmęczeniową. Wymiary próbki dobiera się dowolnie z zachowaniem podanych na rysunku zależności wymiarowych. Najbardziej istotnym wymiarem jest tzw. czynna szerokość próbki W, która powinna być równa podwójnej grubości B. Przy doborze grubości próbki korzysta się z tabeli określającej przybliżoną wartość B w zależności od $\frac{R_{e}}{E} \bullet \ 10^{- 3}\ $
Norma podaje tolerancje poszczególnych wymiarów i chropowatości oraz zależności między powierzchniami.
Przeprowadza się rozrywanie próbki na maszynie wytrzymałościowej za pomocą uchwytów ze sworzniami umieszczonymi w otworach próbki. Dokonuje się przy tym rejestracji siły obciążającej P w funkcji rozwarcia szczeliny V, za pomocą tensometrycznego czujnika przemieszczeń wpiętego w krawędzie szczeliny. Uzyskany wykres siły w funkcji rozwarcia szczeliny może odpowiadać jednemu z trzech typów wykresów.
siła rośnie liniowo. Pęka na dwie części.
Z tej zależności wyznaczamy wartość K Q(zastępcza wartośc współczynnika intensywności naprężenia jeżeli
Pmax/PQ≤1,1 to: KQ=(PQ/BW1/2)f(a/W), (a/W)współczynnik korekcyjny,
a- długość pęknięcia,
B- grubość próbki,
W- szerokość próbki.
Wartość KIC odpowiada wartości KQ jeżeli są spełnione następujące nierówności: a>=2,5(KQ/Re)2 B>=2,5(KQ/Re)2 . Nie spełnienie powyższych warunków wymaga powtórzenia badań na próbkach o większej grubości.
17. Podać kryteria, jakie muszą być spełnione, aby możliwe było uznanie KQ za KIC.
Wartość KQ należy wyznaczyć na podstawie zależności P=f(V) gdy
Pmax/PQ<=1,1 to
KQ=(Po/(BW)1/2)+(a/W)
Wartość KIC odpowiada wartości KQ jeżeli są spełnione nierówności:
a>=2,5(KQ/Re)2
B>=2,5(KQ/Re)2
a-długość pęknięcia
B- grubość próbki
W- szerokość próbki
KQ- zastepcza wartość współczynnika intensywności naprężenia
Niespełnienie powyższych warunków wymaga powtórzenia badań na próbkach o większej grubości.
18. Określić relacje pomiędzy długością pęknięcia i promieniem strefy uplastycznienia dla liniowej i nieliniowej mechaniki pękania.
W przypadku liniowej mechaniki pękania (σpęk <<R0,2) rozwojowi pęknięcia towarzyszy uplastycznienie wierzchołka o wymiarach takich że promień jest znacznie mniejszy od długości pęknięcia r0<<2a, występuje w materiałach wysokowytrzymałych, pęknięcia mogą się rozwijać poniżej granicy plastyczności, dochodzi do uszkodzenia i następuje nagły rozwój pęknięcia, natomiast w nieliniowej mechanice pękania(σpęk >R0,2) promień jest porównywalny z długością pęknięcia r0~2a, po osiągnięciu pewnej wartości następuje rozwój pęknięcia, lecz będzie rozwijał się stabilnie, po przekroczeniu dwóch linii rozwija się niestabilnie.
NMP LMP
19. Wyjaśnić mechanizm pękania poślizgowego.
Pękanie poślizgowe – defekt objętościowy, powstaje w wyniku ścinania niekrystalograficznego i obrotu. Polega na rozwieraniu materiału wzdłuż mezoskopowych pasm ścinania na skutek poślizgu struktur dyslokacyjnych (które doznały dezorientacji od 20 stopni -40 stopni)1. na rysunku: Pękanie wzdłuż pasm ścinania. 2. Pękanie wzdłuż pierwotnych zdefektowanych granic ziaren. Pękanie poślizgowe zależy od energii błędu ułożenia. Jest to pękanie ciągliwe, które powstaje w wyniku działania naprężeń stycznych. Pękanie ścinanego materiału polega na rozerwaniu materiału wzdłuż mezoskopowych pasm ścinania. Pękanie to może się rozwijać początkowo wzdłuż pasma ścinania, polega na utracie spójności poszczególnych warstw materiału W drugim przypadku pękanie może rozwijać się wzdłuż zdefektowanych granic ziaren.
20. Określić zasady sterowania pękaniem poślizgowym.
Sprowadza się do:
-Zmiany kierunku pasm ścinania poprzez:
*jednoosiowe ściskanie (nie eliminuje pękania poślizgowego podczas
ścinania)
*trójosiowy stan naprężeń (może wyeliminować pękanie poślizgowe)
*naprężenia rozciągające – przyspieszają pękanie i pozostają powierzchnie
pęknięcia (ciecie bezodpadowe)
- przebudowy podstruktury w obrębie pasm ścinania
*rekrystalizacja dynamiczna (bardzo gładka powierzchnia pęknięcia)
-zmiany współczynnika umocnienia materiału
*pierwiastki stopowe
*nagniatanie powierzchni
*obniżenie temp. materiału
-zmiany energii błędu ułożenia
*mała – wiór elementowy
*pośrednia – segmentowy
*duża – ciągły
Pękaniu poślizgowemu przeciwdziała cementyt kulisty na granicy ziaren
21. Podać przykłady zastosowań mezomechaniki w modelowaniu procesów mechanicznej obróbki materiałów.
Mezomechanika ma swoje zastosowanie w modelowaniu procesow: obrobki skrawaniem, wykrawania, toczenia, przecinania, okrawania, obrobki ściernej i wygładzania. Istotą mezomechaniki jest to, iż bierze ona pod uwagę synergizm zjawisk zachodzących na rożnych poziomach skali, to jest: -mikro, -mezo i -makro. Uwzględnia ona trojwymiarowy rodzaj defektow struktury. Defekty te poruszają się nie tylko wskutek ścinania, ale też wskutek obrotu. Samo ścinanie jest przy tym ścinaniem niekrystalograficznym.
Mezoskopowo-makroskopowy model mechanizmu pękania poślizgowego tłumaczy synergizm następujących po sobie mechanizmow lokalizacji odkształceń i pękania materiałow. Wykazano, iż u podstaw obu tych mechanizmow leży to samo zjawisko, to jest lokalizacja odkształceń w izotermicznych, mezoskopowych pasmach ścinania. Opracowany model generuje zarowno kryteria sterowania lokalizacją odkształceń, jak i przebiegiem pękania. Dzięki temu stwarza on nowe możliwości w zakresie zapobiegania i/lub wykorzystywania pękania poślizgowego do celow technicznych. Metody badania wartości i rozkładu odkształceń w strefie ścinania oraz elektronomikroskopowe metody badania i sterowania własnościami mezostruktur, wpływ na kształt wiora, wpływ na kształt powierzchni pękania: 1. ścinanie klasyczne – duże przemieszczenie na granicach ziaren - wklęsło-wypukła powierzchnia pękania 2. ścinanie z rozciąganiem – brak przemieszczeń po granicach ziaren – płaska powierzchnia pękania 3. ścinanie z rekrystalizacją dynamiczną – zanik czułości pasm ścinania na rozciąganie 4. ścinanie ze ściskaniem – zmiana orientacji pasm ścinania – wielokrotne pękanie
12. Zbiornik pod ciśnieniem. Podać i przedstawić graficznie warunki uplastycznienia przed pękaniem.
Kryterium uplastycznienia przed pęknięciem:
πac<= C2*(KFC/σf)2
M2=KIC/σf wskaźnik materiałowy
Ścianki bezpiecznego zbiornika niskociśnieniowego powinny odkształcać się plastycznie przed jego pęknięciem
Kiedy zobaczymy wybrzuszenie jest to sygnał, że zbiornik odkształci się plastycznie, ale pęknie dużo później.
7. Zbiornik pod ciśnieniem. Podać i przedstawić graficznie warunki wycieku przed pękaniem.
Kryterium wycieku przed pękaniem: (nie będzie przekroczona granica plastyczności)biornik taki, że σekspoatacji mniejsza od R0,2 i dla tego σeksploatacji krytyczna długość pęknięcia wynosi akryt.
….. reszta na kolejnej stronie
Tu peknięcie przejdzie przez ściankę
Grubośc ścianki zbiornika powinna być mniejsza niż akryt, wtedy drobny wyciek ze zbiornika. Pęknięcie przechodzi przez grubość, ale zbiornik nie ulega destrukcji, spada ciśnienie w nim.
Daje sygnał bez monitoringu. Wiemy gdzie lokalnie zmniejszyło się ciśnienie, bo tam doszło do rozszczelnienia i nastąpił wyciek. Z tego kryterium można robić rury, które będą spoczywać na dnie mórz i oceanów.
Tym większe jest p-ciśnienie im większy będzie stosunek(KFC2/σf) i jest to nowy wskaźnik materiałowy
σ=(CKIC)/(πt/2)1/2
t>=pR/2σf
p<=(4C2/πR )* (KFC2/σf)
M3=KIC2/σf
Zbiornik wysokociśnieniowy powinien natomiast przeciekać, zanim nastąpi jego pęknięcie.
13. Pokazać na mapie mechanizmów pękania obszar zastosowania pękania poślizgowego.
Z tego co przeczytałam w tych notatkach i zrozumiałam że to pękanie poślizgowe charakteryzują powstale pasma ścinania czyli tak jak dla ciągłego. I dlatego daje ten wykres ale reki uciąć nie dam;(
15. Podać przykłady zastosowań modelu mechanizmu pękania poślizgowego wzdłuż pasm ścinania.
Nie mogłam tego znależć