5. Az acélszerkezetek méretezésének különleges kérdései: rideg törés, fáradás.

Átírás

1 MAGASÉPÍTÉSI ACÉLSZERKEZETEK 5. Az acélszerkezetek méretezésének különleges kérdései: rideg törés, fáradás. KÉSZÜLT FERNEZELYI SÁNDOR EGYETEMI TANÁR ELŐADÁSI JEGYZETEI ÉS AZ INTERNETEN ELÉRHETŐ MÁS ANYAGOK ALAPJÁN

2 Az acél szakító diagrammja Lineáris szakasz Arányossági határnak Folyási határ (f0) Folyás Felkeményedés Kontrakció Szakító szilárdság (fu) Szakadó nyúlás

3 Az anyag ellenállást a törésig bekövetkező energia felvétel jellemzi. Ez az a munka, amit a ható erő (F) végez elmozdulás (ds) formájában az anyagon a törés bekövetkeztéig: E L F ds Átalakítással, a fentiből, megkapjuk a belső erők (feszültségek) fajlagos munkáját: L V d A törési munkát a feszültség alakváltozás diagramm alatti terület mutatja meg. Acél anyag esetén ez, a jó képlékeny tulajdonságoknak köszönhetően nagy. Az anyag szívós (nem rideg).

4 Az anyag viselkedése dinamikus terhelés hatására A szívósság vizsgálata Az anyagok lehetnek: szívósak, képlékenyek és ridegek.

5 Szívós vagy képlékeny anyag a törést jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzi meg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű

6 Rideg, nem képlékeny törés A rideg, nem képlékeny törés esetében a törést nagyon kicsi vagy semmi maradó alakváltozás sem előzi meg, és viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez.

7 A törés folyamata repedés keletkezéséből a repedés terjedéséből, majd az anyag végső szétválásából áll. A repedésterjedés lehet lassú, ilyen a kúszás és kifáradás, vagy a terhelés növelése mellett bekövetkező szívós törés illetve gyors, instabil, ami alakváltozás nélküli rideg töréshez vezet

8 Mitől függ egy anyag töréssel szembeni viselkedése? függ magától az anyagtól, annak állapotától (összetétel, mikroszerkezet), de jelentős mértékben függ az un. állapottényezőktől, a hőmérséklettől, a feszültségállapot jellegétől és az igénybevétel sebességétől

9 Az anyag és annak állapota 1 Rideg törésre rendkívül hajlamosak a Kovalens vagy ionos kötéssel rendelkező anyagok, (alacsony kristály szimmetria) pl. kerámiák, rideg kompozitok, nagyszilárdságú acélok, pl. edzett szerszámacélok, hexagonális rácsszerkezetű fémek, mint pl. a magnézium. Bennük a legkisebb hiba is beindíthatja a rideg törést

10 Az anyag és annak állapota 2 Szívós anyagok fémek lapközepes köbös szerkezettel pl. az alumínium vagy a réz, a polimerek jelentős része alakváltozásra hajlamos, még nagy méretű hibák mellett is szívósan viselkednek.

11 Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére a hőmérséklet csökkenése a rideg törést segíti elő, mert akadályozza a képlékeny alakváltozást.

12 Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére A feszültség állapot három tengelyű nyomás elősegíti a képlékeny alakváltozást. a három tengelyű húzás, minden anyag esetében rideg törést eredményez.ugyancsak a rideg törést segíti elő a többtengelyű feszültségi állapot, a bemetszések, a belső anyaghibák.

13 Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni viselkedésére Az igénybevétel sebességének növelése bizonyos tartományon belül a ridegséget segíti elő, hiszen az alakváltozás a diszlokációk mozgása, és ahhoz idő kell. Nagyon nagy alakítási sebességek esetén a fémek képlékenyen viselkednek.

14 Ridegtörési problémák Az olyan anyagok, mint az acélok bizonyos körülmények között ridegen törhetnek. A jelenségre, hogy az acéloknál bizonyos körülmények között nem ad elegendő biztonságot a hagyományos méretezés, katasztrófák hívták fel a figyelmet.

15

16 A katasztrófákban közös volt a nagyméretű szerkezetek előzetes alakváltozás nélkül törtek, a terhelés jóval a megengedett terhelés alatt volt, a repedés nagysebességgel terjedt, a katasztrófák minden esetben hidegben következtek be, az anyagok a hagyományos vizsgálatoknak megfeleltek.

17 A megfigyelésekből leszűrhető volt hogy a nagy méretű, hidegben üzemelő, dinamikusan igénybevett szerkezetek esetében a hagyományos méretezés nem nyújt elegendő biztonságot.

18 A ridegtöréssel szembeni ellenállás vizsgálata A rideg töréssel szembeni biztonság vizsgálata során meghatározzuk, hogy adott anyag és szerkezet milyen feltételek esetén fog szívósan illetve ridegen viselkedni. A probléma több oldalról is megközelíthető. a szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján, törésmechanika.

19 A szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján Charpy féle ütővizsgálat Az ütve hajlító vizsgálat (MSZ EN ) célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. A dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás a szívósság.

20 Charpy vizsgálat A próbatest 10x10x55 mm méretű és 2 mm mély V (vagy U alakú) bemetszéssel van ellátva

21 Charpy vizsgálat

22 Charpy vizsgálat A kísérlet során a próbatestben elnyelt munka az ütőmunka K = G r (h o - h 1 ) J

23 Mitől függ az ütőmunka? A hőmérséklet függvényében felvett ütőmunka görbék lehetővé teszik a szívós és a rideg állapot közötti átmenet hőmérsékletének kijelölését.

24 Törésmechanika A törésmechnika feltételezi, hogy a gyakorlatban előforduló anyagok minden esetben tartalmaznak hibákat és azt vizsgálja, hogy milyen feltételek esetén kezdenek el ezek a hibák instabil vagy katasztrofális módon terjedni. A megválaszolandó kérdés tehát az, hogy : adott feszültségi állapotban mekkora lehet a hiba, adott hiba, milyen feszültségi állapotban kezd el instabilan terjedni.

25 Az anyagok szívósságának vizsgálata Törésmechanika A vizsgálatokkal olyan, méretezésre is alkalmas anyagjellemzőket ( K IC és COD, G Ic ) határozhatunk meg, amelyek a külső terhelés és a szerkezetben megengedhető hibaméret között állítanak fel összefüggést, és alkalmasak annak eldöntésére, hogy adott anyagból, adott hibamérettel rendelkező szerkezet adott terhelés mellett ridegen törik-e.

26 Kérdés: - adott feszültségi állapotban mekkora az a hibaméret, mely nem kezd el terjedni instabil módon, - adott hiba, milyen feszültségi állapotban kezd el instabilan terjedni.

27 A belső hibák, repedések környezetében a feszültségeloszlá s megváltozik. Feszültségcsúcsok

28 Feszültség koncentráció feszültséggel terhelt lemez 2a hosszúságú, ellipszis alakú hiba középen lekerekítési hibával max. 1 2 a ha az ellipszis repedéshez konvergál << a max 2 a

29 Kör alakú hiba: a max. 1 2 Zárt repedés jellegű hiba, melynek hossza 2 mm, a repedésvég lekerekítési sugara: 1 m 1 / max

30 Hogyan viselkedik terhelés során egy repedést tartalmazó szerkezeti elem? Az 1. szakaszban az alakváltozás rugalmas, ez a lineárisan rugalmas törésmechanika szakasza (LRTM), a 2. szakaszban a repedés csúcsában kialakuló képlékeny alakváltozás kicsi, ez a kis képlékeny tartományú LRTM területe a 3. a képlékeny törésmechanika (KTM) területe. A 4. szakaszban az egész keresztmetszet képlékenyen alakváltozik.

31 Feszültségintenzitási elmélet (Irwin modell, LRTM) A csúcstól való r távolság függsényében: x y xy. a 2r. a 2r. a 2r 3 cos 1 sin sin cos 1 sin sin sin cos cos xy = yz z =0 sík feszültségi állapot esetén z =( x + y ) sík alakváltozási állapot esetén, ahol a Poisson szám

32 x y xy Feszültségintenzítási tényező. a 2r. a 2r. a 2r 3 cos 1 sin sin cos 1 sin sin sin cos cos K.a A feszültségintenzitási tényező a repedés környezetében kialakuló feszültségek nagyságát jellemzi.

33 Az instabil repedésterjedés megindulásához a feszültségintenzitási tényező kritikus értéke tartozik: K c Mértékegysége: MPa m 1/2 Az instabil repedés terjedés feltétele: K = K c Repedési módok: K Ic ; K IIc ; K IIIc

34 A K Ic kísérleti meghatározása A próbatestet a törési szívósság meghatározása előtt fárasztó vizsgálattal elő kell repeszteni. A terhelés során fel kell venni az erőt a bemetszett felületek egymáshoz képesti elmozdulásának függvényében.

35 Az instabil repedésterjedés megindulásakor K a Ic c

36 A K Ic meghatározása Terhelés - bemetszett felületek közötti elmozdulás görbék A repedés instabil terjedését az jellemzi, hogy a repedés kinyílása csökkenő, esetleg változatlan erő mellett is folytatódik.

37 Fajlagos törési szívósság K Ic

38 Alkalmazás feltétele a próbatestben, alkatrészben az alakváltozás túlnyomórészt rugalmas legyen A legtöbb fém esetében ezek a feltételek csak nagy anyagvastagságoknál teljesülnek.

39 Kis képlékeny tartományú törésmechanika A képlékeny zóna alakja A legtöbb esetben a repedéscsúcs előtt kialakuló képlékeny zóna mérete nem hanyagolható el.

40 Az acélfajták jelölése az EN szerint Az acélfajták jelölése az EN szerint a következő jelcsoporttal történik: S nnn xx yy (pl. S 355 J2 G3) ahol S szerkezeti acélról van szó nnn az előírt legkisebb folyáshatár N/mm 2 -ben xx az előírt hőmérsékleten mérhető minimális ütőmunkára utaló két karakter yy felhasználhatóságra vagy különleges kezelésre utaló jelek

41 Feszültségszint meghatározása Először a vizsgált elemben a várható repedés kezdőpontjában ébredő feszültséget (σ Ed ) kell kiszámítani, mint névleges feszültséget, a következő (rendkívüli) tehercsoportosításból: Ed E A TEd " " GK " " 1 QK1 " " 2i amelyben a fő hatás az üzemi hőmérséklet (T Ed ), ami a szerelési hőmérséklettől való eltérése miatt hőmozgásokat vagy feszültségeket kelthet. A tehercsoportosításban a használati határállapotban figyelembeveendő terheket kell számításba venni. Q Ki

42 Feszültségszint meghatározása A feszültségszintet rugalmas analízissel kell kiszámolni, tekintetbe véve a deformációkból származó másodlagos hatásokat is. A számított feszültség alapján három feszültségi kategóriába - alacsony (σ Ed = 0,25 f y (t)), - közepes (σ Ed = 0,50 f y (t)), vagy - magas (σ Ed = 0,75 f y (t)) - sorolhatjuk a szerkezeti elemet. f y ( t) f y, nom 0, 25t [N/mm 2 ]

43 Anyagminőség kiválasztása Charpypróba Referencia hőmérséklet T Ed Szil. Alcsop oszt CVN jele jele T J [ C] min σ Ed = 0,75 f y (t) σ Ed = 0,50 f y (t) σ Ed = 0,25 f y (t) S235 JR J J S275 JR J J M,N ML,NL S355 JR J J K2,M,N ML,NL S420 M,N ML,NL S460 M,N ML,NL

44 Szil. oszt. jele Charpypróba CVN Alcsop. jele T [ C] J min Referencia hőmérséklet T Ed σ Ed = 0,75 f y (t) S235 JR J J S275 JR J J M,N ML,NL S355 JR J J K2,M,N ML,NL S420 M,N ML,NL S460 M,N ML,NL Anyagválasztás magasépítési szerkezetek esetén

45 A huzal hajtogatása - fáradás

46 A fáradt törés jellege

47 A fáradásról általában

48 Periódikus terhelés

49 Periódikus terhelés

50 A különböző igénybevételi fajták

51 Goodman és Smith diagrammok

52 Wöhler - diagramm

53 Wöhler görbe felvétele

54 Fáradási szilárdságok az EC szerint

55 A feszültség csúcsok szerepe

56 A fáradást befolyásoló tényezők