5. Az acélszerkezetek méretezésének különleges kérdései: rideg törés, fáradás. BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék

Átírás

1 MAGASÉPÍTÉSI ACÉLSZERKEZETEK 5. Az acélszerkezetek méretezésének különleges kérdései: rideg törés, fáradás. FERNEZELYI SÁNDOR EGYETEMI TANÁR

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 = σ d ε 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 (R eh, R m, A, Z, HB) 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, tehát azt jelenti, hogy 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 törike.

26 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

27 Feszültségszint meghatározása Először a vizsgált elemben a várható repedés kezdőpontjában ébredő feszültséget (σ Ed ) kell kiszámítani, mint névleges feszültséget, a következő (rendkívüli) tehercsoportosításból: { A[ T ]" + " G " + " ψ Q " + ψ Q } Ed E Ed K 1 K1 " 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. Ki

28 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 ]

29 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

30 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

31 A huzal hajtogatása - fáradás

32 A fáradt törés jellege

33 A fáradásról általában

34 Periódikus terhelés

35 Periódikus terhelés

36 A különböző igénybevételi fajták

37 Goodman - diagramm

38 Smith - diagramm

39 Wöhler - diagramm

40 Wöhler görbe felvétele

41 Fáradási szilárdságok az EC szerint

42 A feszültség csúcsok szerepe

43 A fáradást befolyásoló tényezők

44 Bemetsződések hatása

45 Bemetsződések hatása

46 Hegesztési varratok hatása

47 Bemetsződések hatása

48 Változó feszültségek szerepe

49 Üzemi feszültség

50 Feszültség idő, alakváltozás diagrammok

51 Adott feszültség ingadozás gyakorisága

52 Túllépési gyakoriság

53 Lineáris károsodási hipotézis

54 Lineáris károsodási hipotézis

55 Lineáris károsodási hipotézis

56 Fáradási részlet osztályok

57 Fáradási részlet osztályok

58 Fáradási részlet osztályok

59 Fáradási részlet osztályok

60 Különböző részlet osztályú Wöhler görbék