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

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

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

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).

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

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

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.

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

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

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

A szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján Charpy féle ütővizsgálat Az ütve hajlító vizsgálat (MSZ EN 10045-1) célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. A dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás a szívósság.

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

Charpy vizsgálat

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

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

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.

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.

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

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

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

Kör alakú hiba: a 1 2 3 max. 1 2 Zárt repedés jellegű hiba, melynek hossza 2 mm, a repedésvég lekerekítési sugara: 1 m 1 / 2 110 3 2 63 max. 6 110

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.

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 2 2 2 3 cos 1 sin sin 2 2 2 3 sin cos cos 2 2 2 xy = yz z =0 sík feszültségi állapot esetén z =( x + y ) sík alakváltozási állapot esetén, ahol a Poisson szám

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

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

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.

Az instabil repedésterjedés megindulásakor K a Ic c

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.

Fajlagos törési szívósság K Ic

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

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

Az acélfajták jelölése az EN szerint Az acélfajták jelölése az EN10027-1 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

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

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 ]

Anyagminőség kiválasztása Charpypróba Referencia hőmérséklet T Ed Szil. Alcsop. 10 0-10 -20-30 -40-50 10 0-10 -20-30 -40 oszt. -50 10 0-10 -20-30 -40-50 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 20 27 60 50 40 35 30 25 20 90 75 65 55 45 40 35 135 115 100 85 75 65 60 J0 0 27 90 75 60 50 40 35 30 125 105 90 75 65 55 45 175 155 135 115 100 85 75 J2-20 27 125 105 90 75 60 50 40 170 145 125 105 90 75 65 200 200 175 155 135 115 100 S275 JR 20 27 55 45 35 30 25 20 15 80 70 55 50 40 35 30 125 110 95 80 70 60 55 J0 0 27 75 65 55 45 35 30 25 115 95 80 70 55 50 40 165 145 125 110 95 80 70 J2-20 27 110 95 75 65 55 45 35 155 130 115 95 80 70 55 200 190 165 145 125 110 95 M,N -20 40 135 110 95 75 65 55 45 180 155 130 115 95 80 70 200 200 190 165 145 125 110 ML,NL -50 27 185 160 135 110 95 75 65 200 200 180 155 130 115 95 230 200 200 200 190 165 145 S355 JR 20 27 40 35 25 20 15 15 10 65 55 45 40 30 25 25 110 95 80 70 60 55 45 J0 0 27 60 50 40 35 25 20 15 95 80 65 55 45 40 30 150 130 110 95 80 70 60 J2-20 27 90 75 60 50 40 35 25 135 110 95 80 65 55 45 200 175 150 130 110 95 80 K2,M,N -20 40 110 90 75 60 50 40 35 155 135 110 95 80 65 55 200 200 175 150 130 110 95 ML,NL -50 27 155 130 110 90 75 60 50 200 180 155 135 110 95 80 210 200 200 200 175 150 130 S420 M,N -20 40 95 80 65 55 45 35 30 140 120 100 85 70 60 50 200 185 160 140 120 100 85 ML,NL -50 27 135 115 95 80 65 55 45 190 165 140 120 100 85 70 200 200 200 185 160 140 120 S460 M,N -20 40 90 70 60 50 40 30 25 130 110 95 75 65 55 45 200 175 155 130 115 95 80 ML,NL -50 27 125 105 90 70 60 50 40 180 155 130 110 95 75 65 200 200 200 175 155 130 115

Szil. oszt. jele Charpypróba CVN Alcsop. jele T [ C] J min Referencia hőmérséklet T Ed 10 0-10 -20-30 -40-50 σ Ed = 0,75 f y (t) S235 JR 20 27 60 50 40 35 30 25 20 J0 0 27 90 75 60 50 40 35 30 J2-20 27 125 105 90 75 60 50 40 S275 JR 20 27 55 45 35 30 25 20 15 J0 0 27 75 65 55 45 35 30 25 J2-20 27 110 95 75 65 55 45 35 M,N -20 40 135 110 95 75 65 55 45 ML,NL -50 27 185 160 135 110 95 75 65 S355 JR 20 27 40 35 25 20 15 15 10 J0 0 27 60 50 40 35 25 20 15 J2-20 27 90 75 60 50 40 35 25 K2,M,N -20 40 110 90 75 60 50 40 35 ML,NL -50 27 155 130 110 90 75 60 50 S420 M,N -20 40 95 80 65 55 45 35 30 ML,NL -50 27 135 115 95 80 65 55 45 S460 M,N -20 40 90 70 60 50 40 30 25 ML,NL -50 27 125 105 90 70 60 50 40 Anyagválasztás magasépítési szerkezetek esetén

A huzal hajtogatása - fáradás

A fáradt törés jellege

A fáradásról általában

Periódikus terhelés

A különböző igénybevételi fajták

Goodman és Smith diagrammok

Wöhler - diagramm

Wöhler görbe felvétele

Fáradási szilárdságok az EC szerint

A feszültség csúcsok szerepe

A fáradást befolyásoló tényezők

Bemetsződések hatása

Hegesztési varratok hatása

Bemetsződések hatása

Változó feszültségek szerepe

Üzemi feszültség

Feszültség idő, alakváltozás diagrammok

Adott feszültség ingadozás gyakorisága

Túllépési gyakoriság

Lineáris károsodási hipotézis

Fáradási részlet osztályok

Különböző részlet osztályú Wöhler görbék