VLASTNOSTI A ZKOUŠEN Í MATERIÁLŮ -...

Tento studijn materil vznikl za finann podpory Evropskho socilnho fondu (ESF) a rozpotu esk republiky v rmci een projektu: CZ.1.07/2.2.00/15.0463, MODERNIZACE VUKOVCH MATERIL A DIDAKTICKCH METOD

VYSOK KOLA BSK TECHNICK UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STROJN

VLASTNOSTI A ZKOUEN MATERIL CREEP

doc. Ing. Halama Radim, Ph.D. Ing. Frantiek Fojtk, Ph.D. Ing. Martin Fusek, Ph.D.

Ing. Jaroslav Rojek, Ph.D. Dr. Ing. Ludmila Admkov

Ostrava 2013

doc. Ing. Halama Radim, Ph.D., Ing. Frantiek Fojtk, Ph.D., Ing. Martin Fusek, Ph.D., Ing.

Jaroslav Rojek, Ph.D., Dr. Ing. Ludmila Admkov

Vysok kola bsk Technick univerzita Ostrava

ISBN 978-80-248-3027-8

http://profily.vsb.cz/HAL22http://profily.vsb.cz/HAL22

MODERNIZACE VUKOVCH MATERIL A DIDAKTICKCH METOD CZ.1.07/2.2.00/15.0463

2

OBSAH

1 VLASTNOSTI A ZKOUEN MATERILU .......................................................... 3

1.1 VOD: Zklady creepu (teen) ........................................................................... 4

1.1.1 Zkladn pojmy ...................................................................................................... 4

1.1.2 Creep ....................................................................................................................... 5

1.1.3 Ukzka zkladnho vpotu creepu ty zaten silou .................................... 6

1.1.4 ivotnost pi creepu Larson-Millerv parametr ............................................. 7

1.1.5 Relaxace .................................................................................................................. 7

1.1.6 Vliv teploty ............................................................................................................. 8

1.1.7 Fyzikln pozad creepu ........................................................................................ 9

1.1.8 Viskzn creep ...................................................................................................... 10

1.1.9 Poruovn a lom pi creepu ............................................................................... 10

1.1.10 Zkouky creepu .................................................................................................... 12

1.1.11 Zvren shrnut ................................................................................................ 13

2 POUITA LITERATURA ........................................................................................ 14


3 Vlastnosti a zkouen materilu

1 VLASTNOSTI A ZKOUEN MATERILU

OBSAH KAPITOLY:

Zkladn pojmy

Vliv teploty

Fyzikln pozad

Poruovn a lom pi creepu

Zkouky creepu a relaxace

Shrnut poznatk

MOTIVACE:

ada strojnch soust v technick praxi je provozovna za vysokch teplot, napklad parn turbny, tryskov a raketov motory, nuklern reaktory, tlakov ndoby, kotle a pod. U materil pro tyto konstrukce jsou rozhodujc mechanick vlastnosti ne za normlnch, ale za zvench teplot. Od jist teploty dochz k nrstu plastick deformace s asem i pi konstantnm zaten, mluvme tzv. creepu (ti krp).

CL:

Teen kovovch materil creep.

Zkouky teen a relaxace.



1.1 VOD: ZKLADY CREEPU (TEEN)

V tto kapitole se seznmme se zklady creepu. esk peklad tohoto jevu je teen, tento nzev se ovem pro popis tohoto jevu pouv zdka. I v esk odborn literatue se pouv obvykle pojem creep a teen je pouze esk ekvivalent. Pojem teen meme pout tak k popisu nebo vysvtlen pojm v hydromechanice, kdeto pojem creep je spojen vhradn s popisem jevu, kter si v tto kapitole piblme.

1.1.1 Zkladn pojmy Nejprve zaneme zopakovnm pojm, kter jsou dleit pro pochopen ltky v tto kapitole. K popisu zmny tvaru pouvme posuvy a natoen nebo pomrn prodlouen a zkos. Posuvy a natoen jsou veliiny, kter lze sledovat pi men popisuj chovn z inenrskho hlediska. Naopak pomrn prodlouen ppadn zkos, jsou veliiny vhodnj pi matematickm popisu problmu. Napklad lano zaten silou se prodlou o dlku (posunut konce lana po zaten vi nezatenmu stavu) tato hodnota reprezentuje posuv konce lana, co si meme snadno pedstavit v praxi. Naopak pomrn prodlouen popisuje hodnotu deformace ve vybranm bodu lana a nek nic o celkovm chovn sousti. Celkov chovn sousti pak obvykle potme pomoc integrace. V tto kapitole, pokud budeme hovoit o deformaci, budeme myslet pomrn prodlouen.

Pomrn prodlouen meme popsat dvojm zpsobem:

- Pro mal deformace (zanedbateln vi rozmrm danho tlesa) plat = 0 0

, co meme nazvat nap. (smluvn) pomrn podln prodlouen.

- Pro velk deformace (nap. pi tven) pouvme skuten pomrn prodlouen, nebo tak logaritmick pomrn prodlouen =

0

= ln 0 = (1 + ).

U vtiny strojrenskch aplikac se pouv smluvn pomrn prodlouen, rozdl mezi smluvnm a skutenm pomrnm prodlouenm je u malch deformac zanedbateln. Definice, i prce se smluvnm pomrnm prodlouenm je snadnj, proto se v praxi pouv astji. Skuten (logaritmick) pomrn prodlouen se pouv ve specilnch oblastech, kde je nutn pesn popis, a vyskytuj se velk deformace.

Poznmka: podobn dlen se vyskytuje tak u napt. Napt smluvn je vztaeno k potenmu prezu, napt okamit k okamitmu prezu, viz tahov zkouka (tak napt normlov, smykov, hlavn atd.).

V pedchozch kapitolch se deformace (celkov) dlila tak na elastickou (vratnou) a plastickou (nevratnou trvalou) st = + . V tto kapitole se budeme zabvat tak trvalou deformac, kter je ale, na rozdl od plastick deformace vysvtlen v pedchozch kapitolch, rozloena v ase. Budeme tedy mluvit o rychlosti deformace

= . Plastickou (trvalou) deformaci pak meme rozdlit na st zvislou

pouze na velikosti zaten, a st zvislou na velikosti zaten a dob, po kterou zaten psob. Deformaci zvislou na ase - nleejc ke creepu budeme oznaovat .

Fyzikln piny creepu asto souvis s difuz poruch mky. Difuz nazvme pesun atom nebo iont na vzdlenost vt ne je meziatomov vzdlenost. Bodov poruchy krystalov mky jsou vakance (neobsazen msta mky), substitun a intersticiln atomy. rov poruchy krystalov mky jsou dislokace. Dislokace byly podrobnji vysvtleny



v pedchozch kapitolch tedy pouze strun. Dislokace jsou poruchy probhajc krystalovou mkou a meme si je pedstavit jako rozhran mezi posunutou a neposunutou st krystalu (dislokace hranov a roubov). Dislokace se pohybuj zejmna skuzem, pekro-li smykov napt v urit rovin mezn hodnotu. Skluzov roviny jsou mkov roviny nejhustji obsazen atomy. Hranov dislokace se mohou za vych teplot pohybovat kolmo ke smru skluzu tzv. plhnm. plhn dislokace zahrnuje dva procesy: absorbci (pohlcen) nebo emisi (vytvoen) vakanc dislokac a difuzi (pesun) vakanc.

S creepem tak souvis dynamick zotaven zjednoduen meme ci, e zotaven kompenzuje inky deformanho zpevnn.

1.1.2 Creep Creep (teen) je deformace zvisl na ase. Znmm pkladem je rozplen asfaltov silnice v lt. Pokud se na ni postavme, za uritou dobu se zabome do vozovky. Deformace roste s rostoucm asem t0, t1, t2, akoliv zaten F je konstantn po celou dobu zatovn viz Obr. 1.

Obr. 1 Dlka roste s asem pi konstantnm zaten.

Zvislost deformace na ase je obvykle popisovna pomoc creepov kivky. Jej typick tvar je na Obr. 2.

Obr. 2. Creepov kivka.

Na kivce jsou patrn ti oblasti creepu:

I. primrn creep - rychlost creepu s asem kles

II. sekundrn creep (stacionrn creep) rychlost creepu se s asem nemn

= =konst.

III. terciln creep rychlost creepu vzrst z dvod rstu napt nebo metalurgickch zmn struktury. Tet stdium kon lomem.



Audio 1.1

Creepovou kivku popisujeme pomoc tzv. konstitun rovnice. Konstitun rovnice je funkce nap. ve tvaru = ( , , , ). Pro popis creepov kivky se pouv nap. = 0 +

13 + + 3, kde 0 je deformace v ase 0, a jsou konstanty, t je as a je rychlost

stacionrnho creepu. Pro popis sekundrnho creepu (konstantn rychlost creepu) se asto pouv Nortonv vztah = , kde A a n jsou materilov konstanty, viz Tab. 1 [4].

Tab. 1.

Materil Chemick sloen

Teplota zkouky [C]

A 10

n [-]

Uhlkov ocel 0.15C, 0.5Mn, 0.23Si, 0.032S, 0.025P

427 3.63 10-27 6.24 538 1.30 10-14 3.04 593 2.04 10-13 3.18 649 8.45 10-12 3.03

Molybdenov ocel

0.13C, 0.49Mn, 0.25Si, 0.010S, 0.011P, 0.52Mo

482 3.27 10-23 5.28 538 2.82 10-20 4.71 593 8.44 10-16 3.77 649 1.44 10-13 3.19

Creepov kivky se mohou od ve uveden liit:

V nkterch ppadech me oblast II (stacionrn creep) vymizet.

Pi vych teplotch (v zvislosti na druhu materilu) me vymizet oblast I primrnho creepu.

V nkterch ppadech se objevuje oblast inverznho creepu (v oblasti I primrnho creepu), kdy rychlost creepu s asem vzrst.

1.1.3 Ukzka zkladnho vpotu creepu ty zaten silou Relativn jednodue lze potat oblast stacionrnho creepu

= = . K vpotu se

pouv Nortonv vztah.

Audio 1.2

Budeme eit jednoduchou lohu ty zatenou osovou silou (prost tah), viz Obr. 3. Napt pi zaten nepekro mez kluzu, bude tedy platit Hookv zkon. Pomrn prodlouen se bude tedy skldat z elastick (vratn) a creepov sti. Postup vpotu je naznaen v Tab. 2 [5].

Obr. 3. Schma een lohy

F



Tab. 2.

1.1.4 ivotnost pi creepu Larson-Millerv parametr Creepov zkouky probhaj dlouhou dobu obvykle jde o tisce hodin msce. V praxi ale mnoho soust mus fungovat roky, tedy 100000h co je zhruba 11 let. Data ze zkouek se tedy extrapoluj na vt asov intervaly. Jeden z asto pouvanch zpsob een vyuv tzv. Larson Millerv parametr. Zkladn rovnice m tvar: ))(log( CtTP rLM += , kde C je materilov parametr, PLM je Larson Millerv parametr, T je teplota [K] a tr je as [h] do lomu. Postup een je naznaen v tab. 3.

Audio 1.3

Tab. 3

Popis kroku Rovnice a vsledky Na zklad experimentu, nebo z literatury (grafy, tabulky apod.) stanovme C, PLM.

C = 20 [log(h)] PLM = 20000

Meme zjistit ivotnost pi teplot T = 800 K log =

=20000

800 20 = 8

= 10log = 108 Nebo teplotu pro ivotnost = 107 =

log +

=200007 + 20

= 740

Materilov parametry se stanovuj na zklad experiment (zkouek creepu viz pedchoz kapitola). V literatue je lze najt pro rzn materily ve form graf nebo tabulek.

1.1.5 Relaxace Velice blzko ke creepu m relaxace. Relaxace napt je sniovn napt v ase, (napklad u pedepjatch roub musme s vlivem relaxace potat a po urit dob rouby znovu pithnout, podobn u nalisovanch ndob). U ocel k relaxaci dochz za vych teplot (pro oceli nad 400C) .

Audio 1.4

Provzanost mezi relaxac a creepem je zejm z jednoduchho vpotu. Ty (nap. pedepjat roub) zaten konstantn deformac = . Napt se pohybuj pod mez



kluzu, plastick sloka deformace je tedy nulov. Pro celkovou pomrnou deformaci plat: = + , kde je elastick sloka, je sloka odpovdajc creepu (v ase t=0 je nulov) a je poten (konstantn) hodnota.

(Pevzato z [5]) Po derivaci a dosazen Hookova zkona (elastick) a Nortonovy rovnice (Creep) zskme:

=

+

=1

+ .

Poten deformace = ., mus tedy platit: 0 = 1

+ .

Rovnici upravme = a integrujeme 1

1= + .

Integran konstantu C urme z potench podmnek pi asu t=0, tedy = 01

1.

Po prav 1 = 01 ( 1) zskme vslednou rovnici:

() = 01 ( 1)1

1.

Rovnice popisuje sniovn napt s asem, viz Obr. 7.

Obr. 7. Relaxace napt.

1.1.6 Vliv teploty Creep zpsobuj procesy, kter jsou siln ovlivnny teplotou. S rostouc teplotou se zvyuje rychlost deformace . Meme vyjt z Arrheniovy rovnice = exp

. Vliv teploty

je naznaen na Obr. 8.



Obr. 8. Vliv teploty na creepovou kivku.

K popisu se pouv tzv. homologick teplota, co je pomr dan teploty a teploty taven

.

Rostouc teplota ovlivuje tak mechanismus, kterm creep probh. S tm souvis tzv. aktivan energie creepu . Pevld-li v intervalu teplot 1 2 mechanismus creepu charakterizovan aktivan energi 1, rychlost creepu je 1 = 0 exp

1 . Pevld-li

v intervalu teplot 3 4 mechanismus creepu charakterizovan aktivan energi 2, rychlost creepu je 2 = 0 exp

2 . V oblasti teplot 2 3 se oba mechanismy uplatuj

stejnou mrou, viz Obr. 9.

Audio 1.5

Obr. 9. Zmna aktivan energie v zvislosti na teplot.

V rovnicch je 1, 2 aktivan energie creepu, 0 frekvenn faktor, k je Boltzmannova konstanta a T je teplota (v Kelvinech).

1.1.7 Fyzikln pozad creepu Z fyziklnho hlediska se tedy na procesu, kter nazvme creep podl mnoho rznch deformanch mechanism v zvislosti na teplot, zaten i druhu materilu. U krystalickch materil tyto mechanismy meme rozdlit do nkolika skupin:

- Dislokan skluz bez zotaven (pro mal rychlosti) - (A)

- Creep zen zotavenm - Dislokan creep difuze dislokac - zotaven dislokac (dislokace se vzjemn zru)



difuze mkou = 12

3

(C)

difuze jdry = 12

5

(B)

- Difuzn creep difuze bez asti mkovch dislokac, difuze vakanc.

o difuze mkou (Nabarrv-Heringv creep) = 14 2

(D)

o difuze hranicemi zrn (Coblev creep) = 44 3

(E)

- Atd.

Chovn materilu pak popisuje tzv. deforman mapa. Deforman mapa poskytuje informaci o tom, kter z deformanch mechanism bude k rychlosti deformace pispvat rozhodujc mrou. Deforman mapu pro ist nikl, stedn prmr zrna d = 1 mm, ukazuje Obr. 10. (G je modul prunosti ve smyku).

Audio 1.6

Obr. 10. Deforman mapa [1]

1.1.8 Viskzn creep Nkter materily se chovaj jako viskzn kapaliny. Tk se to zejmna amorfnch materil (skla, nkter polymery apod.). Rychlost deformace pak potme pomoc viskozity pro smykov nebo normlov zaten: =

nebo =

, kde ( ) je viskozita (smykov

viskozita), () je normlov napt (smykov napt) a () je rychlost deformace (rychlost smykov deformace zkosu, udv se v [rad/s]). Pro ideln viskzn kapaliny (nestlaiteln) uvaujeme 3 = .

1.1.9 Poruovn a lom pi creepu Pi homologick teplot vy ne 0.4 nastoup dve i pozdji tet stdium creepu, kter kon lomem. Lom pi creepu meme rozdlit do dvou zkladnch st:



Pi vysokch naptch se vyskytuje lom vnitrokrystalick (transkrystalick lom). Dochz k velkmu pomrnmu prodlouen, velk kontrakci (odpovd tvrnmu lomu).

Pi nzkch naptch se vyskytuje lom mezikrystalov (interkrystalick lom). Tento meme jet rozdlit:

o Kavitan poruen k poruen dochz vznikem kavit (zrodk trhlin) na hranicch zrn zhruba kolmch na osu aplikovanho napt.

o Trhlinov poruen k poruen dochz vznikem trhlin ve stycch 3 zrn, jejich rstem a spojovn.

Proces mezikrystalovho kavitanho poruovn lze rozdlit do pti stdi:

1) Nukleace kavit.

2) Rst kavit.

3) Spojovn kavit, vznik trhlin.

4) en magistrln (hlavn) trhliny.

5) Konen lom.

Audio 1.7

Rzn modely vzniku kavit jsou ukzny na nsledujcm Obr. 11.

Obr. 11. Modely nukleace kavity a/ Givkinsv, b/ Daviesv a Williamsv, c/ Chenv a Machlinkv [1].



Proces mezikrystalovho trhlinovho poruovn lze rozdlit podobn:

1) Nukleace trhliny.

2) Pokraujc pokluzy.

3) Plastick deformace zrn (elo trhliny).

4) Kondenzac vakanc ped elem trhliny a pemstn atom na hranici zrna. Nukleac a rstem kavit ped elem trhliny a jejich spojovnm s trhlinou.

5) en magistrln (hlavn) trhliny. Konen lom.

Audio 1.8

Rzn monosti vzniku trhlin jsou ukzny na nsledujcm Obr. 12.

Obr. 12. Monosti nukleace trhlin na styku t zrn. Smr pokluzu je znzornn ipkami [1].

1.1.10 Zkouky creepu Zkouen creepu se provd dvma zpsoby:

Konstantn napt v prbhu zkouky se sniuje velikost aplikovan sly tak, aby napt bhem zkouky zstalo konstantn. V tomto ppad se zkouka ukon po urit dob, pokud nedojde k poruen. Schmatick popis zkouky: Na zkuebn vzorek ty je zaveno bemeno zvltnho tvaru. Toto zva je ponoeno do kapaliny. Zkuebn vzorek je zaten tahem. V prbhu zkouky se ty prodluuje a zva se potp do kapaliny stle vce. Na vt st ponoenho zva psob vt vztlakov sla, kter sniuje zaten vzorku tak, aby napt ve vzorku mlo konstantn hodnotu.



Konstantn zaten v prbhu zkouky se vlivem zmenujcho se prezu zvyuje napt. Dochz k rstu napt i rychlosti deformace a do poruen. Schmatick popis zkouky: Na zkuebn vzorek ty je zaveno bemeno, kter po celou dobu zkouky zatuje vzorek stejnou silou. Zkuebn vzorek je zaten tahem.

Audio 1.9

Rozdl mezi obma typy zkouek je patrn tak z Obr. 13.

Obr. 13 Zkouky creepu.

Vidme, e rozdl mezi obma zkoukami je v posledn sti. V tto sti je rozdl oproti potenmu stavu vt a nelze ho zanedbat.

1.1.11 Zvren shrnut V tto kapitole jsme se snaili piblit creep z nkolika rznch pohled. Ukzali jsme pstup vyuvajc aproximaci zkouek (creepov kivka, Nortonv vztah, ivotnost atd.). Tento pstup se vyuv pi technickch vpotech, kdy musme s creepem potat. V dal sti jsme si piblili fyzikln piny creepu. Tyto jevy jsou rzn pro rzn materily (krystalick, amorfn, plasty), mohou se liit i pi rznch teplotch, velikosti zrna apod. Krtce zde byl popsn tak lom pi creepu. V posledn sti jsme si ukzali dva mon pstupy k experimentu pi creepu. Creep je sloit a komplexn jev, tato kapitola mla ukzat monosti, jak je mono na tento jev nahlet. K hlubmu pochopen je ovem nutn podrobnj studium. Vpotm creepu se vce vnuje pedmt Creep a teplotn namhn, en a vzniku trhlin pak pedmt Lomov mechanika atd. Tato kapitola je pouze hrubm pehledem, kter Vs v ppad zjmu me smovat do konkrtn oblasti.


14 Pouita literatura

2 POUITA LITERATURA

[1] adek, Josef, Creep kovovch materil, Academia, 1984.

[2] Sedlek, Vladimr a kol. Zotaven a rekrystalizace, Academia,1985

[3] Dowling, E. Norman. Mechanical Behavior of Material, Pearson, 2007

[4] Trebua F., imk F. Odolnos prvkov mechanickch sstav, Edicia vedeckej a odbornej literatury Technick universita v Koiciach, 2004

[5] Vukov materily k pedmtu Prunost a pevnost v Energetice: http://www.339.vsb.cz/PPE.htm

http://www.339.vsb.cz/PPE.htm

OBSAH1 Vlastnosti a zkouen materilu1.1 VOD: Zklady creepu (teen)1.1.1 Zkladn pojmy1.1.2 Creep1.1.3 Ukzka zkladnho vpotu creepu ty zaten silou1.1.4 ivotnost pi creepu Larson-Millerv parametr1.1.5 Relaxace1.1.6 Vliv teploty1.1.7 Fyzikln pozad creepu1.1.8 Viskzn creep1.1.9 Poruovn a lom pi creepu1.1.10 Zkouky creepu1.1.11 Zvren shrnut

OBSAH KAPITOLY:MOTIVACE:CL:2 Pouita literatura

VLASTNOSTI A ZKOUŠEN Í MATERIÁLŮ -...

Documents

Transcript of VLASTNOSTI A ZKOUŠEN Í MATERIÁLŮ -...