2. Mezní stavy. MS porušení

Transkript

1 p Mezní stavy V kapitole 6. Zatížení tělesa jsou mezi různými zatěžovacími stavy zavedeny stavy přechodové a mezní jako stavy, v nichž je částečně nebo úplně a dočasně nebo trvale znemožněna funkce tělesa (soustavy). Protože rozhodnutí, zda bude zařízení dále provozováno (ať už pouze částečně nebo po opravě) anebo zda bude vyřazeno z provozu, závisí na mnoha dalších faktorech mimo PP (ekonomika, ergonomie, ekologie atd.), nebudeme nadále mezi přechodovými a mezními stavy rozlišovat a všechny je budeme označovat jako stavy mezní. V tomto obecném smyslu lze pak vyslovit následující definici: Mezní stav je takový ze zatěžovacích stavů tělesa, při němž se kvalitativně mění schopnost tělesa plnit některou z požadovaných funkcí, příp. těleso tuto schopnost zcela ztrácí. Na příkladu oběžného kotouče turbíny si uvedeme některé příklady mezních stavů: a) došlo k porušení kotouče v průběhu jeho lisování na hřídel nebo za provozu mezní stav porušení, b) vyskytly se nadměrné deformace lopatek dosahující velikosti vůle mezi rotorem a skříní turbíny mezní stav deformace, c) vyskytly se lomy některých lopatek mezní stav porušení, d) došlo k uvolnění nalisování kotouče na hřídeli mezní stav deformace. Při posuzování mezního stavu konstrukce je třeba brát v úvahu, že se skládá z celé řady podsoustav a jednotlivých částí. Můžeme vymezit jistý soubor možných mezních stavů, které jsou pro danou soustavu podstatné. K vyřazení konstrukce z provozu pak dojde po dosažení alespoň jednoho z nich. OBSAH zatížení MS porušení MS deformace MS porušení další

2 p02 2 Faktory způsobující nebo ovlivňující vznik mezního stavu, lze členit na vnější a vnitřní. a) Vnějšími faktory jsou například: mechanické zatížení (stálé, proměnné statické, dynamické, rázové; důležitá je zatížení velikost zatížení a jeho časový průběh), teplotní zatížení, prostředí (chemicky neutrální nebo agresivní, ovlivňující povrch nebo objem materiálu), energetická pole (magnetické, elektrické ap.), porušení výrobních nebo provozních předpisů, chyby v organizaci práce, chybná manipulace, nesprávné seřízení, požár, povodeň aj. b) Vnitřními faktory jsou především: nevhodná volba materiálu (jeho chemického složení, tepelné, chemické nebo mechanické zpracování), vada materiálu nebo svaru, nevhodná konstrukce nebo technologie, nedodržení kvality výroby, aj.

3 p02 3 Úplný a dokonalý popis všech možných mezních stavů konstrukce je velice obtížný. Mezní stavy mohou být klasifikovány z mnoha různých hledisek. V inženýrské praxi se nejčastěji setkáváme s následujícími mezními stavy: mezní stav deformace, mezní stav pružnosti, mezní stav deformační stability, mezní stav porušení.

4 p Mezní stav deformace Jednotlivé konstrukční díly se při zatížení deformují, dochází ke změně jejich rozměrů, tvaru, uložení (vůlí nebo přesahu). Pokud jsou tyto deformace v takových mezích, aby zařízení pracovalo v souladu se stanovenými technickými podmínkami (vztahujícími se např. k přesnosti výrobků, pohyblivosti soustavy apod.), mluvíme o funkčně přípustných deformacích. Příklad 404 Například mezi lopatkou turbíny a statorem je vůle v. Z termodynamického hlediska (z důvodu vysoké účinnosti) by bylo vhodné, aby tato vůle byla co nejmenší, nejlépe v = 0. Pro funkci turbíny je ale důležité, aby součet radiálního posuvu na vnějším obvodě rotoru turbíny u r a radiálního prodloužení lopatkového listu l byl menší než radiální mezera v. Může tedy nastat u r + l < v deformace funkčně přípustná, u r + l > v deformace funkčně nepřípustná, u r + l = v mezní stav deformace; rovnost nelze vzhledem ke stochastickému charakteru všech veličin v praxi zajistit. Mezní stav deformace tělesa je takový jeho stav, ve kterém se deformace funkčně přípustné mění na deformace funkčně nepřípustné. Poznámka: funkčně nepřípustná deformace přitom může být jak elastická, tak plastická.

5 p Mezní stav pružnosti Když těleso zatěžujeme z výchozího (nezatíženého) stavu na určitou úroveň zatížení a pak ho odlehčíme, uskutečníme zatěžovací cyklus. Z praxe víme, že mohou nastat zásadně dva případy: a) deformace po odlehčení je tak malá, že je dostupnými prostředky v oboru nezjistitelná celá deformace byla pružná (vratná), b) deformace po odlehčení je zjistitelná dostupnými prostředky v oboru kromě pružné vznikla v průběhu zatěžovacího cyklu i plastická (nevratná, trvalá) deformace. Mezní stav pružnosti tělesa je takový jeho stav, při jehož překročení vznikají v tělese zjistitelné plastické deformace. Mezní stav pružnosti je jedním z nejčastěji používaných mezních stavů: pro materiály v tvárném stavu je dostatečně konzervativní (poskytuje posouzení na bezpečné straně, tj. součást snese ve skutečnosti vyšší zatížení než výpočtové) a je poměrně výpočtově nenáročný (je potřebné řešení pouze v pružné oblasti). bezpečnost

6 p Mezní stav deformační stability Příklad: Vytahujeme kovový svinovací metr ze schránky. Do určité délky má jistou geometrickou konfiguraci. Při dalším vytahování dosáhneme délky l, při níž se tato konfigurace stane nestabilní a pás přejde do jiné stabilní geometrické konfigurace (výrazně se ohne). Mezní stav deformační stability tělesa je stav, kdy geometrická konfigurace, která byla stabilní před dosažením mezního stavu, se po jeho překročení stává labilní a stabilní se stává jiná geometrická konfigurace tělesa. Tento mezní stav vzniká u konstrukcí, jejichž rozměr je v některém směru podstatně menší než ve směru jiném (tenkostěnné konstrukce, štíhlé pruty), a to v případě, že v konstrukci nebo její části vzniknou záporná normálová napětí (tlaková). Pak může dojít ke ztrátě únosnosti celé konstrukce. Protože tento mezní stav je obvykle spojen se vznikem velkých deformací, je jeho výpočtové řešení mimořádně obtížné. Mezní veličina závisí na tvaru konstrukce, v případě prutů namáhaných tlakem je jí kritická síla vzpěru a mezní stav se pak nazývá mezní stav vzpěrné stability. normálové napětí prut vzpěr

7 p Mezní stav porušení Zatěžujeme-li spojité těleso, můžeme pozorovat, že v určitém rozsahu zatěžování zůstává spojitost tělesa (v mechanickém smyslu, tj. makroskopicky) zachována. Těleso zůstává tedy i při zatížení spojitým. Po překročení tohoto rozsahu zatěžování vznikají poruchy spojitosti (trhliny), přitom se vytvářejí nové povrchy tělesa a proces může pokračovat tak dlouho, až se těleso rozpadne na více částí vzniká jeho lom. Je katastrofickým zakončením stádia růstu defektů a dovršením porušení tělesa, které se tím rozpadá na části. Podle charakteru zatěžujících a ovlivňujících faktorů a chování materiálu lze rozlišit následující typy lomů: spojitost tělesa a) Tvárný lom Tvárný lom lze z mechanického hlediska definovat jako vysokoenergický plastický kolaps, ke kterému dochází po vzniku plastické nestability v kritickém průřezu tělesa. Z fyzikálně metalurgického hlediska jde o proces nukleace, růstu a spojování mikrodutin. Praktický význam je dán tím, že se často uplatňuje v mikroskopickém měřítku na čele šířící se trhliny [6]. Je třeba se jej vyvarovat u technologických operací, využívajících velkých plastických deformací (hluboké tažení plechů, drátů, tváření za studena aj.) b) Křehký lom Pro vznik křehkého lomu je rozhodující kritická hodnota normálového napětí (u těles bez apriorních trhlin) resp. kritická hodnota hnací síly trhliny (u těles s trhlinami). Tento lom nastává bez větší předchozí plastické deformace, při napětích nižších než makroskopická mez kluzu materiálu.

8 p02 8 těleso bez apriorních trhlin důležitou charakteristikou odolnosti materiálu vůči křehkému lomu je kritické lomové napětí σ cf, což je nejnižší napětí nutné pro vznik křehkého lomu. těleso s trhlinami většina křehkých lomů v rozměrných konstrukcích iniciuje z trhlin, které jsou přítomny v materiálu vinou nedokonalé technologie při výrobě (svary, kalení atd.) nebo vlivem předchozího provozu konstrukce (korozní trhliny, únavové trhliny). Poněvadž je nutno s existencí těchto defektů vždy počítat, vzniká otázka, za jakých podmínek může dojít k nestabilnímu křehkému lomu (tj. trhlina roste i když těleso odlehčíme, tento růst je už člověkem neovlivnitelný). Jednou z nejdůležitější charakteristik odolnosti proti křehkému lomu je lomová houževnatost, která je určena kritickou hodnotou hnací síly trhliny, odpovídající okamžiku nestabilního lomu. c) Lom korozí pod napětím Vliv okolního prostředí může podstatně urychlit poškozovací procesy vedoucí k iniciaci trhlin a jejich šíření. Jedním z nejvýznamnějších degradačních mechanismů v tomto smyslu je koroze, tj. chemická nebo elektrochemická reakce mezi prostředím a materiálem. Ke stabilnímu šíření trhlin v korozním prostředí dochází při nižších napětích než v prostředí inertním, kde je stabilní šíření obtížné. Také lomové houževnatosti je dosaženo při nižších hodnotách zatížení. V souvislosti s problematikou provozu jaderných elektráren vyvstává do popředí další typ degradačního procesu poškození materiálu vlivem radioaktivního záření, které také snižuje hodnotu lomové houževnatosti.

9 p02 9 d) Únavový lom Podrobíme-li součásti působení proměnlivých vnějších sil, může dojít po určité době k jejich lomu, ačkoliv maximální napětí je pod mezí kluzu. Probíhá proces postupného porušování materiálu nukleací mikrodefektů a jejich šířením únava materiálu. Únavový lom je nejčastějším provozním mezním stavem. K posouzení únavové pevnosti slouží mez únavy materiálu, k posouzení únavové životnosti se používá Wöhlerova křivka a Mansonova Coffinova křivka. e) Creepový lom Je-li deformační chování materiálu závislé na čase i při konstantním zatížení, jedná se o creep (tečení materiálu), který rovněž může vést k lomu při napětím nižším než je mez pevnosti materiálu. V praxi nejčastěji používanou mezní hodnotou napětí je mez pevnosti při tečení. Mezní stav porušení je takový zatěžovací stav tělesa, při kterém dojde k porušení jeho spojitosti některým z uvedených mechanismů tak, že příslušná konstrukce nemůže plnit stanovenou funkci. K vyřazení konstrukce z provozu přitom může dojít: z důvodu bezpečnosti při výskytu jakékoliv zjistitelné trhliny (např. svary důležitých tlakových nádob kontrolované rentgenem), pokud se délka trhliny blíží tzv. kritické délce, při níž nastává její nestabilní šíření končící nutně lomem, pokud trhlina sice nehrozí lomem, ale znemožňuje funkci konstrukce (např. únik média z tlakové nádoby), pokud dojde k lomu součásti. předchozí OBSAH následující kapitola