Houževnatost. i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie) ii.

Transkript

1 Henry Kaiser, Hoover Dam 1

2 Henry Kaiser, 2

3 Houževnatost i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie) ii. (Empirické) zkoušky houževnatosti (Charpy, TNDT) iii. Lineárně-elastická elastická lomová mechanika (Irwin,, zkoušky lomové houževnatosti) iv. Elasto-plastická lomová mechanika (zkoušky, interpretace, podmínky šíření trhliny) 3

4 Tranzitní lomové chování ocelí Základní pojmy Může vzniknout štěpný lom oceli při zkoušce tahem? Co má vliv na tranzitní teplotu oceli z hlediska podmínek zatěžování? z hlediska struktury? 4

5 Základní pojmy Odolnost materiálu vůči porušení = houževnatost Lom je HOUŽEVNATÝ Energetické hledisko KŘEHKÝ 5

6 Kovové materiály s fcc mřížkou o typu lomu nerozhoduje teplota Základní pojmy Čisté kovy lomu vždy předchází plastická deformace a tedy lom bude houževnatý Slitiny zablokování dislokací lom bude křehký (např. zvonovina) 6

7 Kovové materiály s hcp mřížkou o typu lomu rozhoduje teplota Základní pojmy Malý počet skluzových systémů lom je zpravidla křehký pouze za zvýšených teplot je možné vyvolat plastickou deformaci 7

8 Základní pojmy Kovové materiály s bcc mřížkou α - železo o typu lomu rozhoduje teplota, rychlost zatěžování a napjatost (tloušťka stěny, vruby) Při vyšších teplotách je zpravidla lom houževnatý, za nízkých teplot lom křehký. Změna charakteru lomu vlivem poklesu teploty se označuje pojmem tranzitní lomové chování ocelí a teplota tranzitu (přechodu) je tranzitní teplota. 8

9 Základní pojmy Při havárii se prohlíží lomová plocha - FRAKTOGRAFIE Typ lomu se rozlišuje podle mechanismu, jakým vznikl: Předchází-li lomu plastická deformace nebo též přetvoření mluvíme o tvárném lomu Nepředchází-li lomu významná makro-plastická deformace, pak se lom šíří po hranicích zrn nebo v krystalografických rovinách mluvíme o štěpném lomu 9

10 Základní pojmy Lom je HOUŽEVNATÝ Energetické hledisko KŘEHKÝ 10

11 Základní pojmy Nízkoenergetický Houževnatý Interkrystalický Transkrystalický Lom je Křehký TVÁRNÝ Z hlediska mechanismu ŠTĚPNÝ 11

12 Tvárný lom čisté kovy slitiny 12

13 Tvárný lom 13

14 Štěpný - interkrystalický 14

15 Štěpný - interkrystalický 15

16 Štěpný - transkrystalický 16

17 Štěpný - transkrystalický 17

18 Štěpný - transkrystalický 1 mm 10 µm 18

19 Štěpný - transkrystalický 1 mm 10µm 19

20 Štěpný - transkrystalický 20

21 Základní pojmy Kdy dojde u dané konkrétní oceli ke změně charakteru lomu (havárii) rozhodují: Podmínky zatěžování: teplota, rychlost a tvar součásti (napjatost, přítomnost vrubů) Struktura oceli (chemické složení, velikost zrna, další strukturní součásti) 21

22 Tranzitní lomové chování Změna charakteru lomu oceli z tvárného lomu na lom štěpný v závislosti na poklesu teploty. 22

23 Tranzitní lomové chování J Nárazová práce [J] % tv.l %tvátrného porušení Teplota [ C] C C 23

24 Tranzitní lomové chování Změna charakteru lomu oceli z tvárného lomu na lom štěpný v závislosti na poklesu teploty. Jak zabránit havárii ocelové svařované konstrukce křehkým lomem - filosofie zastavení trhliny tranzitní teplota - filosofie zabránění iniciace lomu lomová mechanika 24

25 25

26 Tranzitní lomové chování Z σ fr R m R e 26

27 Tranzitní lomové chování Nízkouhlíková ocel změna tahového diagramu v rozmezí teplot 20 C až 269 C 27

28 Kritické lomové napětí Tranzitní lomové chování t B teplota křehkosti t D teplota tvárnosti A. Tvárný lom (houževnatý) B. Smíšený lom C. Štěpný lom D. Křehký lom E. Křehký lom F. Křehký lom 28

29 Kritické lomové napětí Ocel R e /R m při +20 C d (mm) σ CF (MPa) /377 0, / / 482 0,019 0, Nejnižší lomové napětí v celé přechodové křivce při (kritické) teplotě křehkosti t B jeho velikost závisí na typu oceli (struktuře) materiálová charakteristika s fyzikálním významem ~ σ = E /8 je menší než teoretická pevnost - neodpovídá tedy teorii (viz minulá přednáška) 29

30 Kritické lomové napětí - štěpení Štěpný lom nevzniká v oblasti elastických deformací - lomu vždy předchází plastická deformace (dolní/horní mez kluzu, dvojčatění) První podmínka nutná pro vznik štěpného lomu je plastická deformace (není to však podmínka postačující!) 30

31 σ CF 2Gν. γ m ( g) = Re = d k ν = y 2τ σ max 1 1/ 2 Kritické lomové napětí - štěpení K růstu zárodku štěpné mikrotrhliny je nutné tahové napětí určité velikosti. Druhá podmínka vzniku štěpného lomu (šíření zárodků špětné trhliny) dosažení kritického lomového napětí. kritické lomové napětí je menší než kohezivní (teoretická) pevnost hodnota σ CF závisí na struktuře oceli lomy nukleačně a propagačně kontrolované 31

32 Lodě Liberty praskaly za teplot blízkých teplotě normální a ne za teploty kapalného dusíku. PROČ? Problém!!! VYSVĚTLENÍ: Nárůst tahového napětí na hodnotu kritického lomového napětí je možný jednak - Zvýšením rychlosti zatěžování - Přítomností vrubů 32

33 N A P Ě T Í Vliv rychlosti zatěžování Rychlost zatěžování posouvá tranzitní teplotu křehkosti směrem k vyšším teplotám! S rostoucí rychlostí zatěžování můžeme očekávat zkřehnutí oceli TEPLOTA 33

34 Vliv vrubů Přítomnost vrubů napjatost Teoretický součinitel koncentrace napětí k t = α vyjadřuje lokalizaci napětí v kořeni vrubu při elastické deformaci max σ k t ( ) Plastický součinitel koncentrace napětí vyjadřuje lokalizaci napětí v kořeni vrubu při lokální plastické deformaci = k pl σ = yy σ n σ R yy e 34

35 lokální plastická deformace vs. makroplastická deformace Vliv vrubů Zatížení tělesa s vrubem k k max σ σ pl pl = = σ ( σ ) R yy e yy R max e k t = ( σ ) yy σ n max 35

36 kN 30kN 20kN 10kN distance [mm] kN 40kN 30kN 20kN 10kN distance [mm] 36 max. principal stress [MPa] max. principal stress [MPa]

37 napětí v kořeni vrubu při lokální plastické deformaci např. je-li ω 0, pak k σ ( ) max = 2,75 pl Vliv vrubů Zatížení tělesa s vrubem k σ pl = σ R y e ; k max σ pl σ y R e max = 1 + π 2 ω 2 v plastické zóně působí tahové napětí,, jehož velikost můžm ůže být téměř 3x většív než R e. K navýšen ení dochází v důsledku d existence složky napětíσ z = 1/2 (σ( x + σ y ) ve směru tloušťky. plastický součinitel koncentrace napětí závisí na tloušťce stěny a tedy na σ z. pro tenký plech platí podmínky rovinné napjatosti, σ z 0 37

38 Kritické lomové napětí vliv teploty na lomové chování těles s ostrým vrubem 38

39 Kritické lomové napětí Kritické lomové napětí určuje odolnost oceli vůči křehkému lomu nejen při jednoosém tahu ale i v případě součástí s vruby (trhlinami). Vysvětlení: při síle F (F i >F>F GY ) existuje pod vrubem malá plasticky deformovaná oblast, ve které působí tahové napětí σy y, které je větší, případně rovno kritickému lomovému napětí σ CF. 39

40 Vliv struktury na TLCh 40

41 Vliv legujících prvků na TLCh Co Ni 41

42 Nelegované konstrukční oceli - TLCh Ocel R e (MPa) T 27J ( C) Neleg Mn - C až Mikroleg NŽ až ; MikrolegŘV až -20 Kalicí lis (bainit) až

43 Nízkolegované oceli k zušlechtění - TLCh prac.. teploty 50 C až 150 C legury 1,5% Ni, 0,15% Cr, 0,1% Mo , ,

44 Vysokolegované oceli - TLCh Kryogenní teploty -150 C až -196 C nízkouhlíkový martenzit (0,04 až 0,14)%C, (5 až 13)% Ni Podskupinu tvoří oceli typu COR 13/4; 13/6 (Cr/Ni) 44

45 Austenitické oceli mají fcc strukturu a tedy nemají tranzitní lomové chování Cr-Ni austenitické oceli (18 20)% Cr, (8 14)% Ni až Mn-Cr austenitické oceli (18 22)% Mn,, (9 14)% Cr

46 Houževnatost i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie) ii. (Empirické) zkoušky houževnatosti (Charpy, TNDT) iii. Lineárně-elastická elastická lomová mechanika (Irwin,, zkoušky lomové houževnatosti) iv. Elasto-plastická lomová mechanika (zkoušky, interpretace, podmínky šíření trhliny) 46