IOK ÚNAVOVÉ ZKOUŠKY PATINUJÍCÍ OCELI L. Rozlívka 1, M. Vlk 2, L. Kunz 3, P. Zavadilová 3 1 Institut ocelových konstrukcí, s.r.o 2 VUT Brno, Fakulta strojního inženýrství 3 Ústav fyziky materiálů AVČR Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 1 Materiál Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 2 1
Zkušební tělesa s exponovaným povrchem 12 ks Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 3 Provedení únavových zkoušek Resonanční zkušební únavový stroj Řízená amplituda síly Parametr asymetrie R = -1, Frekvence zatěžování ~115 Hz T = pokojová, Běžná atmosférická vlhkost Zkoušky do lomu nebo do 10 7 cyklů Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 4 2
Resonanční zkušební stroj Amsler Řídící elektronika Roell/Amsler VibroWin Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 5 Upnutí zkušebních těles Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 6 3
Výsledky 220 Profil 1 exponovaný povrch amplituda napětí [MPa] 200 180 160 140 10 zkoušek R = -1 120 10 5 10 6 10 7 N Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 7 Struktura Feriticko perlitická podeutektoidní ocel s rovnoměrnými jemnými polyedrickými zrny Na povrchu silná vrstva korozních produktů Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 8 4
Světelná mikroskopie neprokazuje existence korozních trhlin Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 9 Lomová plocha po únavové zkoušce Silná vrstva korozních produktů Vrstva je často popraskaná Trhliny nezasahují do nekorodovaného materiálu Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 10 5
K iniciaci únavových trhlin dochází vždy na exponovaném povrchu Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 11 Vícenásobná iniciace Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 12 6
V místě iniciace je vždy korozní důlek Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 13 Materiál 14 zkušebních těles exponovaný povrch 13 zkušebních těles s broušený povrch Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 14 7
Zkušební tělesa s broušeným povrchem Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 15 Zkoušky těles s broušeným povrchem Zkušební zařízení: resonanční pulsátor SCHENCK PVQO Elektronika Zwick/Roell, software TechXpert Řízená síla Frekvence cca 35 60 Hz Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 16 8
amplituda napětí [MPa] 300 250 200 150 100 Profil 1 exponovaný povrch broušený povrch R = -1 10 5 10 6 10 7 N Snížení únavové životnosti v důsledku expozice Pro životnost 2 x 10 5 cyklů snížení o 100 MPa Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 17 Snížení únavové životnosti v důsledku expozice je obecně známé Výklad efektu: vliv korozních trhlin vliv reliéfu - koncentrátorů napětí na exponovaném povrchu Závažnost vlivu korozních trhlin či jejich existence je konstatována: 1) Pošvářová, M., Matocha K.: Rizika chování patinujících ocelí použitých na mostních konstrukcích. Silnice železnice 2009. 2) Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí, Technické podmínky staveb pozemních komunikací MD ČR, 1.9.2008. Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 18 9
Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí, Technické podmínky staveb pozemních komunikací MD ČR, 1.9.2008 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 19 Snížení únavové životnosti v důsledku expozice je obecně známé Výklad efektu: vliv korozních trhlin vliv reliéfu - koncentrátorů napětí na exponovaném povrchu Závažnost vlivu korozních trhlin či jejich existence je konstatována: 1) Pošvářová, M., Matocha K.: Rizika chování patinujících ocelí použitých na mostních konstrukcích. Silnice železnice 2009. 2) Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí, Technické podmínky staveb pozemních komunikací MD ČR, 1.9.2008. Na vyšetřovaném materiálu nebyly prokázány (světelná i elektronová mikroskopie) korozní trhliny, které by se šířily v důsledku cyklického namáhání. Fraktografie neprokázala žádné projevy na lomových plochách v místech iniciace únavových trhlin, které by indikovaly přítomnost korozních trhlin. Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 20 10
r = 970 µm h = 210 µm Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 21 Výpočet K t 10 mm 20 mm 10 mm 0,97 mm 0,21 mm K t = 1,63 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 22 11
Únavová vrubová citlivost q q = (K f -1)/(K t -1) K f = 1 + q (K t -1) K t = 1,63 q = 0,80: K f = 1,5 Peterson: Stress Concentration Factor Handbook Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 23 Únavová životnost pro 2 x 10 5 cyklů broušený povrch exponovaný povrch σ a,b = 300 MPa σ a,e = 200 MPa experimentálně: σ a,b / σ a,e = 1,5 výpočet: = 1,5 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 24 12
Vliv asymetrie cyklu amplituda napětí [MPa] 200 160 120 exponovaný povrch R = -1, profil 1 R = 0, profil 2 10 5 10 6 10 7 N Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 25 Výsledky experimentů Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 26 13
ČSN EN 1993-1-9 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí Část 1-9: Únava Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 27 Logaritmicko-normální rozdělení počtů cyklů do porušení. Jednostranný statistický toleranční interval (dolní mez) logn L = logn k 1 s logn Dvoustranný statistický toleranční interval (dolní a horní mez) logn U,L = logn ± k 2 s logn Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 28 14
Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 29 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 30 15
Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 31 ČSN EN 1993-1-9 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí Část 1-9: Únava Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 32 16
Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 33 Rozkmity napětí v průsečících křivek životnosti Kategorie detailu σ B (MPa) 160 305 140 320 125 333 112 347 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 34 17
A. Hobbacher, Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. IIW Doc. XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07, December 2008 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 35 Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 36 18
Závěry: Působení koroze snižuje výrazně únavovou životnost. Důvodem pro snížení životnosti je vznik koncentrátorů napětí (korozních důlků) na exponovaném povrchu. Provedená měření únavové životnosti indikuje nepoužitelnost křivek životnosti s exponentem m = 3 v oblasti nízkých počtů cyklů do lomu, což je v souladu s doporučením IIW. Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 37 Materiál Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 38 19
Seminář projektu MPO FT-TA5/076, Ostrava 23. listopadu 2010 39 20