ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ. Δρ. Πανδώρα Ψυλλάκη

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Χημεία & Τεχνολογία Υλικών», Μάθημα 4: ΦΥΣΙΚΕΣ, ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ, ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΦΑΣΕΩΝ ΕΝΟΤΗΤΑ: ΑΣΤΟΧΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Δρ. Πανδώρα Ψυλλάκη Φεβρουάριος 2006

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΝΟΤΗΤΑ Σελίδα 1. Εισαγωγή 1 2. Μεθοδολογία ανάλυσης της αστοχίας 4 3. Ενόργανες πειραματικές μέθοδοι ανάλυσης αστοχίας Μη καταστρεπτικές τεχνικές Ελεγχος με μαγνητικά σωματίδια Ελεγχος με φθορίζοντα διεισδυτικά υγρά Ραδιογραφία ακτίνων Χ ή γ Ελεγχος με υπέρηχους Ελεγχος με δινορεύματα Καταστρεπτικές τεχνικές χαρακτηρισμού Χημική ανάλυση Μικροσκοπική παρατήρηση Σκληρομέτρηση Δοκιμή εφελκυσμού Δοκιμή κρούσης Δοκιμή κάμψης Βασικές έννοιες θραυστομηχανικής Θραύση ιδανικού κρυστάλλου Ψαθυρή θραύση Θεωρία Griffith για την ψαθυρή θραύση Ολκιμη θραύση Συμπεριφορά υλικών σε διάφορες καταπονήσεις Κόπωση - Εναλλασσόμενη μηχανική φόρτιση Ερπυσμός - Στατική μηχανική φόρτιση σε υψηλές θερμοκρασίες Διάβρωση Αστοχία λόγω δράσης χημικών παραγόντων Ομοιόμορφη διάβρωση Γαλβανική διάβρωση Μικρογαλβανική διάβρωση Διάβρωση με εσοχές (Crevice) Διάβρωση με βελονισμούς (Pitting) Διάβρωση υπό μηχανική τάση (stress corrosion) Ψαθυροποίηση από υδρογόνο (hydrogen embrittlement) Φθορά λόγω τριβής Επιφανειακή καταπόνηση υλικού Φθορά λόγω πρόσφυσης Φθορά λόγω εκτριβής Παράγοντες που επηρεάζουν τη φθορά λόγω τριβής Βασικές Αρχές Επιλογής Υλικού Προβλήματα και Ασκήσεις Βιβλιογραφία 62

3 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος «αστοχία» (failure) γενικά χρησιμοποιείται για να δηλώσει την απόκλιση του αποτελέσματος μιας πράξης/ ενέργειας από τον αρχικό στόχο που τέθηκε πριν την πραγματοποίησή της. Η απόκλιση αυτή μπορεί να οφείλεται σε: Λανθασμένο σχεδιασμό, λόγω ασαφούς διατύπωσης του προς επίλυση θέματος ή/και μη ορθό καθορισμό των οριακών συνθηκών του προβλήματος ή/και ακατάλληλη επιλογή της μεθοδολογίας υλοποίησης. Λανθασμένη υλοποίηση του αρχικού σχεδιασμού, δηλαδή μη τήρηση των οδηγιών ή/ και των περιορισμών που τέθηκαν κατά τον σχεδιασμό Λανθασμένη αξιοποίηση του αποτελέσματος του προηγούμενου σταδίου, που μπορεί να αφορά είτε τη μη ασφαλή διεύρυνση των ορίων του αρχικού στόχου, είτε την εξυπηρέτηση στόχων διαφορετικών από αυτούς που αρχικά ετέθησαν. Τέλος, αστοχία μπορεί να σημειωθεί όταν οι συνθήκες λειτουργίας και περιβάλλοντος είναι ακραίες σε βαθμό τέτοιο, ώστε είτε να μην είναι δυνατή η πρόβλεψή τους, ή η πιθανότητα να συμβούν είναι πολύ μικρή και γι αυτό δεν ελήφθησαν υπόψιν στα προγενέστερα στάδια. Οι μηχανολογικές κατασκευές αποτελούν συνήθως σύνολα επιμέρους υποομάδων (assemblies) μεμονωμένων μερών. Τα μεμονωμένα αυτά μέρη συναρμολογούνται σε υποομάδες με συγκόλληση (μεταλλουργική συνένωση υψηλών θερμοκρασιών), κόλληση (συνένωση με χρήση οργανικών ουσιών), κοχλίωση (συναρμογή με χρήση βιδών) ή ήλωση (συγκράτηση με χρήση καρφιών). Οι υποομάδες πρέπει να συνεργάζονται κατάλληλα προκειμένου να σχηματίσουν την τελική κατασκευή/ εξάρτημα που θα λειτουργήσει σε δεδομένο περιβάλλον μηχανικών φορτίσεων, που πιθανά επιβαρύνονται από την παρουσία χημικών παραγόντων ή θερμικών φορτίων, από τη συνέργεια επιφανειακών καταπονήσεων ή/ και από την επενέργεια ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (παράγοντας εξαιρετικά επιβαρυντικός στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολυμερή υλικά). Προκειμένου, λοιπόν, να εξασφαλιστεί η απρόσκοπτη λειτουργία της κατασκευής και να ελαχιστοποιηθούν οι πιθανότητες μη αναμενόμενης αστοχίας της (δηλαδή αστοχίας πριν παρέλθει ο χρόνος ζωής που δίνεται από τον κατασκευαστή, αφού καμμία κατασκευή δε μπορεί να θεωρηθεί αθάνατη), ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δίνεται σε καθένα από τα ακόλουθα στάδια (σχήμα 1.1):

4 2 Στάδιο σχεδιασμού. Σ αυτό περιλαμβάνεται αφενός η διαστασιολόγηση της κατασκευής, ο καθορισμός δηλαδή των γεωμετρικών της χαρακτηριστικών τόσο των μεμονωμένων μερών όσο και της συνολικής κατασκευής, αφετέρου δε η επιλογή του υλικού από το οποίο θα κατασκευαστεί προκειμένου αυτό να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του περιβάλλοντος λειτουργίας. Επίσης, στο αρχικό αυτό στάδιο καθορίζονται οι τεχνικές μορφοποίησης και κατεργασίας του υλικού των επιμέρους μερών, καθώς και οι τεχνικές συναρμογής τους. Η μελέτη σχεδιασμού συνιστά μέρος του τεχνικού φακέλλου μιας μηχανολογικής κατασκευής, ο οποίος αποτελεί αναπόσπαστο τεχνικό εγχειρίδιο που τη συνοδεύει σε όλη τη διάρκεια της ζωής της. Στάδιο κατασκευής. Στο στάδιο αυτό οι εργασίες που περιγράφονται λεπτομερώς στη μελέτη σχεδιασμού υλοποιούνται από τον κατασκευαστή προκειμένου να διαμορφωθεί το τελικό αντικείμενο. Στάδιο λειτουργίας. Στο στάδιο αυτό ο τελικός χρήστης της κατασκευής χρησιμοποιεί το αντικείμενο προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος για τον οποίο αρχικά σχεδιαστηκε και εν συνεχεία κατασκευάστηκε. Πρέπει εδώ να επισημανθεί ότι οι μηχανολογικές κατασκευές εξυπηρετούν συγκεκριμένους στόχους και λειτουργούν σε δεδομένο περιβάλλον. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ικανοποιητική λειτουργία τους, ο τελικός χρήστης θα πρέπει να συμμορφώνεται με τις οδηγίες χρήσης του κατασκευαστή, οι οποίες αφορούν τον τρόπο διαχείρισης και συντήρησης της κατασκευής και αποτελούν επίσης αναπόσπαστο συνοδευτικό εγχειρίδιο της κατασκευής. Είναι σαφές ότι οποιαδήποτε απόκλιση, παράβλεψη ή λανθασμένη αξιολόγηση σε κάποιο από τα στάδια αυτά μπορεί να εισάγει παράγοντες που σε χρονικό διάστημα μικρότερο από τον προβλεπόμενο χρόνο ζωής της κατασκευής θα οδηγήσουν σε αστοχία της. Για το λόγο αυτό και προκειμένου αφενός να ανιχνευθεί το πραγματικό αίτιο αστοχίας και να αρθεί εφόσον αυτό είναι εφικτό, αφετέρου δε να αποφευχθεί η επανάληψη του ίδιου σφάλματος, είναι απαραίτητη η λεπτομερής ανάλυση της μελέτης σχεδιασμού, η αναλυτική καταγραφή των βημάτων υλοποίησης, καθώς και η συστηματική τήρηση πρωτοκόλλου χρήσης και εργασιών συντήρησης της κατασκευής.

5 3 Τελική Χρήση/ Περιβάλλον λειτουργίας* Σχεδιασμός Μηχανολογική σχεδίαση Μεμονωμένα εξαρτήματα Συνολική κατασκευή Επιλογή υλικού Κατασκευή Μορφοποίηση μερών Μηχανουργική κατεργασία μερών Συναρμολόγηση/ συναρμογή μερών Χρήση Οδηγίες χρήσης Λίπανση Ψύξη Συντήρηση * Περιβάλλον λειτουργίας: - Μηχανική φόρτιση - Χημικοί παράγοντες - Επιφανειακή καταπόνηση - Θερμική Φόρτιση - Ακτινοβολία Σχήμα 1.1. Διακριτά στάδια της «ζωής» μιας μηχανολογικής κατασκευής. Στις περιπτώσεις μηχανολογικών κατασκευών, η αστοχία μπορεί να αφορά (σχήμα 1.2): Μη ικανοποιητική λειτουργία, η οποία με απλή ρύθμιση, επιδιόρθωση ή αντικατάσταση μεμονωμένου μέρους της κατασκευής μπορεί να αποκατασταθεί. Μη ασφαλή λειτουργία, η οποία μπορεί επίσης να αντιμετωπιστεί με προσωρινή διακοπή της λειτουργίας της κατασκευής και αντικατάστασης ή επιδιόρθωσης μερών ή υποομάδων. Παύση λειτουργίας με ταυτόχρονη καταστροφική αστοχία υλικού, η οποία είναι και η πιο επικίνδυνη, αφού τις περισσότερες φορές επέρχεται. χωρίς προειδοποίηση. Βαθμός επικινδυνότητας αστοχίας Παύση λειτουργίας Μη ασφαλής λειτουργία Μη ικανοποιητική λειτουργία Αντικατάσταση Επιδιόρθωση / Αντικατάσταση Σχήμα 1.2. Περιπτώσεις αστοχίας αυξανόμενου βαθμού επικινδυνότητας. Στη συγκεκριμένη θεματική ενότητα, θα ασχοληθούμε με τις περιπτώσεις καταστροφικής αστοχίας μεταλλικών υλικών που οδηγούν σε κερματισμό της κατασκευής, λόγω της επενέργειας μηχανικών, χημικών ή θερμικών φορτίσεων, με τη μεθοδολογία ανάλυσης για την εύρεση του αίτιου αστοχίας, καθώς και με το ζήτημα της κατάλληλης επιλογής υλικού ώστε να εξασφαλιστεί η ικανοποιητική απόδοση μιας κατασκευής και να ελαχιστοποιηθεί ο κίνδυνος αστοχίας της.

6 4 2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΗΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Στις περισσότερες περιπτώσεις καταστροφικής αστοχίας υλικού, τα «αποτυπώματα» του κύριου αίτιου που οδήγησε σ αυτήν μπορούν να ανιχνευθούν στα κερματισμένα τεμάχια της κατασκευής, ενώ με συστηματική ανάλυση γίνεται δυνατός ο προσδιορισμός τόσο του σταδίου λανθασμένης επιλογής (κατά το σχεδιασμό, την κατασκευή ή/ και τη χρήση), όσο και της επιβαρυντικής επίδρασης που αυτή είχε στην εξέλιξη της αστοχίας. Η γενική μεθοδολογία ανάλυσης της αστοχίας περιλαμβάνει διαδοχικά βήματα που κατά περίπτωση ακολουθούνται στο σύνολό τους ή κατά ένα μέρος τους (σχήμα 2.1): Καταγράφονται οι συνθήκες λειτουργίας τη στιγμή της αστοχίας, προκειμένου να προσδιοριστεί πιθανή μηχανική υπερφόρτιση της κατασκευής (εκτός των προδιαγεγραμμένων ορίων ασφαλούς λειτουργίας) ή/ και μη συνήθης παρουσία χημικών παραγόντων ή θερμικών φορτίων. Εξετάζεται το πρωτόκολλο χρήσης της κατασκευής, όπου θα πρέπει να καταγράφεται συστηματικά το ιστορικό λειτουργίας της: συχνότητα και περιγραφή εργασιών συντήρησης, λίπανσης και ψύξης, πιθανά προβλήματα κατά τη λειτουργία της, συχνότητα και χρονικό διάστημα χρήση εκτός των ορίων ασφαλούς λειτουργίας, ασυνήθεις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της υγρασίας του περιβάλλοντος, κλπ. Αποτυπώνεται φωτογραφικά η κατασκευή μετά την αστοχία της και εξετάζονται οπτικά τα κερματισμένα τεμάχιά της (χωρίς να προηγηθεί καθαρισμός τους) προκειμένου να εντοπιστούν σημαντικές μεταβολές της μορφολογίας, της υφής ή/ και του χρωματισμού του αντικειμένου γύρω από την περιοχή της αστοχίας. Πολλές φορές είναι αναγκαία η χαλαρή ανασύνθεση των κερματισμένων τεμαχίων προκειμένου να αποκατασταθεί η αρχική γεωμετρία του αντικειμένου (όπως στην περίπτωση των puzzles) και να προσδιοριστεί πιθανή βίαιη απομάκρυνση μέρους του υλικού. Εφαρμόζονται τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου για τον προσδιορισμό επιφανειακών ή υποεπιφανειακών ατελειών μικροδομής (πόροι, ρωγμές ή/ και εγκλείσματα), το είδος και η θέση των οποίων υποδεικνύουν σε έναν έμπειρο αναλυτή αστοχίας πιθανές πηγές έναρξης ή επιτάχυνσής της. Πρόκειται για τεχνικές που είτε εφαρμόζονται επιτοπίως με χρήση φορητών συσκευών, είτε σε

7 5 εργαστηριακό περιβάλλον με χρήση συσκευών υψηλότερης ακρίβειας και ανάλυσης. Καταγραφή συνθηκών λειτουργίας τη στιγμή αστοχίας & ιστορικό τρόπου χρήσης Οπτικός έλεγχος για εντοπισμό μακροσκοπικών περιοχών αστοχίας & αποτύπωσή τους Χρήση μη καταστρεπτικών μεθόδων για τη «χαρτογράφηση» μη ορατών ασυνεχειών (ρωγμές, πόροι) σε υποεπιφανειακές / εσωτερικές περιοχές υλικού Επιλογή χαρακτηριστικών περιοχών αστοχίας & λήψη δοκιμίων για περαιτέρω εργαστηριακή διερεύνηση Σύγκριση ευρημάτων εργαστηριακής ανάλυσης με τα αναμενόμενα από τη χρήση «πρότυπων» υλικών Υπολογιστική προσομοίωση για αναπαραγωγή των συνθηκών λειτουργίας & τον προσδιορισμό της εξέλιξης της κατανομής εσωτερικών τάσεων Σύγκριση στοιχείων του φακέλλου σχεδιασμού με αυτά του φακέλλου κατασκευής ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ «ΛΑΘΟΥΣ»: Σχεδιασμός/ Κατασκευή/ Χρήση Σχήμα 2.1. Γενική μεθοδολογία ανάλυσης αστοχίας. Προσδιορίζονται οι χαρακτηριστικές περιοχές αστοχίας και εξετάζονται μικροσκοπικά οι επιφάνειες θραύσης του υλικού (θραυστογραφία/fractography). Η μορφολογία τους είναι ενδεικτική του μηχανικού φορτίου που επενέργησε στο υλικό προκαλώντας την τελική του αστοχία. Συμπληρωματικά, χρησιμοποιούνται και άλλες τεχνικές εργαστηριακού ελέγχου προκειμένου να προσδιοριστούν πιθανές αποκλίσεις του υλικού που χρησιμοποιήθηκε από τις προδιαγραφές που τέθηκαν κατά το σχεδιασμό. Οι τεχνικές αυτές απαιτούν την απομάκρυνση (θυσία) υλικού (καταστρεπτικές τεχνικές ελέγχου) και εφαρμόζονται σε τελευταίο στάδιο, αφού πρώτα έχει πλήρως καταγραφεί η εικόνα του αντικειμένου που αστόχησε και των επιφανειών θραύσης. Λόγω της σημαντικότητας των τεχνικών

8 6 ενόργανης ανάλυσης (μη καταστρεπτικού και καταστρεπτικού ελέγχου) για τη μελέτη αστοχίας, αυτές περιγράφονται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. Τα ευρήματα της εργαστηριακής ανάλυσης συγκρίνονται με βιβλιογραφικά δεδομένα ή/ και δεδομένα εργαστηριακής ανάλυσης αντίστοιχου «πρότυπου υλικού» και προσδιορίζονται πιθανές αποκλίσεις που αφορούν τη χημική σύσταση, τη μικροδομή ή/ και τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού της κατασκευής που αστόχησε. Τα ανωτέρω συγκρίνονται επιπλέον με τα σχετικά στοιχεία που περιέχονται στους φακέλλους σχεδιασμού και κατασκευής του αντικειμένου. Η εξέλιξη των μηχανικών τάσεων που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του υλικού κατά τη λειτουργία του σε περιβάλλον δεδομένων μηχανικών και θερμικών φορτίσεων είναι δυνατό να αναπαραχθεί με τη χρήση υπολογιστικών κωδίκων (ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων) λαμβάνοντας υπόψη τη συγκεκριμένη γεωμετρία και μικροδομή του υλικού. Μια τέτοια ανάλυση μπορεί να συνεισφέρει σημαντικές πληροφορίες για τον προσδιορισμό του χρόνου και της θέσης έναρξης της θραύσης (ρωγμάτωσης). Η συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των ανωτέρω διαδοχικών βημάτων οδηγεί στον ασφαλή προσδιορισμό του αίτιου αστοχίας μιας μηχανολογικής κατασκευής. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα όρια ασφαλούς λειτουργίας μιας κατασκευής που αναφέρθηκαν σε προηγούμενα σημεία, δεν ταυτίζονται με τα πραγματικά όρια αντοχής των υλικών. Στο στάδιο σχεδιασμού λαμβάνεται πάντοτε υπ όψιν η πιθανότητα μηχανικών υπερφορτίσεων και γι αυτό προβλέπεται η χρήση υλικών πολύ υψηλότερων αντοχών από αυτές που επιβάλλονται από τη συνήθη λειτουργία της (συντελεστής ασφαλείας). Αυτό επιτρέπει τη σύντομη και σπάνια υπέρβαση των προδιαγεγραμμένων ορίων λειτουργίας χωρίς βλάβη της κατασκευής. Ωστόσο, αυτή η υπέρβαση θα πρέπει εν γένει να αποφεύγεται διότι μπορεί να ενεργοποιήσει μηχανισμούς αστοχίας που θα οδηγήσουν συντομότερα σε τελική αστοχία της κατασκευής (σχήμα 2.2). Στιγμιαία απόκλιση από τα όρια ασφαλούς λειτουργίας Ενεργοποίηση μηχανισμών αστοχίας Τελική καταστροφική αστοχία εξαρτήματος Σχήμα 2.2. Επίδραση υπέρβασης ορίων ασφαλείας στην αρτιότητα της κατασκευής.

9 7 3. ΕΝΟΡΓΑΝΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 3.1. ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΕΠΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ (NON-DESTRUCTIVE TESTING, NDT) Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα αστοχίας ενός μεταλλικού εξαρτήματος, λόγω της ύπαρξης εσωτερικών δομικών ατελειών του υλικού, όπως είναι οι πόροι ή προϋπάρχουσες υποεπιφανειακές ρωγμές, στην ενδιάμεση φάση μεταξύ της παραγωγής του τελικού προϊόντος και της χρήσης του, το εξάρτημα υποβάλεται σε σειρά ελέγχων που δεν επηρεάζουν τη γεωμετρία του ή τις ιδιότητες του υλικού. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με την εφαρμογή μη καταστρεπτικών τεχνικών που επιτρέπουν την «ενδοσκοπική» μελέτη του αντικειμένου χωρίς την παραμικρή αλλοίωση των χαρακτηριστικών του. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται οι βασικές αρχές των κυριότερων μη καταστρεπτικών τεχνικών ελέγχου μεταλλικών υλικών και τα πεδία εφαρμογής τους Ελεγχος με μαγνητικά σωματίδια (Magnetic-Particle Inspection) Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ασυνεχειών (π.χ. ρωγμές, πόροι, μη μεταλλικά εγκλείσματα) σε σιδηρομαγνητικά υλικά και κυρίως σε χάλυβες. Η εφαρμογή της επιτρέπει τη διάγνωση επιφανειακών ατελειών μη ορατών με γυμνό μάτι, ή υποεπιφανειακών ατελειών που προκύπτουν συνήθως μετά από συγκολλήσεις. Σε γενικές γραμμές, ο έλεγχος με μαγνητικά σωματίδια συνίσταται στην επικάλυψη της επιφάνειας με σκόνη σιδήρου σε λεπτό διαμερισμό και την ταυτόχρονη εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Τα σωματίδια της σκόνης προσανατολίζονται σύμφωνα με τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου. Επιφανειακές ατέλειες του υλικού ή υποεπιφανειακές μικρού βάθους, προκαλούν «διαρροή» των μαγνητικών γραμμών, δημιουργώντας τοπικά μαγνητικά δίπολα, τα οποία έλκουν τα μαγνητικά σωματίδια. Η δύναμη έλξης ελαττώνεται με την απόσταση της ατέλειας από την επιφάνεια, έτσι ατέλειες που βρίσκονται σε σχετικά μεγάλο βάθος δεν είναι δυνατό να ανιχνευθούν με την τεχνική αυτή. Στο σχήμα 3.1 παρουσιάζεται η βασική αρχή της τεχνικής ελέγχου με μαγνητικά σωματίδια. Στην πράξη εφαρμόζονται διάφορες παραλλαγές της τεχνικής, ανάλογα με

10 8 τον τρόπο εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου και την τεχνική διασποράς των μαγνητικών σωματιδίων στην επιφάνεια. ΔΙΑΡΡΟΗ (α) (β) (γ) Σχήμα 3.1. Ελεγχος μεταλλικών υλικών με μαγνητικά σωματίδια. (α) Βασική αρχή της μεθόδου, (β) εντοπισμός επιφανεικής ρωγμής και (γ) ανάδειξη μικρορωγμών γύρω από την εσωτερική διάμετρο γραναζιού Ελεγχος με φθορίζοντα διεισδυτικά υγρά (Fluorescent-Penetrant Inspection) Η τεχνική εφαρμόζεται για τον εντοπισμό επιφανειακών ελαττωμάτων διαφόρων υλικών. Συνήθως χρησιμοποιείται για των έλεγχο χυτών αντικειμένων ή συγκολλημένων κατασκευών.

11 9 (α) Συγκόλληση Επιφανειακό ελάττωμα (β) Σχήμα 3.2. Ελεγχος μεταλλικών υλικών με διεισδυτικά υγρά. (α) Βασική αρχή της μεθόδου και (β) ανάδειξη επιφανειακών ελαττωμάτων στη θερμικά επηρεασμένη ζώνη συγκόλλησης. Στην τεχνική αυτή εκμεταλλευόμαστε την ικανότητα υγρών υψηλής επιφανειακής τάσης να διεισδύουν σε επιφανειακά ελαττώματα (πόρους και μικρορωγμές), μέσω τριχοειδών φαινομένων. Η επιφάνεια του εξεταζόμενου αντικειμένου καλύπτεται με λεπτό στρώμα υγρού, για χρονικό διάστημα τέτοιο ώστε να ολοκληρωθεί η διείσδυσή του. Εν συνεχεία, η περίσσεια του υγρού απομακρύνεται από την επιφάνεια με έκπλυση. Σε τρίτο στάδιο, η εξεταζόμενη επιφάνεια καλύπτεται με κατάλληλη σκόνη, τον «εμφανιστή», ο οποίος ενεργώντας ως σφουγγάρι, προκαλεί εκρόφηση του υγρού που είχε διεισδύσει στην επιφανειακή ατάλεια. Το εκροφούμενο υγρό αφήνει στην επιφάνεια ίχνος διαφορετικού χρώματος από τον εμφανιστή, ο οποίος είναι κατά κανόνα λευκός, υποδεικνύοντας έτσι την ύπαρξη και την έκταση της επιφανειακής ατέλειας. Στο σχήμα 3.2, φαίνονται διαδοχικά στάδια ελέγχου με φθορίζοντα διεισδυτικά υγρά.

12 Ραδιογραφία ακτίνων Χ ή γ (X-ray/ γ-ray Radiography) Η βασική αρχή της ραδιογραφίας είναι στους περισσότερους γνωστή από τις ιατρικές ακτινογραφικές εξετάσεις. Στην περίπτωση των ραδιογραφικών ελέγχων υλικών, χρησιμοποιείται πηγή ακτίνων Χ ή ακτίνων γ (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), οι οποίες λόγω του μικρού μήκους κύματός τους εμφανίζουν υψηλή διεισδυτική ικανότητα, ενώ ένα μικρό μόνο ποσοστό τους απορροφάται από το υλικό. Αυτό το ποσοστό εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού, το πάχος του και φυσικά το μήκος κύματος της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας. Οι ακτίνες Χ παράγονται από τον βομβαρδισμό ενός μεταλλικού στόχου, συνήθως βολφραμίου (W), από δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας, που λαμβάνει χώρα στο σωλήνα ακτίνων Χ, ενώ οι ακτίνες γ εκπέμπονται είτε από φυσική ραδιενεργή πηγή, συνήθως ράδιο (Ra), είτε από τεχνητή, συνήθως 60 Co. Συγκρινόμενες μεταξύ τους, οι ακτίνες γ έχουν μεγαλύτερη διεισδυτική ικανότητα από τις ακτίνες Χ, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για ραδιογραφία αντικειμένων μεγάλου πάχους, αλλά μικρότερη ευαισθησία. Υπενθυμίζεται ότι το μήκος κύματος των ακτίνων γ είναι λ < 0,1 nm, ενώ το εύρος του μήκους κύματος των ακτίνων Χ είναι 10-3 nm < λ < 10 nm. Η ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια του υλικού και διέρχεται από τη μάζα του ανιχνεύεται στο πίσω μέρος του ελεγχόμενου υλικού, όπου και αποτυπώνεται σε φωτοευαίσθητη επιφάνεια (σχήμα 3.3). Οι περιοχές του υλικού με τη μεγαλύτερη πυκνότητα απορροφούν μεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολίας και κατά συνέπεια η εξερχόμενη ακτινοβολία στο πίσω μέρος του εξεταζόμενου υλικού σκιάζει λιγότερο το φιλμ, σε σχέση με τις περιοχές μικρότερης πυκνότητας, όπως είναι οι πόροι και οι ρωγμές. Οταν στην εξεταζόμενη μάζα υπάρχουν εγκλείσματα που είναι εν γένει μεγαλύτερης πυκνότητας, οι αντίστοιχες περιοχές τους στο φιλμ καταγράφονται ως φωτεινότερα σημεία. Ετσι, από την πυκνότητα της αποτύπωσης στο φωτογραφικό φιλμ γίνεται τελικά δυνατός ο εντοπισμός της θέσης αλλά και του είδους του ελαττώματος. Ο ραδιογραφικός έλεγχος χρησιμοποιείται ευρύτατα για τον έλεγχο των ελαττωμάτων χυτών αντικειμένων, σφυρήλατων και συγκολλημένων κατασκευών.

13 11 (α) (β) Σχήμα 3.3. Ραδιογραφικός έλεγχος συγκόλλησης μεταλλικών υλικών. (α) Συνήθης διάταξη ελέγχου και (β) αποτέλεσμα ραδιογραφικού ελέγχου συγκόλλησης μεταλλικών ελασμάτων που υποδεικνύει την ύπαρξη ελαττωμάτων εκατέρωθεν της ραφής της συγκόλλησης Ελεγχος με υπέρηχους (Ultrasonic Inspection) Η τεχνική αυτή στηρίζεται στη διάδοση ακουστικών κυμάτων υπερηχητικών συχνοτήτων (>20 khz) εντός υλικών, γνωστής ακουστικής εμπέδησης. Η τεχνική αυτή επιτρέπει τον ταχύ και αξιόπιστο εντοπισμό εσωτερικών ατελειών, όπως πόρων και εγκλεισμάτων, καθώς και ρωγμών ή αστοχιών εσωτερικών διεπιφανειών του υλικού όταν αυτές είναι κάθετες στη διεύθυνση διάδοσης των ακουστικών κυμάτων. Οι συνήθεις τεχνικές υπερήχων για τον έλεγχο μεταλλικών υλικών χρησιμοποιούν κύματα συχνοτήτων 1-5 MHz που δημιουργούνται από μια διάταξη κρυστάλλων χαλαζία, τιτανικού βαρίου ή θειϊκού λιθίου. Τα υλικά αυτά εμφανίζουν πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, όταν δηλαδή σε έναν τέτοιο κρύσταλλο εφαρμοστεί εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, ο πιεζοκρύσταλλος διαστέλλεται κατά το πρώτο μισό της περιόδου του ρεύματος και συστέλλεται κατά το δεύτερο μισό. Η μηχανική δόνηση του υλικού, λόγω

14 12 των διαδοχικών διαστολών-συστολών, γίνεται με συχνότητα ίδια με εκείνη του ηλεκτρικού ρεύματος εκπέμποντας ηχητικό κύμα. Με τον τρόπο αυτό, μπορεί να καθοριστεί επακριβώς η συχνότητα του εκπεμπόμενου από τον πιεζοκρύσταλλο ηχητικού σήματος. Ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος εκπομπής υπερηχητικών κυμάτων τοποθετείται στην επιφάνεια του εξεταζόμενου υλικού και το ελαστικό υπερηχητικό κύμα που δημιουργείται διαδίδεται διαμέσου του εξεταζόμενου υλικού με ταχύτητα που εξαρτάται από την πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητας του τελευταίου. Με την άφιξη του κύματος στην πίσω επιφάνεια του υλικού ένα μέρος του ανακλάται προς την επιφάνεια, ενώ το υπόλοιπο συνεχίζει την πορεία του εκτός του υλικού. Με τη χρήση κατάλληλων παλμογράφων-δεκτών γίνεται καταγραφή της χρονικής εξέλιξης της πορείας είτε του ανακλώμενου είτε του διερχόμενου μέρους του υπερηχητικού κύματος. Και στις δυο περιπτώσεις, η ύπαρξη επιμήκων ασυνεχειών κάθετων στη διεύθυνση διάδοσης καταγράφεται ως μη ομαλή, πολλαπλή ανάκλαση του κύματος. Η ύπαρξη πόρων ή εγκλεισμάτων γίνεται αντιληπτή κυρίως από τη διαφοροποίηση της τιμής της ταχύτητας διάδοσης του κύματος, που όπως αναφέρθηκε εξαρτάται από την πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Κύριο μειονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι η αναγκαιότητα καλής επαφής πιεζοκρυστάλλου-εξεταζόμενου υλικού. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι ακουστικά κύματα υπερηχητικών συχνοτήτων μπορούν να δημιουργηθούν από απόσταση σε υποεπιφανειακή περιοχή του ίδιου του εξεταζόμενου υλικού με τη χρήση πηγών παλμικού laser με διάρκεια παλμού της τάξης των ns. Τα επιμήκη, εγκάρσια ή επιφανειακά κύματα που δημιουργούνται σ αυτή την περίπτωση μπορούν να καταγραφούν δίνοντας πληροφορίες για το υλικό ανάλογες αυτών των κλασσικών τεχνικών υπερήχων. Η χρήση της νέας αυτής τεχνολογίας είναι αρκετά δελεαστική για βιομηχανικές εφαρμογές, αφού η πηγή διέγερσης είναι σε απόσταση από το εξεταζόμενο αντικείμενο επιτρέποντας έτσι μετρήσεις σε θερμοκρασίες υψηλότερες αυτής του περιβάλλοντος.

15 13 (α) (β) Σχήμα 3.4. Ελεγχος μεταλλικών υλικών με χρήση υπερήχων. (α) Συνήθης διάταξη ελέγχου με χρήση πιεζοκρυστάλλου και (β) χρονική καταγραφή του διαδιδόμενου ακουστικού σήματος που υποδεικνύει την ύπαρξη εσωτερικής ασυνέχειας κάθετης στη διεύθυνση διάδοσης των ακουστικών κυμάτων Ελεγχος με δινορεύματα (Eddy Current Inspection) Ο μη καταστρεπτικός έλεγχος μεταλλικών υλικών με δινορεύματα στηρίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και ύλης. Το προς εξέταση ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό τοποθετείται μέσα σε πηνίο (ή κοντά σ αυτό), στο οποίο εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργώντας έτσι στο εσωτερικό του πηνίου χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Το τελευταίο επάγει στο εσωτερικό του εξεταζόμενου υλικού ρεύμα ίδιας συχνότητας με αυτή της μεταβολής του πεδίου. Τα επαγωγικά αυτά ρεύματα δημιουργούν δευτερογενές μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά με το αρχικό μαγνητικό πεδίο του πηνίου. Με τον τρόπο αυτό ανιχνεύονται αλλαγές στην ηλεκτρική αγωγιμότητα ή τη μαγνητική διαπερατότητα, λόγω της παρουσίας του εξεταζόμενου υλικού που έχει διαφορετική χημική σύσταση, μικροδομή και ιδιότητες.

16 ΚΑΤΑΣΤΡΕΠΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ (DESTRUCTIVE TESTING) Σε αντίθεση με τις μη-καταστρεπτικές δοκιμές που εφαρμόζονται στο μεταλλικό εξάρτημα που αστόχησε για τη διερεύνηση ύπαρξης εσωτερικών ελαττωμάτων, ο περαιτέρω έλεγχος του αντικειμένου για τον προσδιορισμό τυχόν διαφοροποιήσεων στη χημική σύσταση, τη μικροδομή ή τις μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τα προβλεπόμενα από τον τεχνικό του φάκελλο, απαιτεί την καταστροφή του για τη λήψη δοκιμίων από χαρακτηριστικές περιοχές Χημική ανάλυση Η τεχνική που χρησιμοποιείται κατά κανόνα για τη χημική ανάλυση σε μελέτες αστοχίας μεταλλικών μερών είναι η φασματοσκοπία εκπομπής (emission spectroscopy), λόγω της ταχύτητας και της αξιοπιστίας της. Τα άτομα των στοιχείων του εξεταζόμενου υλικού διεγείρονται, συνήθως με τη δημιουργία πλάσματος, και στη φάση της αποδιέγερσής τους εκπέμπουν μια σειρά χαρακτηριστικών για κάθε στοιχείο ακτινοβολιών. Η παρουσία του είδους των στοιχείων (ποιοτική ανάλυση) ταυτοποιείται με την ανίχνευση των κύριων φασματικών γραμμών, ενώ η περιεκτικότητα των στοιχείων στο δείγμα (ποσοτική ανάλυση) προσδιορίζεται μετά από κατάλληλη μέτρηση της έντασής τους με τη χρήση προτυποποιημένων δειγμάτων του αντίστοιχου στοιχείου Μικροσκοπική παρατήρηση Προκειμένου να προσδιοριστούν αλλοιώσεις της αρχικής μικροδομής, καθώς και ύπαρξη μικροπόρων ή μικροεγκλεισμάτων μη ανιχνεύσιμων από τις τεχνικές μη καταστρεπτικού ελέγχου, που πιθανά να συνέβαλαν στην αστοχία του μεταλλικού εξαρτήματος, δοκίμια του τελευταίου προετοιμάζονται κατάλληλα (μεταλλογραφική προετοιμασία) για να μελετηθούν μικροσκοπικά. Η μικροσκοπική παρατήρηση των μεταλλικών δοκιμίων γίνεται με τη χρήση: Οπτικών μικροσκοπίων, στα οποία η μεγεθυμένη εικόνα της μικροδομής λαμβάνεται με ανάκλαση δέσμης ακτινοβολίας στην περιοχή του ορατού. Η διακριτική ικανότητα των μικροσκοπίων αυτών είναι σχετικά περιορισμένη, επιτρέποντας την παρατήρηση σε κλίμακα ομάδας κόκκων του υλικού.

17 μm (α) 1 μm (β) (γ) Σχήμα 3.5. Διατάξεις τεχνικών μικροσκοπίας κι αντίστοιχες εικόνες μικροδομής: (α) Οπτική μικροσκοπία, (β) Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και (γ) Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (TEM).

18 16 Ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, στα οποία η μεγεθυμένη εικόνα της μικροδομής λαμβάνεται με τη χρήση δέσμης ηλεκτρονίων. Τα μικροσκόπια αυτής της κατηγορίας διακρίνονται σε: Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια Σάρωσης (Scanning Electron Microscopes, SEM), στα οποία η προσπίπτουσα δέσμη ηλεκτρονίων σαρώνει την επιφάνεια του υλικού προκαλώντας ελαστικές και ανελαστικές συγκρούσεις με τα άτομα του εξεταζόνενου υλικού. Χρησιμοποιούνται για την παρατήρηση αγώγιμων υλικών, αλλά και μονωτικών (κεραμικά και πολυμερή) μετά από ειδική προετοιμασία της επιφάνειας. Εχουν δυνατότητα μεγέθυνσης έως και φορές, επιτρέποντας την παρατήρηση της μικροδομής σε επίπεδο ενός κόκκου υλικού, καθώς και την τοπογραφία επιφανειών θραύσης. Με τη χρήση κατάλληλων ανιχνευτών, σε ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης μπορεί να γίνει τοπική στοιχειακή μικροανάλυση, να βρεθεί δηλαδή η χημική σύσταση σε επιλεγμένες περιοχές του υλικού (π.χ. κατακρημνισμάτων στα όρια των κόκκων). Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια Διερχόμενης Δέσμης (Transmission Electron Microscopes, TEM), στα οποία η προσπίπτουσα δέσμη ηλεκτρονίων διαπερνά δείγμα του εξεταζόμενου υλικού, μετά από προσεκτική του διαμόρφωση σε «λεπτή τομή». Η εικόνα του υλικού σχηματίζεται μετά από σκέδαση των ηλεκτρονίων που ενισχύονται από αλλαγές στον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. Σε σύγχρονα μικροσκόπια αυτής της κατηγορίας, η δυνατότητα μεγέθυνσης εγγίζει τις φορές, επιτρέποντας την παρατήρηση σε επίπεδο κρυσταλλικού πλέγματος και τον εντοπισμό ατελειών μικροδομής, όπως είναι οι διαταραχές (γραμμικές ατέλειες) ή τα σφάλματα επιστοίβασης. Με κατάλληλους ανιχνευτές είναι επίσης δυνατή η αποτύπωση της κρυσταλλικής δομής του υλικού. Στο σχήμα 3.5, παρουσιάζονται τυπικές διατάξεις των μικροσκοπίων που χρησιμοποιούνται για των εντοπισμό σφαλμάτων μικροδομής που μπορούν να οδηγήσουν σε αστοχία του υλικού, καθώς και αντίστοιχες εικόνες μικροδομής που λαμβάνονται απ αυτά.

19 Σκληρομέτρηση (hardness testing) Η σκληρομέτρηση αποτελεί ταχεία τεχνική που επιτρέπει να έχουμε μια πρώτη ένδειξη για τις μηχανικές ιδιότητες ενός μεταλλικού αντικειμένου, την ομοιόμορφη κατανομή των εσωτερικών τάσεων σ αυτό, καθώς και την επιτυχία ή όχι της θερμικής του κατεργασίας. Συνήθως, η σκληρομέτρηση γίνεται σε σταθερά σκληρόμετρα εργαστηρίου που μετρούν το βάθος ή τις διαστάσεις της προβολής του αποτυπώματος που αφήνει εντυπωτής (ή διεισδυτής) σκληρού υλικού στην επιφάνεια του υλικού, μετά την επιβολή κάθετης δύναμης γνωστής τιμής. Ανάλογα με το εξεταζόμενο υλικό, το πάχος του και τις αναμενόμενες τιμές σκληρότητας, έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται τέσσερεις (4) τεχνικές σκληρομέτρησης σε βιομηχανική κλίμακα: Brinell, Vickers, Rockwell B και Rockwell C, τα βασικά στοιχεία των οποίων παρουσιάζονται συνοπτικά στο σχήμα (σχήμα 3.6). Εκτός από τα συνήθη σταθερά σκληρόμετρα εργαστηρίου, χρησιμοποιούνται και φορητά σκληρόμετρα για επιτόπιες μετρήσεις σε περιπτώσεις που δεν είναι δυνατή η λήψη δοκιμίου του υλικού που έχει αστοχήσει ή σε περιπτώσεις επιθεωρήσης λειτουργούντος εξαρτήματος, προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι η χρήση του δεν έχει επιφέρει αλλαγές στη σκληρότητά του. Μαζί με την τεχνική της ρέπλικας, η χρήση φορητού σκληρόμετρου, αποτελούν τα κύρια εργαλεία περιοδικού ελέγχου της αρτιότητας μιας μηχανολογικής μεταλλικής κατασκευής. Η λειτουργία του φορητού σκληρομέτρου στηρίζεται στην «αρχή της αναπήδησης σφαίρας» σκληρού υλικού στην επιφάνεια του εξεταζόμενου αντικειμένου από δεδομένο ύψος. Η ενέργεια που μετράται μετά την αναπήδηση μετατρέπεται με ειδικό αλγόριθμο που είναι ενσωματωμένος στο όργανο, σε ενδείξεις σκληρότητας, με την προϋπόθεση ότι η ποιότητα του μεταλλικού υλικού είναι ήδη γνωστή.

20 18 Σχήμα 3.6. Στοιχεία των κύριων τεχνικών σκληρομέτρησης με χρήση σταθερών εργαστηριακών οργάνων. Προκειμένου να εκτιμηθεί η επιτυχής πραγματοποίηση επιφανειακής κατεργασίας σκλήρυνσης ή η επιφανειακή τροποποίηση επιφανειακών στρωμάτων του υλικού που προκύπτει κατά τη χρήση του, εκτελούνται δοκιμές μικροσκληρομέτρησης (κατά Vickers ή Knoop). Στηρίζονται στην ίδια αρχή με τις κλασσικές τεχνικές εργαστηριακής σκληρομέτρησης, με τη διαφορά ότι η δύναμη που ασκείται κάθετα στην εξεταζόμενη επιφάνεια έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία αποτυπωμάτων σχετικά μικρών διαστάσεων ( μm). Αυτό επιτρέπει, σε μια κάθετη τομή του υλικού, την εκτέλεση διαδοχικών μετρήσεων σε διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνεια ώστε να καταγραφεί η κατανομή σκληρότητας που είναι ενδεικτική του βάθους της ζώνης σκλήρυνσης ή αλλοίωσης επιφανειακού στρώματος. Στο σχήμα 3.7 παρουσιάζεται ένα τέτοιο χαρακτηριστικό διάγραμμα από την εφαρμογή της τεχνικής της

21 19 μικροσκληρομέτρησης για την εύρεση του βάθους επιφανειακής κατεργασίας δυο μεταλλικών υλικών. (HV0.2) (m) Σχήμα 3.7. Διάγραμμα μεταβολής της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για δυο υλικά που έχουν υποστεί επιφανειακή σκλήρυνση Δοκιμή εφελκυσμού (tensile testing) Από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών είναι και η ικανότητα να αναλάβουν εφελκυστικά φορτία, αφού παραμορφωθούν αρχικά ελαστικά (αναστρέψιμα) και εν συνεχεία πλαστικά (μη αναστρέψιμα) ως την τελική τους θραύση. Η γνώση της συμπεριφοράς του υλικού υπό καθεστώς στατικής εφελκυστικής φόρτισης, αποτελεί βασικό στοιχείο που πρέπει να εκτιμηθεί κατά τη φάση του σχεδιασμού μιας μεταλλικής κατασκευής, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι πιθανότητες καταστροφικής αστοχίας της και περιλαμβάνεται στο φάκελλο του σχεδιασμού της. Συμπληρωματικά, η εξέταση της απόκρισης σε εφελκυσμό υλικού που έχει αστοχίσει δίνει πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη συμμόρφωση της κατασκευής προς τις απαιτήσεις του σχεδιασμού, τόσο ως προς την κατάλληλη επιλογή του υλικού, όσο και ως προς τη διαστασιολογική του ανάλυση.

22 20 (α) (β) σ TS : αντοχή σε εφελκυσμό Τάση Τάση σ y : όριο διαρροής Παραμόρφωση Παραμόρφωση Ψαθυρή θραύση Ολκιμη θραύση (γ) Σχήμα 3.8. Δοκιμή εφελκυσμού μεταλλικών υλικών: (α) Τυπική πειραματική διάταξη, (β) Δοκίμια εφελκυσμού τυποποιημένης γεωμετρίας και (γ) Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης ψαθυρής και όλκιμης συμπεριφοράς.

23 21 Για το λόγο αυτό εκτελούνται δοκιμές εφελκυσμού, κατά τις οποίες καταγράφεται η εξέλιξη της ονομαστικής τάσης (επιβαλλόμενη δύναμη ανά μονάδα αρχικής διατομής του δοκιμίου) συναρτήσει της ανηγμένης παραμόρφωσης (προκαλούμενη επιμήκυνση ανά μονάδα αρχικού μήκους) του υλικού. Στο σχήμα 3.8, παρουσιάζεται μια τυπική διάταξη μηχανής εκτέλεσης δοκιμών εφελκυσμού, η τυποποιημένη γεωμετρία των δοκιμίων εφελκυσμού, καθώς και τυπικές καμπύλες εφελκυσμού υλικού που έχει ψαθυρή (μόνο ελαστική) και όλκιμη (ελαστοπλαστική) συμπεριφορά. Στην περίπτωση της ψαθυρής συμπεριφοράς, η θραύση επέρχεται χωρίς προειδοποίηση, αφού οι παραμορφώσεις του υλικού μέχρι τη θραύση είναι αναστρέψιμες και για το λόγο αυτό η ψαθυρή συμπεριφορά είναι εξαιρετικά επικίνδυνη. Ωστόσο, στην πλειοψηφία τους τα μεταλλικά υλικά μηχανολογικών κατασκευών είναι όλκιμα, η θραύση τους δηλαδή επέρχεται μετά από αισθητή μόνιμη παραμόρφωσή τους, «προειδοποιώντας» για την επερχόμενη θραύση με τη δημιουργία λαιμού (σχήμα 3.9). Χαρακτηριστικά μεγέθη του υλικού που προσδιορίζονται με δοκιμή εφελκυσμού είναι: Το όριο διαρροής (yield stress) (σ y ), δηλαδή η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στο υλικό προκαλώντας ελαστικές παραμορφώσεις. Η αντοχή σε εφελκυσμό (tensile strength) m(σ TS ), δηλαδή η μέγιστη τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης που καταγράφεται στο διάγραμμα. Η παραμόρφωση θραύσης (ε f ), δηλαδή η παραμένουσα επιμήκυνση που μετράται στο μεταλλικό δοκίμιο μετά τη θραύση του. Σχήμα 3.9. Καμπύλες εφελκυσμού όλκιμων μεταλλικών υλικών: (α) Γραφικός προσδιορισμός χαρακτηριστικών μεγεθών και (β) Εξέλιξη της γεωμετρίας του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της δοκιμής.

24 22 Πρέπει, τέλος, να σημειωθεί ότι στις περισσότερες κατασκευές κατά το σχεδιασμό, επιδιώκεται να επιλεγεί υλικό με ιδιότητες πολύ υψηλότερες των μέγιστων απαιτήσεων κατά τη χρήση, εισάγεται δηλαδή ένας παράγοντας που καλείται συντελεστής ασφαλείας (Ν) της κατασκευής. Για παράδειγμα, όταν πρόκειται να σχεδιαστεί ένας ανελκυστήρας και κάθε συρματόσχοινο ανάρτησης του θαλάμου υπολογίζεται ότι θα αναλάβει μέγιστη τάση 100 MPa, επιλέγεται η χρήση υλικού με τάση διαρροής Ν 100 MPa. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα ο συντελεστής ασφαλείας είναι συνήθως Δοκιμή κρούσης (impact testing) Βασική ιδιότητα των μεταλλικών υλικών, ειδικά στην περίπτωση που κατά τη χρήση τους θα αναλάβουν κρουστικά φορτία, είναι και η δυσθραυστότητά (toughness) τους, η ενέργεια δηλαδή που απορροφάται από το υλικό προκειμένου να προκληθεί θραύση επιφάνειας δεδομένου εμβαδού. Αριθμητικά η δυσθραυστότητα μπορεί να υπολογιστεί από το εμβαδόν της καμπύλης εφελκυσμού. Τις περισσότερες φορές, ωστόσο, η δυσθραυστότητα υπολογίζεται πειραματικά με δοκιμή κρούσης. Ο συνήθης έλεγχος γίνεται με διατάξεις Charpy (διατάξεις εκκρεμούς), σε δοκίμια με εγκοπή V ή U, τυποποιημένης γεωμετρίας (σχήμα 3.10). Σε μια τέτοια διάταξη, δοκίμιο του εξεταζόμενου υλικού είναι στερεωμένο σε υποστήριγμα στην κατώτερη θέση της τροχιάς αιωρούμενης σφύρας γνωστής μάζας, η οποία αφήνεται να κινηθεί από γνωστό ύψος. Η γνωστή δυναμική ενέργεια της σφύρας στο ανώτερο σημείο της (h 0 ) μετατρέπεται ολικά σε κινητική στο κατώτερο σημείο της τροχιάς της, όπου και συγκρούεται με το δοκίμιο. Η ενέργεια που απορροφάται από το δοκίμιο προκειμένου αυτό να σπάσει υπολογίζεται από τη διαφορά της αρχικής ενέργειας του εκκρεμούς με τη δυναμική ενέργεια της σφύρας, που μετά τη θραύση, ανυψώνεται ελεύθερα ως ύψος (h), με h< h 0. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η μεταβολή της τιμής δυσθραυστότητας ενός μετάλλου με τη θερμοκρασία. Είναι γνωστό ότι ο μηχανισμός θραύσης ενός μετάλλου εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος η θραύση των μετάλλων από όλκιμη γίνεται ψαθρή, λόγω αδρανοποίησης των συστημάτων ολίσθησης του μετάλλου, τα οποία του επιτρέπουν την πλαστική παραμόρφωση.

25 23 (α) (β) (γ) Σχήμα Δοκιμή κρούσηςcharpy μεταλλικών υλικών: (α) Τυπική πειραματική διάταξη, (β) Δοκίμια κρούσης τυποποιημένης γεωμετρίας και (γ) Τυπική καμπύλη μετάβασης από την όλκιμη στην ψαθυρή συμπεριφορά.

26 24 Ετσι, για κάθε μεταλλικό υλικό, μπορεί να προσδιοριστεί ένα χαρακτηριστικό εύρος θερμοκρασιών, στις οποίες η συμπεριφορά του μεταβάλλεται από όλκιμη σε ψαθυρή και η καμπύλη της δυσθραυστότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας καλείται καμπύλη μετάβασης της δυσθραυστότητας. Το φαινόμενο είναι πολύ έντονο για τα μέταλλα του κυβικού χωροκεντρωμένου συστήματος (π.χ. κοινοί χάλυβες) και λιγότερο έντονο για τα μέταλλα του κυβικού εδροκεντρωμένου συστήματος (π.χ. κράματα αλουμινίου). Προκειμένου λοιπόν να επιλεγεί ένα μεταλλικό υλικό, εκτός από τις άλλες μηχανικές του ιδιότητες, ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην μεταβολή της δυσθραυστότητάς του με τη θερμοκρασία ώστε να ανταποκρίνεται στις θερμοκρασίες λειτουργίας της τελικής κατασκευής. Μεταλλικό υλικό που ανταποκρίνεται άριστα για μια κατασκευή στην Αίγυπτο, μπορεί να κριθεί ακατάλληλο για την ίδια κατασκευή στην Ισλανδία Δοκιμή κάμψης (bending test) Στην περίπτωση συγκολλημένων υλικών, σημαντική ιδιότητα που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν κατά το σχεδιασμό είναι η ολκιμότητα της συγκόλλησης. Η τελευταία ελέγχεται με δοκιμή σε κάμψη τριών σημείων (σχήμα 3.11). Σε μια τέτοια δοκιμή το άνω τμήμα του δοκιμίου βρίσκεται σε κατάσταση θλίψης, ενώ το κάτω σε κατάσταση εφελκυσμού. Η μέγιστη τιμή της τάσης (σ max ) στις εξωτερικές επιφάνειες ενός δοκιμίου ορθογωνικής διατομής (b.h), που υφίσταται κάμψη τριών σημείων με την εφαρμογή κάθετης δύναμης (F) που ασκείται στο ήμισυ της απόστασης στήριξης (L) 2 F. L δίνεται από τη σχέση: max 2. 3 b. h Σχήμα Δοκιμή κάμψης τριών σημείων.

27 25 4. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Η Θραυστομηχανική ή Μηχανική της θραύσης (fracture mechanics) αποτελεί ένα από τα «νεώτερα» πεδία του κλάδου της επιστήμης της Μηχανικής των Υλικών που για πρώτη φορά εισήγαγε την επίδραση της μικροδομής του υλικού στη μηχανική του συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, επέτρεψε την ποσοτικοποίηση των σχέσεων μεταξύ των ιδιοτήτων του υλικού, της παρουσίας δομικών ατελειών στο εσωτερικό του και του μεγέθους της μηχανικής καταπόνησης που υφίσταται με τους μηχανισμούς έναρξης και διάδοσης ρωγμών σ αυτό. Με τον όρο θραύση υποδηλώνεται ο διαχωρισμός ενός αντικειμένου σε δυο ή περισσότερα τεμάχια υπό την επίδραση στατικής ή δυναμικής μηχανικής φόρτισης τα αποτελέσματα της οποίας ενδεχομένως να επιταχύνονται από την παρουσία χημικών παραγόντων και/ ή θερμικών φορτίων. Οι συζυγείς επιφάνειες που δημιουργούνται από τη θραύση, λόγω της διάδοσης ρωγμών καλούνται επιφάνειες θραύσης. Στο σχήμα 4.1. παρουσιάζονται σχηματικά οι συνήθεις απλές μηχανικές φορτίσεις και τα αποτελέσματα που προκαλούν σε υλικό στοιχειώδους όγκου. (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 4.1. Συνήθεις απλές μηχανικές φορτίσεις υλικών στοιχειώδους όγκου: (α) Εφελκυσμός,συνεπαγόμενος την επιμήκυνση του υλικού, (β) Θλίψη, συνεπαγόμενη την αύξηση της διατομής του κεντρικού τμήματος του υλικού, (γ) Διάτμηση και (δ) Στρέψη.

28 26 Στην απλούστερη περίπτωση μονοαξονικής μηχανικής καταπόνησης με εφαρμογή εφελκυστικής φόρτισης στο υλικό, η θραύση επέρχεται: Αφού προηγηθεί εμφανής πλαστική παραμόρφωση (επιμήκυνση) του υλικού και τότε χαρακτηρίζεται ως όλκιμη θραύση. Η επιφάνεια θραύσης που προκύπτει έχει χαρακτηριστική κυψελοειδή ή ινώδη μορφολογία που αποτυπώνει τον τρόπο με τον οποίο επέρχεται ο τελικός αποχωρισμός (θραύση) με συνένωση μικροκενών και πλαστική παραμόρφωση σε μικροκλίμακα Χωρίς να προηγηθεί εμφανής πλαστική παραμόρφωση του υλικού και τότε χαρακτηρίζεται ως ψαθυρή θραύση. Η προκύπτουσα επιφάνεια θραύσης αποτυπώνει την περικρυσταλλική (κατά μήκος των ορίων των κόκκων) ή ενδοκρυσταλλική (διαμέσου των κόκκων) διαδρομή της ρωγμής που οδήγησε στον τελικό αποχωρισμό των συζυγών τεμαχίων του υλικού. Στο σχήμα 4.2 παρουσιάζονται τυπικά δοκίμια εφελκυσμού μετά τη θραύση τους με όλκιμο και ψαθυρό τρόπο, καθώς και οι αντίστοιχες επιφάνειες θραύσης. ΟΛΚΙΜΗ ΘΡΑΥΣΗ ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Επιφάνεια θραύσης Δοκίμιο εφελκυσμού Σχήμα 4.2. Τυπικά δοκίμια και επιφάνειες θραύσης μετά από όλκιμη και ψαθυρή θραύση τους με εφαρμογή εφελκυστικών φορτίων.

29 ΘΡΑΥΣΗ ΙΔΑΝΙΚΟΥ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ Σε χαμηλή θερμοκρασία, η θραύση ιδανικού κρυσταλλικού υλικού, δηλαδή υλικού χωρίς δομικές ατέλειες, επέρχεται με ταυτόχρονη ρήξη των ατομικών δεσμών που διευθετούνται κάθετα στο σε επίπεδο θραύσης (σχήμα 4.3). Σχήμα 4.3. Ατομικό μοντέλο θραύσης ιδανικού στερεού υπό την επίδραση εφελκυστικής τάσης: (α) Δομή ισορροπίας, (β) Απομάκρυνση ατόμων υπό την επίδραση της τάσης και (γ) Θραύση του στερεού μετά από μη αναστρέψιμη απομάκρυνση των ατόμων. Το ατομικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της θεωρητικής τάσης θραύσης (σ th ) προϋποθέτει τη δυνατότητα ελαστικής έκτασης των ατομικών δεσμών υπό την επίδραση εξωτερικής εφελκυστικής τάσης πριν τη θραύση του. Για μια κρίσιμη τιμή της απόστασης μεταξύ των ατόμων (απομάκρυνση), η οποία επιτυγχάνεται όταν η εφαρμοζόμενη τάση εξισωθεί με τη θεωρητική τάση θραύσης του στερεού, επέρχεται ρήξη των ατομικών δεσμών κατά το επίπεδο θραύσης και το στερεό διαχωρίζεται. Μετά τη θραύση τα συζυγή μέρη ανακτούν την ελαστική παραμόρφωση που προηγήθηκε του διαχωρισμού τους. Εχει υπολογιστεί ότι η τιμή της θεωρητικής αντοχής ιδανικού στερεού προσεγγίζει το 10% του μέτρου ελαστικότητας του υλικού: th E 10. Ωστόσο, οι τιμές αντοχής σε εφελκυσμό ενός πραγματικού στερεού είναι κατά πολύ μικρότερες της θεωρητικής τιμής αφενός διότι οι δομικές ατέλειες και οι προϋπάρχουσες μικρορωγμές των πραγματικών στερεών καταλύουν τους μηχανισμούς δημιουργίας και διάδοσης «επικίνδυνων» ρωγμών, αφετέρου δε διότι στην προσέγγιση αυτή δεν λαμβάνεται υπόψιν ο βαθμός πιθανής πλαστικής παραμόρφωσης του υλικού πριν τη θραύση του.

30 ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Οπως αναφέρθηκε ήδη κατά την ψαθυρή θραύση δεν επέρχεται μακροσκοπική πλαστική παραμόρφωση του υλικού, δεν παρατηρείται δηλαδή εμφανής επιμήκυνσή του με ταυτόχρονη μείωση της διατομής στην περιοχή της θραύσης. Ωστόσο, σε μικροσκοπική κλίμακα μπορεί να παρατηρηθεί μερική τοπική πλαστική παραμόρφωση και ανάλογα με το ποσοστό της διακρίνουμε τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης: Ψαθυρή θραύση τύπου Ι. Η θραύση ξεκινά από προϋπάρχουσες ρωγμές ή ατέλειες, με διαστάσεις μεγαλύτερες του μεγέθους κόκκων του υλικού. Η τοπική πλαστική παραμόρφωση είναι μηδενική και πρόκειται για το χαρακτηριστικό τύπο θραύσης γυαλιών και κεραμικών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ψαθυρή θραύση τύπου ΙΙ. Η θραύση επέρχεται μετά από πλαστική παραμόρφωση μικρής κλίμακας σε μικροσκοπικά επίπεδο και παρατηρείται σε υλικά χωρίς προϋπάρχουσες μικρορωγμές ή με ρωγμές το μήκος των οποίων είναι μικρότερο από μια κρίσιμη τιμή. Εκτός από τη διάδοση της ρωγμής ενεργοποιείται ταυτόχρονη ολίσθηση σε επίπεδα κάθετα στη διεύθυνση επιβολής της τάσης. Ψαθυρή θραύση τύπου ΙΙΙ. Πρόκειται για οριακό τύπο ψαθυρής θραύσης αφού συνοδεύεται και από πλαστική παραμόρφωση, η οποία ωστόσο προκαλεί ελάττωση της διατομής του υλικού σε ποσοστό χαμηλότερο του 10%. Και στους τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης, αυτή επέρχεται είτε περικρυσταλλικά με διάδοση της κύριας ρωγμής κατά μήκος των ορίων των κόκκων, είτε ενδοκρυσταλλικά με διάδοση της κύριας ρωγμής διαμέσου των κόκκων του υλικού (σχήμα 4.4). Σχήμα 4.4. Ψαθυρή θραύση τύπου Ι, λόγω επιβολής εφελκυστικής τάσης: (α) Περικρυσταλλική και (β) Ενδοκρυσταλλική διάδοση κύριας ρωγμής.

31 ΘΕΩΡΙΑ GRIFFITH ΓΙΑ ΤΗΝ ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Προκειμένου να ερμηνευθούν και να ποσοτικοποιηθούν τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την ψαθυρή θραύση, αναπτύχθηκαν διάφορες θεωρίες, από τις οποίες η ερεύτερα χρησιμοποιούμενη είναι η θερμοδυναμική θεωρία ή θεωρία Griffith ή θεωρία του έργου θραύσης. Σχήμα 4.5. Θερμοδυναμική θεώρηση διάδοσης της ρωγμής. Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική θεωρία, η θραύση ενός στερεού (σχήμα 4.5), με την επιβολή τάσης (σ), οδηγεί σε μείωση της ολικής ελεύθερης ενέργειάς του. Οι συνιστώσες της ελεύθερης ενέργειας είναι δύο: Η επιφανειακή ενέργεια U s για προϋπάρχουσα ρωγμή μήκους (α) ισούται με U s =4αγ, όπου γ η ειδική επιφανειακή ενέργεια του υλικού. Η διάδοση της προϋπάρχουσας αυτής ρωγμής κατά στοιχειώδες μήκος dα οδηγεί σε σχηματισμό νέας στοιχειώδους επιφάνειας με παράλληλη αύξηση της συνολικής ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. Η ελαστική ενέργεια U el, που απορροφάται από το υλικό γύρω από τη ρωγμή και αποδεικνύεται ότι ισούται με υλικού. 2. a E U el 2, όπου Ε το μέτρο ελαστικότητας του Η διαφορά της ελεύθερης ενέργειας κατά τη διάδοση της ρωγμής (U tot ) ισούται με: U tot 2 2. U s U el 4 (4.1) E Για το κρίσιμο μήκος ρωγμής (α c ) πέραν του οποίου η ρωγμή διαδίδεται αυθόρμητα οδηγώντας στην τελική θραύση του υλικού, έχουμε μεγιστοποίηση της τιμής της

32 30 ελεύθερης ενέργειας του συστήματος (du tot /dα=0) και τότε η τάση ισούται με την τάση θραύσης του υλικού (σ F ). Από την 4.1 παίρνουμε: 2 2 d4 E d c 0 F 2E ac (4.2) Η σχέση 4.2 καλείται εξίσωση Griffith και απ αυτήν προκύπτουν δυο μεγέθη χαρακτηριστικά της αντοχής σε θραύση του υλικού: Η δυσθραυστότητα (G c ), η ενέργεια δηλαδή που απορροφάται από το υλικό προκειμένου να επέλθει θραύση και ισούται με G c =2γ. Ο κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσης (Κ c ) και ισούται με Κ c =Y.σ F (πα c ) 1/2, όπου Υ ο αδιάστατος συντελεστής γεωμετρίας του υλικού. Στην περίπτωση ψαθυρής θραύσης τύπου ΙΙ ενός υλικού χωρίς προϋπάρχουσες ρωγμές και με μέγεθος κόκκων (d),όπου παρατηρείται επίσης τοπική πλαστική παραμόρφωση, η εξίσωση Griffith τροποποιείται ως εξής: F 2( pl ) E (4.3) d όπου γ pl η επιφανειακή ενέργεια λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Για τους τρείς τύπους ψαθυρής θραύσης, οι τιμές της δυσθραυστότητας και του κρίσιμου συντελεστή έντασης τάσης δίνονται αντιστοίχως από τις σχέσεις 4.4 και 4.5, ενώ χαρακτηριστικά διαγράμματα εφελκυσμού παρουσιάζονται συγκριτικά στο σχήμα 4.6. G IIIc > G IIc > G Ic (4.4) και K IIIc > K IIc > K Ic (4.5) ε Σχήμα 4.6. Διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης για τους τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης.

33 ΟΛΚΙΜΗ ΘΡΑΥΣΗ Στην όλκιμη θραύση προηγείται σημαντική πλαστική παραμόρφωση του υλικού κοντά στην επιφάνεια θραύσης. Κατά τη διάρκεια δοκιμής εφελκυσμού, η παραμόρφωση αυτή, που λαμβάνει χώρα στην πλειοψηφία των μεταλλικών υλικών, εκδηλώνεται με τη δημιουργία «λαιμού», ενώ η ρωγμάτωση και η τελική θραύση επέρχεται με συνένωση μικροκενών (σχήμα 4.7). Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζεται κάθετη τομή δοκιμίου εφελκυσμού μεταλλικού υλικού, ο οποίος έχει διακοπεί στο στάδιο της συνένωσης μικροκενών και είναι δυνατή η οπτικοποίηση της κύριας ρωγμής που διαδίδεται κάθετα στη διεύθυνση επιβολής της τάσης. Σχήμα 4.7. Στάδια όλκιμης θραύσης: (α) Δημιουργία μικροκενών, (β) Συνένωση μικροκενών, (γ) Τελική θραύση με διάτμηση άκρων και (δ) Τελική θραύση με διάρρηξη άκρων. Σχήμα 4.8. Δοκίμιο εφελκυσμού, όπου διακρίνεται εσωτερική ρωγμή που προήλθε από συνένωση μικροκενών.

34 32 5. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΕΙΣ Παρότι η απλή στατική εφελκυστική φόρτιση αποτελεί ένα σημαντικό παράδειγμα για την κατανόηση των θεμελιωδών μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα κατά τη μηχανική καταπόνηση των υλικών, σε καθημερινές εφαρμογές τα προβλήματα που συναντώνται λόγω άσκησης μηχανικών φορτίων σε υλικά είναι σημαντικά πιο πολύπλοκα. Ιδιαίτερα μάλιστα όταν εκτός των μηχανικών φορτίων θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν η συνέργεια διαβρωτικών μέσων σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου τμήματα της κατασκευής βρίσκονται σε επαφή και σε σχετική κίνηση με άλλες επιφάνειες. Λόγω της πολυπλοκότητας αυτής, στη συνέχεια θα εξεταστεί η απόκριση και οι βασικοί μηχανισμοί αστοχίας μεταλλικών υλικών σε τέσσερεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις, στις οποίες: Η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης μεταβάλλεται χρονικά και αλλάζει πρόσημο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της κατασκευής, η οποία βρίσκεται υπό καθεστώς κόπωσης (fatigue). Η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης παραμένη σταθερή με το χρόνο αλλά η καταπόνηση της κατασκευής γίνεται σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία και στο υλικό ενεργοποιούνται μηχανισμοί ερπυσμού (creep). Η κατασκευή λειτουργεί σε περιβάλλον σχετικά υψηλής συγκέντρωσης σε χημικούς παράγοντες οι οποίοι συνεργούν στη διάβρωση (corrosion) του υλικού. Τα κινούμενα μέρη της κατασκευής βρίσκονται σε επαφή και οι συζυγείς επιφάνειες υφίστανται φθορά λόγω τριβής (wear) Κόπωση - Περιοδικά μεταβαλλόμενη μηχανική φόρτιση Οταν ένα μεταλλικό υλικό υποβάλλεται σε περιοδικά εναλλασσόμενες τάσεις ή παραμορφώσεις, η θραύση του επέρχεται σε τιμές τάσης πολύ χαμηλότερες της αντοχής του σε εφελκυσμό (σ TS ) ή ακόμη και του ορίου διαρροής (σ y ), χωρίς να παρουσιάσει εμφανείς ενδείξεις, χωρίς δηλαδή να μας «προειδοποιήσει» για την επερχόμενη αστοχία. Για το λόγο αυτό, η κόπωση του υλικού είναι η πιο επικίνδυνη αιτία αστοχίας καθώς επίσης και η πιο διαδεδομένη, αφού σχεδόν όλα τα μηχανολογικά εξαρτήματα λειτουργούν υπό καθεστώς μεταβαλλόμενης φόρτισης (μεταβολή των παραμέτρων ή/ και προσωρινή διακοπή της λειτουργίας, κλπ).

35 33 Τα χαρακτηριστικά μεγέθη που προσδιορίζουν το είδος μιας περιοδικά εναλλασσόμενης φόρτισης, εκτός από τις τιμές μέγιστης (σ max ) και ελάχιστης (σ min ) τάσης φόρτισης, και τη συχνότητα εναλλαγής (f) είναι: Η μέση τιμή της τάσης: max min m 2 (5.1) Το εύρος των τάσεων: r max min (5.2) Το πλάτος της τάσης: max min a 2 (5.3) Ο λόγος των τάσεων: R min (5.4) max Κατά σύμβαση, οι εφελκυστικές τάσεις έχουν θετικό πρόσημο και οι θλιπτικές αρνητικό. Στο σχήμα 5.1. παρουσιάζονται τρεις τύποι χρονικά μεταβαλλόμενης φόρτισης που ενδέχεται να οδηγήσουν σε αστοχία λόγω κόπωσης. Εναλλασσόμενη κυκλική φόρτιση Ασύμμετρη επαναλαμβανόμενη φόρτιση Τυχαία μεταβαλλόμενη φόρτιση Σχήμα 5.1. Χαρακτηριστικές καμπύλες χρονικής μεταβολής της επιβαλλόμενης τάσης σε καταπονήσεις κόπωσης.

36 34 Η συμπεριφορά ενός υλικού σε κόπωση εκφράζεται από την καμπύλη S-N ή καμπύλη Wöhler. Πρόκειται για καμπύλη που απεικονίζει τη διάρκεια ζωής του υλικού (σε αριθμό κύκλων φόρτισης, Ν f ) για δεδομένο πλάτος επιβαλλόμενης τάσης και έχει συνήθως τη μορφή του παραδείγματος του σχήματος 5.2. Σχήμα 5.2. Καμπύλη Wöhler για χάλυβα 4140 μετά από εξομάλυνση. Σε μια τέτοια καμπύλη διακρίνονται τρεις ζώνες: Ζώνη ολιγοκυκλικής κόπωσης. Πρόκειται για την περιοχή του διαγράμματος «υψηλών τιμών πλάτους τάσης» (~70% της σ TS ), η εναλλασσόμενη επιβολή των οποίων περιορίζει τη διάρκεια ζωής του υλικού στους 100 κύκλους. Ζώνη κόπωσης περιορισμένης αντοχής. Πρόκειται για την περιοχή «ενδιάμεσων τιμών πλάτους τάσης», η εναλλασσόμενη επιβολή των οποίων επιφέρει θραύση του υλικού για τιμές αριθμού κύκλων: 10 2 < Ν f < Στη ζώνη αυτή η διάρκεια ζωής του υλικού επιμηκύνεται με την ελάττωση του πλάτους της επιβαλλόμενης τάσης. Ζώνη ασφαλείας. Πρόκειται για την περιοχή «σχετικά χαμηλών τιμών πλάτους τάσης», η εναλλασσόμενη επιβολή των οποίων αποκλείεται να επιφέρει θραύση του υλικού για απεριόριστο αριθμό κύκλων φόρτισης (Ν f > 10 6 ). Στην περίπτωση των χαλύβων και των κραμάτων τιτανίου που η ζώνη ασφαλείας διακρίνεται καθαρά στην καμπύλη S-N, ορίζεται ως όριο κόπωσης η μέγιστη τιμή πλάτους εναλλασσόμενης τάσης που δε θα οδηγήσει σε αστοχία μετά από άπειρο αριθμό κύκλων φόρτισης (σχήμα 5.3α). Στους χάλυβες το όριο κόπωσης είναι ~35-60% της σ TS.