ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Ερπυσμού. ΕργαστηριακήΆσκηση 4 η

Transcript

1 ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Ερπυσμού ΕργαστηριακήΆσκηση 4 η

2 Σκοπός Σκοπός του πειράµατος είναι ο πειραµατικός προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού, υπό σταθερό εξωτερικό φορτίο και ελεγχοµένη θερµοκρασία εκτέλεσης του πειράµατος. η κατανόηση του ερπυσµού σε µεταλλικά υλικά, της παραµόρφωσης λόγω ερπυσµού, και η υπόδειξη των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά ερπυσµούσταµέταλλα. η ανάλυση δεδοµένων ερπυσµού και η χρήση τους για την κατάλληλη επιλογή υλικών που να αντέχουν σε αστοχίες λόγω ερπυσµού.

3 Ερπυσμός- Ορισμοί Ερπυσµός ονοµάζεται το φαινόµενο κατά το οποίο παρατηρείται συνεχής αύξηση της παραµόρφωσης ενός φορέα συναρτήσει του χρόνου, υπό την επίδραση σταθερής τάσης και υπό σταθερή θερµοκρασία. Ταχύτητα ερπυσµού ονοµάζεται ο χρονικός ρυθµός µεταβολής της παραµόρφωσης κατά τη διάρκεια εξέλιξης του φαινοµένου. Σε περιοχές όπου η παραµόρφωση παραµένει σταθερή, λόγω στηρίξεων, τότε µειώνεταιητάση. Τοφαινόµενοαυτόονοµάζεταιχαλάρωση. Η διατήρηση σταθερής τιµής τάσης για µεγάλο χρονικό διάστηµα µπορεί να προκαλέσει βαθµιαία διαρροή και µεταβολή των διαστάσεων ενός φορέα.

4 Ερπυσμός- Ορισμοί Ερπυσµός ονοµάζεται το φαινόµενο κατά το οποίο παρατηρείται συνεχής αύξηση της παραµόρφωσης ενός φορέα συναρτήσει του χρόνου, υπό την επίδραση σταθερής τάσης και υπό σταθερή θερµοκρασία. Ταχύτητα ερπυσµού ονοµάζεται ο χρονικός ρυθµός µεταβολής της παραµόρφωσης κατά τη διάρκεια εξέλιξης του φαινοµένου. Σε περιοχές όπου η παραµόρφωση παραµένει σταθερή, λόγω στηρίξεων, τότε µειώνεταιητάση. Τοφαινόµενοαυτόονοµάζεταιχαλάρωση. Η διατήρηση σταθερής τιµής τάσης για µεγάλο χρονικό διάστηµα µπορεί να προκαλέσει βαθµιαία διαρροή και µεταβολή των διαστάσεων ενός φορέα.

5 Ερπυσμός- Ορισμοί Γενικά, ο ερπυσµός είναι ιδιαίτερα σηµαντικός σε θερµοκρασίες γύρω στους 0.4Tm, όπου Tmείναιηαπόλυτηθερµοκρασίατήξης (σεβαθµούςκ). Υλικά τα οποία έχουν χαµηλή θερµοκρασία τήξης, µπορούν να παρουσιάσουν ερπυσµό σε θερµοκρασίες δωµατίου. Π.χ. οµόλυβδοςέχειθερµοκρασίατήξηςστους 326 C (599K) καιστους 20 C (293K, που αντιστοιχεί σε 0.5Tm) παρουσιάζει παρόµοια συµπεριφορά ερπυσµού όπως ο σίδηρος στους 650 C.

6 Καμπύλη ερπυσμού Η καµπύλη ερπυσµού είναι µια καµπύλη παραµόρφωσης χρόνου Τρία στάδια στην καµπύλη: 1. Πρωτογενής ερπυσµός: Η ταχύτητα ερπυσµού µειώνεται µε το χρόνο. 2. ευτερογενής ερπυσµός: H ταχύτητα ερπυσµού παραµένει σταθερή µε το χρόνο. 3. Τριτογενής ερπυσµός: Επιτάχυνση της παραµόρφωσης, µέχρι να σηµειωθεί αστοχίατουυλικού (θραύση).

7 Καμπύλη ερπυσμού Πρωτογενής ερπυσµός: Ηταχύτηταερπυσµού µειώνεταιµετοχρόνο. το φαινόµενο που επικρατεί είναι η διάχυση των ατόµων που βρίσκονται στα όριατωνκόκκωνκαιηκίνησητωνδιαταραχών. Η αλληλεπίδραση των διαταραχών και η συνεπαγόµενη δυσχέρεια στην κίνησή τους οδηγεί σε σκλήρυνση του υλικού.

8 Καμπύλη ερπυσμού ευτερογενής ερπυσµός : H ταχύτηταερπυσµούπαραµένεισταθερήµετοχρόνο. όταν η θερµοκρασία κυµαίνεται στην περιοχή , σηµειώνεται ολίσθηση (υπό την επενέργεια διάτµησης) ή/και αναρρίχηση των διαταραχών (σε νέα επίπεδα ολίσθησης όταν συναντώνται τοπικά εµπόδια), αντισταθµίζεται το φαινόµενο της σκλήρυνσης και το υλικό εµφανίζει παραµορφώσεις σταθερά αυξανόµενεςµετοχρόνο. Το φαινόµενο χαρακτηρίζεται συνολικά ως διάχυση ερπυσµού και επιφέρει πλαστική (µόνιµη) παραµόρφωση.

9 Καμπύλη ερπυσμού Τριτογενήςερπυσµός: Επιτάχυνση της παραµόρφωσης, µέχρι να σηµειωθεί αστοχία του υλικού(θραύση). Κατά τον τριτογενή ερπυσµό παρατηρείται χωρική διάχυση των πλεγµατικών ατόµων µέσα στους κόκκους. Ο βαθµός στον οποίο διακρίνονται τα τρία αυτά τµήµατα εξαρτάται από την τάση που αναπτύσσεται, το υλικό του δοκιµίου και τη θερµοκρασία στην οποία διεξάγεται η δοκιµή.

10 Αντοχη στον ερπυσμό Ο ερπυσµός είναι µια συνάρτηση: της τάσης, του χρόνου και της θερµοκρασίας Ο ερπυσµός µπορεί να δηµιουργηθεί σε υψηλά επίπεδα τάσεων ή σε µεγάλο χρονικόδιάστηµαακόµακαισεχαµηλέςθερµοκρασίες. Αντοχήστονερπυσµόορίζεταιηµέγιστητάσηόπουτουλικόόπουτουλικό δεν παρουσιάζει για συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα υψηλή Αντοχή κατάρευσης σε ερπυσµό ορίζεται η µέγιστη τάση στην οποία µπορεί ένα υλικό να ανταποκριθεί ένα υλικό χωρίς να αστοχήσει.

11 Καμπύλη ταχύτητας ερπυσμού Αν σχεδιαστεί η καµπύλη ταχύτητας παραµόρφωσης χρόνου εµφανίζονται και πάλι τρία στάδια που αντιστοιχούν στους τρεις τύπους ερπυσµού. Κατά το πρώτο στάδιο, µε την αύξηση της θερµοκρασίας, ένα υλικό υφίσταται µείωση του ερπυσµού στο δεύτερο στάδιο παρατηρείται ερπυσµός µε σταθερό ρυθµό ενώ στο τρίτο αυξάνεται και πάλι εκθετικά το φαινόµενο του ερπυσµού.

12 Χρονικοί νόμοι του ερπυσμού Λόγω του µεγάλου χρόνου που απαιτείται για τα πειράµατα του ερπυσµού υπάρχει πάντα η ανάγκη διατύπωσης µαθηµατικών σχέσεων που να περιγράφουνικανοποιητικάταδιάφοραστάδιατηςκαµπύληςερπυσµού. Οι γνωστοί χρονικοί νόµοι του ερπυσµού ισχύουν, ο καθένας χωριστά, για µια συγκεκριµένη περιοχή θερµοκρασιών και µπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: (α) τουςλογαριθµικούς, (ε=ε 0 +a log(l+k t)+ ε t) (β) τους παραβολικούς και (ε= ε 0 + b t n + ε t) (γ) τους εκθετικούς (ε= ε 0 + c (l e mt )+ ε t) όπου τα a, b, c, k, l, n, m είναι σταθερές που εξαρτώνται από το υλικό, τις συνθήκες φόρτισης και τη θερµοκρασία και είναι η ταχύτητα παραµόρφωσης τηχρονικήστιγµή. Η ταχύτητα ερπυσµού εξαρτάται από την επιβαλλόµενη τάση και τη θερµοκρασία. Οι σχέσεις που έχουν προταθεί για την ταχύτητα ερπυσµού είναι η σχέση Norton-Bailey ( ε= A σ n ) που εφαρµόζεται στην περιοχή των µέσων τάσεων και η Sherby-Burke ( ε= A' exp(a σ)) γιατηνπεριοχήτωνυψηλώντάσεων. Η σχέση Garofalo καλύπτει ταυτόχρονα και τις δυο περιοχές τάσεων. ( ε= A'' sinh(β σ) n )

13 Πειραματική διάταξη Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε αποτελείται από 1. ένα απλό σύστηµα µοχλών και βαρών, µέσω του οποίου επιτυγχάνεται η επιβολή σταθερού φορτίου στο δοκίµιο και 2. έναβελόµετρο. Η πειραµατική διάταξη θα µπορούσε να περιλαµβάνει ένα φούρνο ο οποίος να κρατά σταθερή τη θερµοκρασία του δοκιµίου για όσο χρόνο διαρκεί το πείραµα (τουλάχιστον 1000 h). Στη µορφή των δοκιµίων δεν υπάρχουν αυστηρές προδιαγραφές. Μπορούν να χρησιµοποιηθούν τα τυπικά δοκίµια που χρησιµοποιούνται στη δοκιµή εφελκυσµού.

14 Πειραματική διαδικασία 1. Το δοκίµιο τοποθετείται σε αρπάγες και του εφαρµόζεται σταθερό εφελκυστικό φορτίο, που αντιστοιχεί σε τάση ερπυσµού, µέσω του συστήµατοςµοχλών. 2. Τότε αρχίζει η καταγραφή µετρήσεων µετατόπισης χρόνου σε χρονικά διαστήµαταπουκαθορίζονταιαπότηνταχύτηταεξέλιξηςτουφαινοµένου. 3. Στο αρχικό στάδιο του µεταβατικού ερπυσµού που η καµπύλη παρουσιάζει σηµαντικές µεταβολές λαµβάνονται µετρήσεις σε µικρά χρονικά διαστήµατα ταοποίασταδιακάαραιώνουν. 4. Σε ένα πραγµατικό πείραµα ερπυσµού και όταν η καµπύλη περάσει στο στάδιο του δευτερεύοντος ερπυσµού, οι µετρήσεις µπορούν να απέχουν χρόνο περισσότερο της µιας ηµέρας.

15 Μετρήσεις

16 Αποτελέσματα 1. ιάγραµµα παραµόρφωσης χρόνου 2. ιάγραµµα ταχύτητας παραµόρφωσης χρόνου