ΟΚΙΜΗ ΕΡΠΥΣΜΟΥ Ερπυσµός ονοµάζεται το φαινόµενο της συνεχούς παραµόρφωσης ενός υλικού υπό την επίδραση σταθερής τάσης µε την πάροδο του χρόνου (Σχήµατα 1 και 2). Σχήµα 1: Καµπύλη επιβαλλόµενης τάσης συναρτήσει του χρόνου Σχήµα 2: Εξιδανικευµένη καµπύλη αυξανόµενης παραµόρφωσης λόγω ερπυσµού συναρτήσει του χρόνου Ο ερπυσµός (creep) εκδηλώνεται όταν το υλικό λειτουργεί υπό τάση σε υψηλές θερµοκρασίες. Χαρακτηρίζεται από αργή και συνεχώς αυξανόµενη παραµόρφωση του υλικού υπό την επίδραση σταθερής τάσης, υπό σταθερή θερµοκρασία. Σηµειώνεται ότι οι τιµές της επιβαλλόµενης τάσης µπορεί στη θερµοκρασία περιβάλλοντος να µην προκαλούν πλαστική (µόνιµη) παραµόρφωση στο υλικό (δηλ. είναι µικρότερες από το όριο διαρροής σ y του υλικού). Η θερµοκρασία εµφάνισης ερπυσµού στα µεταλλικά υλικά είναι της τάξης του Τ m /3, όπου T m είναι το σηµείο τήξης του υλικού. H καµπύλη ερπυσµού είναι καµπύλη παραµόρφωσης χρόνου. Η τυπική της µορφή (Σχήµα 3) παρουσιάζει τρία στάδια µεταβολής που αντιστοιχούν κατά σειρά εµφάνισης στον πρωτογενή, δευτερογενή και τριτογενή ερπυσµό. 1/6
Πρωτογενής ερπυσµός: Η ταχύτητα ερπυσµού µειώνεται µε το χρόνο ευτερογενής ερπυσµός: Σταθερή µε το χρόνο ταχύτητα ερπυσµού Τριτογενής ερπυσµός: Επιτάχυνση της παραµόρφωσης, µέχρι να σηµειωθεί αστοχία του υλικού (θραύση). Σχήµα 3: Στάδια ερπυσµού Σκοπός οκιµής Σκοπός της δοκιµής ερπυσµού είναι ο πειραµατικός προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού ε = ε(t), υπό σταθερό εξωτερικό φορτίο και ελεγχοµένη θερµοκρασία εκτελέσεως του πειράµατος. Κατάλληλη επεξεργασία των στοιχείων που προκύπτουν από την καµπύλη ερπυσµού για διάφορες θερµοκρασίες επιτρέπει την εξαγωγή συµπερασµάτων για την αναµενόµενη συµπεριφορά κατασκευαστικών στοιχείων από το υλικό που δοκιµάστηκε. Κανονισµοί-Πειραµατική ιάταξη- οκίµια Οι βασικοί κανονισµοί που περιγράφουν τη δοκιµή ερπυσµού είναι οι DΙΝ 50117, 50118, 50119 και οι ΑSΤΜ Ε-139, Ε-150. Οι µηχανές και συσκευές που απαιτούνται είναι (Σχήµα 4): 1) Ένα απλό σύστηµα µοχλών και βαρών µέσω του οποίου επιτυγχάνεται η επιβολή σταθερού εφελκυστικού φορτίου στο δοκίµιο µε απλό και αξιόπιστο τρόπο. 2) Ένα µηκυνσιόµετρο σχετικά µεγάλης ευαισθησίας. Συνήθως χρησιµοποιούνται οπτικά µηκυνσιόµετρα τύπου Martens ή Tuckerman. 3) Ένας φούρνος που έχει τη δυνατότητα να διατηρεί σταθερή θερµοκρασία για µεγάλο χρονικό 2/6
διάστηµα (τουλάχιστον 1000 ώρες). Η ανάγκη σταθερότητας της θερµοκρασίας είναι πολύ σηµαντική. Κατά τον κανονισµό Ε-139, για θερµοκρασίες δοκιµής µέχρι 1000 c η διακύµανση της θερµοκρασίας πρέπει να είναι µικρότερη των ± 2 c. εν υπάρχουν αυστηρές προδιαγραφές για τη µορφή των δοκιµίων. Τυπικά δοκίµια µε κεφαλές που χρησιµοποιούνται στη δοκιµή εφελκυσµού είναι κατάλληλα και για τη δοκιµή ερπυσµού. Σχήµα 4: Πειραµατική διάταξη δοκιµής ερπυσµού Εκτέλεση της δοκιµής και αποτελέσµατα: Συγχρόνως µε την στατική επιβολή του προεπιλεγµένου φορτίου, που αντιστοιχεί σε τάση ερπυσµού, σ 0 =σταθ., αρχίζει η µέτρηση του χρόνου. Στο αρχικό στάδιο του πρωτογενούς ερπυσµού, όπου η καµπύλη ε = ε(t) παρουσιάζει σηµαντικές µεταβολές, λαµβάνονται µετρήσεις ανά µικρά χρονικά διαστήµατα. Όταν η καµπύλη περάσει στο στάδιο του δευτερεύοντος ερπυσµού,οι µετρήσεις µπορεί να απέχουν χρόνο περισσότερο από µιας ηµέρας. Το συνολικό πείραµα διαρκεί 1000 ώρες, δηλαδή περίπου 42 ηµέρες. Τα ζεύγη τιµών (ε(t), t) τοποθετούνται σε διάγραµµα και προκύπτει η καµπύλη του σχήµατος 5, στο οποίο πρέπει να αναφέρεται τόσο η θερµοκρασία δοκιµής όσο και η σταθερή τιµή τάσης σ 0. 3/6
Σχήµα 5: Πειραµατική και απλοποιηµένη καµπύλη ερπυσµού Στην περιοχή δευτερεύοντος ερπυσµού η καµπύλη ε(t) είναι σχεδόν ευθεία. Επειδή η διάρκεια του πρωτογενούς ερπυσµού είναι πολύ µικρό ποσοστό της διάρκειας του πειράµατος, η πραγµατική καµπύλη ε(t) µπορεί να απλοποιηθεί σε δύο ευθύγραµµα τµήµατα από τα οποία το ένα κατά το δυνατόν συµπίπτει µε την περιοχή δευτερεύοντος ερπυσµού και τέµνει τον άξονα των παραµορφώσεων στο σηµείο ε ο ενώ το άλλο είναι κατακόρυφο µεταξύ των σηµείων 0 και ε 0, όπως φαίνεται στο σχήµα 5. Για διάφορες τιµές της τάσεως σ 0 και της θερµοκρασίας Τ, µπορούν λοιπόν να χαραχθούν δύο οικογένειες ευθυγράµµων τµηµάτων (σχήµα 5) από τα οποία γίνεται δυνατός ο προσδιορισµός της τιµής της παραµορφώσεως που θα έχει το δοκίµιο για δεδοµένο ζεύγος (σ 0, Τ). Όµως είναι περισσότερο πρακτικό να χρησιµοποιούνται διαγράµµατα που συνδέουν τάσεις και παραµορφώσεις αντί για παραµορφώσεις µε χρόνους. Από πλήθος πειραµάτων έχει αποδειχθεί ότι η ζητούµενη σχέσηείναι της µορφής: (1) (2) όπου η και α είναι σταθερές του υλικού που εξαρτώνται από τη θερµοκρασία. Ο εκθέτης ερπυσµού n λαµβάνει τις ακόλουθες τιµές στα διάφορα στάδια καταπόνησης: Πρωτογενής ερπυσµός: n = 1 ευτερογενής ερπυσµός: 3 < n < 8 Τριτογενής ερπυσµός: n > 8 Η (2) σχέση σε διπλή λογαριθµική κλίµακα είναι γραµµική. Εποµένως, στην κλίµακα αυτή προκύπτει 4/6
µια οικογένεια ευθυγράµµων τµηµάτων µε παράµετρο τη θερµοκρασία (σχήµα 6). Από το σχήµα 5 είναι προφανής ο τρόπος προσδιορισµού των σταθερών α και η της εξισώσεως (2) και εποµένως και της σταθεράς Α της εξισώσεως (1). Σχήµα 6: Πειραµατικές καµπύλες ρυθµού παραµόρφωσης λόγω ερπυσµού σε λογαριθµική κλίµακα µε παράµετρο τη θερµοκρασία Από το σχήµα 6 είναι δυνατός ο υπολογισµός της µεγίστης παραµορφώσεως που αναµένεται να έχει ένα κατασκευαστικό στοιχείο µετά από χρόνο t όταν είναι γνωστή η τάση ερπυσµού και η θερµοκρασία λειτουργίας του. Έτσι, για τάση ερπυσµού 0.7 kρ/mm 2 και θερµοκρασία λειτουργίας Τ=650 c προκύπτει dε/dt = 0.2% ανά 1000 ώρες. Εποµένως, σε π.χ. 10000 ώρες λειτουργίας το υλικό θα έχει παραµόρφωση 0.2%/1000 x10000= 2%. Βεβαίως, οι υπολογισµοί αυτοί υποθέτουν ότι η ταχύτητα παραµορφώσεων µένει σταθερή συναρτήσει του χρόνου, ότι δηλαδή τα ευθύγραµµα τµήµατα του σχήµατος 6 είναι τα ίδια για όλους τους χρόνους. Αυτά όµως µένουν ευθύγραµµα µόνον όταν το υλικό δεν ξεπερνά το στάδιο του δευτερεύοντος ερπυσµού. Εποµένως, η χρήση των προηγουµένων διαγραµµάτων είναι ασφαλής µόνον όταν υπάρχει η βεβαιότητα ότι δεν θα βρεθεί το υλικό πέραν της περιοχής του δευτερεύοντος ερπυσµού. 5/6
Βιβλιογραφία-Αναφορές [1] N. Ανδριανόπουλος, Ε. Κυριαζή, Κ. Λιακόπουλος, Πειραµατική Αντοχή των Υλικών, Συµεών, Αθήνα, Ελλάδα, 1991. [2] Γ.Ι. Τσαµασφύρος, Μηχανική Παραµορφωσίµων Σωµάτων Ι, Φούντας, Αθήνα, Ελλάδα, 1990. 6/6