Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1.3. Ανάλυση αστοχίας μεταλλικών κατασκευών Δρ. Πανδώρα ΨΥΛΛΑΚΗ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
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):
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.
Τελική Χρήση/ Περιβάλλον λειτουργίας* Σχεδιασμός Μηχανολογική σχεδίαση Μεμονωμένα εξαρτήματα Συνολική κατασκευή Επιλογή υλικού Κατασκευή Μορφοποίηση μερών Μηχανουργική κατεργασία μερών Συναρμολόγηση/ συναρμογή μερών * Περιβάλλον λειτουργίας: - Μηχανική φόρτιση - Χημικοί παράγοντες - Επιφανειακή καταπόνηση - Θερμική Φόρτιση - Ακτινοβολία Χρήση Οδηγίες χρήσης Λίπανση Ψύξη Συντήρηση 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.
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 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 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.
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. 3.1.1. 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. O 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. 3.1.2. 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.
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. 3.1.3. 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 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. 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. 3.1.4. 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 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.
3.2. 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. 3.2.1. 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. 3.2.2. 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.
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 250.000 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 1.000.000 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. 3.2.3. 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. 3.2.4. 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. 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.
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. 3.2.5. 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. 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. 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. 3.2.6. 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 2 F. L (L) δίνεται από τη σχέση: max 2. 3 b. h
4. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Η Θραυστομηχανική ή Μηχανική της θραύσης (fracture mechanics) αποτελεί το πεδίο του κλάδου της επιστήμης της Μηχανικής των Υλικών που εισάγει την επίδραση της μικροδομής του υλικού στη μηχανική του συμπεριφορά. 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. Στην απλή 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 4.1 παρουσιάζονται τυπικά δοκίμια εφελκυσμού μετά τη θραύση τους με όλκιμο και ψαθυρό τρόπο, καθώς και οι αντίστοιχες επιφάνειες θραύσης. 4.1. 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. 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
Επιφάνεια θραύσης Δοκίμιο εφελκυσμού Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» 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. ΟΛΚΙΜΗ ΘΡΑΥΣΗ ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Σχήμα 4.1. Τυπικά δοκίμια και επιφάνειες θραύσης μετά από όλκιμη και ψαθυρή θραύση τους με εφαρμογή εφελκυστικών φορτίων. 4.2. ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ 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%. Η ψαθυρή θραύση λαμβάνει χώρα 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 4.2). Σχήμα 4.2. Ψαθυρή θραύση τύπου Ι, λόγω επιβολής εφελκυστικής τάσης: (α) Ενδοκρυσταλλική και (β) Περικρυσταλλική διάδοση κύριας ρωγμής. 4.3. 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 ευρύτερα εφαρμοζόμενη είναι η θερμοδυναμική θεωρία ή θεωρία Griffith.
Σχήμα 4.3. Θερμοδυναμική θεώρηση διάδοσης της ρωγμής. Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική θεωρία, η θραύση ενός στερεού (σχήμα 4.3), 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 ελαστικότητας του υλικού. 2. a E U el 2, όπου Ε το μέτρο 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 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 a c (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: 2( pl ) E F (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 (4.4) ε Σχήμα 4.4. Διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης για τους τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης. 4.4. 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 4.5).
Σχήμα 4.5. Στάδια όλκιμης θραύσης: (α) Δημιουργία μικροκενών, (β) Συνένωση μικροκενών, (γ) Τελική θραύση με διάτμηση άκρων και (δ) Τελική θραύση με διάρρηξη άκρων. 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 υπόψιν 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).
5.1. 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). 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:.1) max min m 2 (5 Το εύρος των τάσεων: r max min (5.2) Το πλάτος της τάσης:.3) Ο λόγος των τάσεων:.4) max min a 2 (5 R 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 5.1. min max (5
Σχήμα 5.1. 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 < 10 6. 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. Στην περίπτωση των κραμάτων χαλκού, αλουμινίου και μαγνησίου, θραύση λόγω κόπωσης επέρχεται ακόμη και για πολύ χαμηλές τιμές πλάτους τάσης. Για τα υλικά αυτά ορίζονται: Η αντοχή σε κόπωση ως η τιμή του πλάτους εναλλασσόμενης τάσης που δε θα οδηγήσει σε αστοχία για δεδομένο αριθμό κύκλων.
Η διάρκεια ζωής σε κόπωση ως ο αριθμός κύκλων που προκαλεί αστοχία για συγκεριμένη τιμή πλάτους τάσης. Οι επιφάνειες θραύσης λόγω κόπωσης έχουν χαρακτηριστική κυματοειδή μορφολογία συνιστώμενη από αριθμό μικροραβδώσεων που αντιστοιχεί στους διαδοχικούς κύκλους επιβολής εφελκυστικών/ θλιπτικών φορτίσεων (σχήμα 5.2). Τα σημεία έναρξης της ρωγμής εύκολα ανιχνεύονται στην επιφάνεια θραύσης ως λείες περιοχές, δεδομένου ότι εκεί η θραύση επήλθε ταχύτατα κατά το αρχικό στάδιο φόρτισης. Επίσης, η χαρακτηριστική κυματοειδής μορφολογία δεν παρατηρείται σε περιπτώσεις που η τελική αστοχία συνέβη σε σύντομο χρονικό διάστημα (περιπτώσεις ολιγοκυκλικής κόπωσης). Περιοχή έναρξης ρωγμής (α) (β) (γ) Σχήμα 5.2. Χαρακτηριστικές επιφάνειες θραύσης λόγω κόπωσης. (α) Ραβδώσεις κόπωσης σε κράμα αλουμινίου (θραυστογραφία με χρήση ΤΕΜ), (β) Κυματοειδής μορφολογία σε χαλύβδινο άξονα, (γ) Απουσία κυματοειδούς μορφολογίας λόγω αστοχίας υπό καθεστώς ολιγοκυκλικής κόπωσης. Εκτός από τα ενδογενή χαρακτηριστικά του υλικού, σημαντική βαρύτητα στην απόκριση ενός εξαρτήματος σε συνθήκες κόπωσης έχουν: Οι συνθήκες φόρτισης. Εκτός από το πλάτος της επιβαλλόμενης τάσης, η διάρκεια ζωής του υλικού επηρεάζεται και από την τιμή της μέσης τάσης. Αύξηση της σm μειώνει τη διάρκεια ζωής σε κόπωση (σχήμα 5.2α). Η γεωμετρία του αντικειμένου και κύρια η ύπαρξη οπών και οι αλλαγές της διατομής που αποτελούν σημεία υψηλής συγκέντρωσης τάσεων. Κατά τη διαστασιολόγηση του αντικειμένου στο στάδιο του σχεδιασμού, θα πρέπει να αποφεύγεται η απότομη αλλαγή των διαστάσεων (σχήμα 5.2β).
Η επιφανειακή κατεργασία του υλικού, δεδομένου ότι η ρωγμάτωση λόγω κόπωσης ξεκινά από σημεία της επιφάνειας. Γενικά, υλικά με λειασμένη επιφάνεια εμφανίζουν υψηλότερη αντοχή σε κόπωση, όπως επίσης και υλικά με επιφανειακή κατεργασία (σφαιροβολή, ενανθρακαζώτωση) που εισάγει επιφανειακές θλιπτικές τάσεις στο αντικείμενο (σχήμα 5.2γ). Οι εναλλαγές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, οι οποίες υποβάλλουν επιπροσθέτως το αντικείμενο σε θερμική κόπωση. Κυκλικές μεταβολές της θερμοκρασίας εισάγουν στο υλικό εναλλασσόμενο πεδίο εσωτερικών τάσεων, λόγω περιορισμών της ελεύθερης διαστολής-συστολής του. Το μέγεθος των εσωτερικών αυτών τάσεων που αναπτύσσονται εξαρτάται από το συντελεστή θερμικής διαστολής και το μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Η παρουσία διαβρωτικών παραγόντων στο περιβάλλον λειτουργίας του αντικειμένου επιταχύνει την αστοχία λόγω κόπωσης, δεδομένου ότι τα σημεία τοπικής επιφανειακής διάβρωσης αποτελούν σημεία υψηλής συγκέντρωσης τάσεων και για το λόγο αυτό σημεία ενδεχόμενης έναρξης ρωγμών. Κατά το σχεδιασμό λοιπόν, μιας κατασκευής που θα υποβληθεί σε εναλλασσόμενα μηχανικά φορτία πρέπει να λαμβάνεται υπ οψιν η επίδραση όλων των παραμέτρων που προαναφέρθηκαν, συνυπολογίζοντας τον κατάλληλο συντελεστή ασφαλείας για την κατασκευή. Ετσι, η διάρκεια ζωής σε κόπωση (Ν f ) μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: (5.5) Ν f = Κ l.k d.k s.n i Οπου: Κ l συντελεστής διόρθωσης σχετικός με τις συνθήκες εξωτερικής φόρτισης, K d συντελεστής διόρθωσης σχετικός με τις διαστασιακές μεταβολές, K s συντελεστής διόρθωσης σχετικός με την κατάσταση της επιφάνειας, N i «ιδανική» διάρκεια ζωής του υλικού.
Λανθασμένος σχεδιασμός Ορθός σχεδιασμός (α) (β) (γ) Σχήμα 5.2. Επίδραση παραμέτρων στην αντοχή σε κόπωση τελικού αντικειμένου: (α) Επίδραση της τιμής μέσης τάσης, (β) Συσσώρευση τάσεων λόγω εσφαλμένου σχεδιασμού, (γ) Επίδραση επιφανειακής κατεργασίας.
5.2. Ερπυσμός - Στατική μηχανική φόρτιση σε υψηλές θερμοκρασίες Πολλές μεταλλικές κατασκευές, όπως εναλλάκτες θερμότητας, στροβιλοκινητήρες ή αντιδραστήρες, λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες για μακρό χρονικό διάστημα. Παρότι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και με ταυτόχρονη εφαρμογή στατικού φορτίου χαμηλής τιμής, τα μέταλλα δεν υπόκεινται σε μόνιμη παραμόρφωση, σε υψηλότερες θερμοκρασίες η εφαρμογή του ίδιου στατικού φορτίου οδηγεί σε αργή και συνεχή μόνιμη παραμόρφωσή τους, η οποία είναι γνωστή με τον όρο ερπυσμός (creep). Κατά κανόνα, ένα μεταλλικό υλικό εμφανίζει το φαινόμενο του ερπυσμού όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του υπερβεί το ~35% της θερμοκρασίας τήξης του, ακόμη και με επιβολή μηχανικών τάσεων χαμηλότερων του ορίου διαρροής του. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ερπυσμού είναι το «κάψιμο» του νήματος των λαμπήρων φωτισμού μετά από κάποιο χρονικό διάστημα λειτουργίας. Η μόνιμη παραμόρφωση ενός υλικού λόγω ερπυσμού δίνεται ως συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης, της θερμοκρασίας και του χρόνου: ε=f(σ, T, t). Εργαστηριακή αναπαράσταση των συνθηκών επρυσμού για τον έλεγχο της αντοχής ενός υλικού πραγματοποιείται σε πειραματικές διατάξεις όπως αυτή του σχήματος 5.3. Σχήμα 5.3. Πειραματική διάταξη ερπυσμού. Μια τυπική καμπύλη ερπυσμού μετάλλου υπό σταθερή τάση και σε δεδομένη θερμοκρασία παρουσιάζεται στο σχήμα 5.4. Καταρχήν, με την επιβολή του φορτίου παρατηρείται ακαριαία παραμόρφωση του μετάλλου, η οποία συνήθως είναι ελαστική. Στη συνέχεια, η παραμόρφωση του υλικού ως την τελική του αστοχία λαμβάνει χώρα σε τρία διαδοχικά στάδια ιδιαίτερων χαρακτηριστικών:
Σχήμα 5.4. Τυπική καμπύλη ερπυσμού μετάλλου υπό σταθερή στατική τάση και θερμοκρασία. Πρωτογενής ή μεταβατικός ερπυσμός. Στο πρώτο αυτό στάδιο, παρατηρείται συνεχής μείωση του ρυθμού παραμόρφωσης του υλικού (ταχύτητα ερπυσμού, ė c =dε/dt) με το χρόνο και αποδίδεται σε ενεργοποίηση μηχανισμών σκλήρυνσης του υλικού. Δευτερογενής ερπυσμός ή ερπυσμός σταθερής κατάστασης. Σε δεύτερο στάδιο η παραμόρφωση του υλικού μεταβάλλεται γραμμικά με το χρόνο, δηλαδή με σταθερή ταχύτητα, ως αποτέλεσμα της ισόρροπης συνέργειας ανταγωνιστικών μηχανισμών ενδοτράχυνσης και διάχυσης ατόμων. Συνήθως, αυτό το στάδιο έχει και τη μεγαλύτερη διάρκεια και αποδεικνύεται ότι η σταθερή ταχύτητα ερπυσμού δίνεται από τη σχέση: d Q ė c = C.exp (5.6) dt R. T όπου C σταθερά σχετική με το υλικό, R η σταθερά των αερίων (8,31 J.mol -1.K -1 ) Q η ενέργεια ενεργοποίησης ερπυσμού του υλικού, σε J.mol -1 Τριτογενής ερπυσμός. Στο τελευταίο στάδιο ο ρυθμός ερπυσμού επιταχύνεται και επέρχεται η τελική αστοχία του υλικού, η οποία συχνά αποκαλείται και διάρρηξη. Η διάρρηξη λαμβάνει χώρα με αποκολλήσεις στα όρια των κόκκων, δημιουργία και συνένωση κενών, καθώς και σχηματισμό «λαιμού» (σχήμα 5.5), παρόμοιου με αυτόν της όλκιμης θραύσης σε εφελκυσμό.
Περιοχή περικρυσταλλικής θραύσης Διεύθυνση επιβολής φορτίου Σχήμα 5.5. Πτερύγιο στροβιλοκινητήρα που έχει αστοχήσει λόγω ερπυσμού. Η επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας ή του επιβαλλόμενου φορτίου στην αντοχή ενός υλικού σε ερπυσμό παρουσιάζεται στο σχήμα 5.6α. Ενδεικτικά παραδείγματα αντοχής υλικών σε ερπυσμό εμφανίζονται στο σχήμα 5.6β. (α) (β) Σχήμα 5.6. (α) Επίδραση θερμοκρασίας και επιβαλλόμενου φορτίου στην αντοχή ενός υλικού σε ερπυσμό. (β) Διάγραμμα θραύσης διαφόρων κραμάτων μετά από δοκιμή ερπυσμού 1000 ωρών σε διάφορες θερμοκρασίες.