ΑΣΤΟΧIΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚVΝ ΙΙ ΚOΠΩΣΗ, ΕΡΠΥΣΜOΣ

ΑΣΤΟΧIΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚVΝ ΙΙ ΚOΠΩΣΗ, ΕΡΠΥΣΜOΣ

1. ΚΟΠΩΣΗ ( FATIGUE ) Η κόπωση = μορφή αστοχίας που εμφανίζεται κάτω από επίδραση δυναμικών και κυμαινομένων τάσεων (π.χ. γέφυρες, αεροσκάφη, εξαρτήματα μηχανών) - εμφανίζεται σε επίπεδα τάσεων σημαντικά χαμηλότερα από την αντοχή σε εφελκυσμό ή την αντοχή διαρροής σε στατική φόρτιση - εμφανίζεται μετά από μια μακρά περίοδο επαναλαμβανόμενων κυκλικών τάσεων η παραμορφώσεων - είναι η κυριότερη αιτία της αστοχίας των μετάλλων ( ~ 90% των αστοχιών στα μέταλλα), των πολυμερών και των κεραμικών (εκτός από γυαλιά)

- είναι καταστροφική και εμφανίζεται πολύ ξαφνικά και χωρίς προειδοποίηση - προσομοιάζει με την ψαθυρη θραύση, ακόμη και στα συνήθως όλκιμα μέταλλα : υφίσταται πολύ μικρή η καθόλου πλαστική παραμόρφωση που σχετίζεται με την αστοχία. - λαμβάνει χώρα με τον σχηματισμό και διάδοση ρωγμών - η επιφάνεια θραύσης είναι κάθετη στην διεύθυνση της εφαρμοζόμενης εφελκυστικής τάσης.

1.1 ΚΥΚΛΙΚΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Η εφαρμοζόμενη τάση μπορεί να είναι αξονική (εφελκυσμό - θλίψη), καμπτικη ή στρεπτική Τρεις διαφορετικοί τύποι χρονικά κυμαινόμενης τάσης : (α) Αντιστρεφόμενη κυκλική τάση- εναλλάσσεται από μια μέγιστη εφελκυστικη (+) σε μία μέγιστη θλιπτική (-) τιμή ισου μεγέθους

Μέση τάση : σ m = σ max + σ min /2 Λογος τάσεων : R = σ min /σ max Εύρος τάσεων : σ r = σ max σ min Πλατος της τάσης : σ α = σ r /2 (β) Επαναλαμβανόμενη κυκλική τάση με μη συμμετρικές μέγιστη και ελάχιστη τιμή ως προς το επίπεδο μηδενικής τάσης

(γ) Τυχαία κυκλική τάση

1.2 Η ΚΑΜΠΎΛΗ S-N Οι ιδιότητες της κόπωσης των υλικών προσδιορίζονται με εργαστηριακές δοκιμές προσομοίωσης - αναπαράγουν όσο το δυνατόν τις συνθήκες λειτουργίας της τάσης (επίπεδο τάσης, συχνότητα, χρόνος, τύπος τάσης, κτλ) Δοκιμή με περιστρεφόμενη-καμπτόμενη δοκό ζεύξης: - εναλλασσόμενες εφελκυστικές και θλιπτικές τάσεις ίσου μεγέθους - το δοκίμιο κάμπτεται και περιστρέφεται ταυτόχρονα Ο κύκλος τάσης είναι αντιστρεφόμενος - R=- 1 Κατά την περιστροφή - στην χαμηλότερη επιφάνεια του δοκιμίου - εφελκυστική τάση - στην ανώτερη επιφάνεια του δοκιμίου θλιπτική τάση

Διάταξη δοκιμής κόπωσης Θλίψη Εφελκυσμό Δοκίμιο

Εξάρτηση τάσης από το φορτίο, για κυλινδρική ράβδος για δοκιμή περιστροφικής κάμψης : σ = MR l, Μ = F L/4 η μέγιστη ροπή κάμψης l = πr 4 /4 ροπή αδράνειας της διατομής R ακτίνα του δοκιμίου L απόσταση μεταξύ των σημείων στήριξης σ = F L π R 3

Αρχίκα σ max 2 3 TS Η δοκιμή επαναλαμβάνεται σε άλλα δοκίμια με μικρότερη σ max Τα δεδομένα απεικονίζονται σε διάγραμμα της τάσης S συνάρτηση του λογαρίθμου του αριθμού των κύκλων Ν μέχρι την αστοχία, για κάθε δοκίμιο S = σ max ή S = σ α S, πλάτος τάσης Όριο κόπωσης safe unsafe 10 3 10 5 10 7 10 9 N, κύκλοι ως την αστοχία (α) Υλικό με όριο κόπωσης S = stress amplitude safe unsafe 10 3 10 5 10 7 10 9 N = Cycles to failure (β) Υλικό χωρίς όριο κόπωσης Σε πολλούς χάλυβες, το όριο κόπωσης =[35% μέχρι 60%]TS Τα περισσότερα μη σιδηρούχα κράματα δεν επιδεικνύουν όριο κόπωσης

Στα υλικά που δεν έχουν όριο κόπωσης, η κόπωση εμφανίζεται ανεξάρτητα από το μέγεθος της τάσης Για αυτά τα υλικά, η απόκριση σε κόπωση αναφέρεται ως αντοχή σε κόπωση = το επίπεδο της τάσης στο οποίο εμφανίζεται αστοχία για κάποιο συγκεκριμένο αριθμό κύκλων (π.χ. 10 7 κύκλοι). Διάρκεια ζωής σε κόπωση N f = ο αριθμός των κύκλων που εμφανίζεται αστοχία σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο τάσης

Καμπύλες κόπωση S-N για διάφορα κράματα μετάλλων (για R=-1) Οι καμπύλες για κράματα τιτάνιου, μαγνησίου και χάλυβα, και για το χυτοσίδηρο έχουν όρια κόπωσης Οι καμπύλες για το ορείχαλκο και τα κράματα αλουμινίου δεν έχουν όρια κόπωσης

Δύο περιοχές των καμπύλων S-N: 1. Υψηλά φορτία -> ελαστική + πλαστική παραμόρφωση κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου-> σύντομη διάρκεια ζωής = κόπωση χαμηλού αριθμού κύκλων (Ν < 10 4 10 5 ) 2. Χαμηλότερα επίπεδα τάσης -> μόνο ελαστική παραμόρφωση -> ζωές σε κόπωση με μεγαλύτερη διάρκεια = κόπωση υψηλού αριθμού κύκλων (Ν > 10 4-10 5 )

Υπάρχει πάντα μια σημαντική διασπορά των δεδομένων της κόπωσης -> σημαντικές σχεδιαστικές αβεβαιότητες Η διασπορά των αποτελεσμάτων είναι συνέπεια: της κατασκευής του δοκιμίου της προετοιμασίας της επιφάνειας των μεταλλουργικών μεταβλητών της ευθυγράμμισης του δοκιμίου στη πειραματική διάταξη της μέση τάσης της συχνότητας Οι καμπύλες S-N αναπαριστούν τις μέσες τιμές των πειραματικών δεδομένων ( βρίσκονται στην βιβλιογραφία, εκτός αν αναφέρεται κάτι άλλο)

Στατιστική τεχνική - μέσω σειράς καμπύλων σταθερής πιθανότητας P = πιθανότητα αστοχίας

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ 1 Υπολογισμός του Μέγιστου Φορτίου για την Αποφυγή Κόπωσης σε Δοκιμές Περιστροφικής Κάμψης Κυλινδρική ράβδος από το 1045 κράμα χάλυβα έχει τη συμπεριφορά S-N που φαίνεται στο σχήμα όταν υπόκειται σε δοκιμές περιστροφικής κάμψης υπό αντιστρεφόμενων κύκλων τάσης. Εάν η διάμετρος της ράβδου είναι 15.0 mm, προσδιορίστε το μέγιστο κυκλικό φορτίο που μπορεί να εφαρμοστεί, ώστε να μην εμφανιστεί αστοχία λόγω κόπωσης. Υποθέστε παράγοντα ασφάλειας 2.0 και ότι η απόσταση μεταξύ των σημείων φόρτισης είναι 60.0 mm.

ΠΑΡΆΔΕΙΓΜΑ ΠΡΟΒΛΉΜΑΤΟΣ 2 Υπολογισμός της Ελάχιστης Διαμέτρου Δοκιμίου ώστε να Επιτευχθεί Συγκεκριμένη Διάρκεια Ζωής σε Κόπωση για Δοκιμές Εφελκυσμού Θλίψης Κυλινδρική ράβδος ορείχαλκου 70Cu-30Zn υπόκειται σε αντιστρεφόμενη κυκλική δοκιμή με αξονική εφελκυστική-θλιπτική φόρτιση. Εάν το πλάτος του φορτίου είναι 10000 Ν, υπολογίστε την ελάχιστη επιτρεπτή διάμετρο της ράβδου ώστε να αποφευχθεί η αστοχία σε κόπωση στους 10 7 κύκλους. Υποθέστε παράγοντα ασφάλειας 2.5, τα δεδομένα του σχήματος ελήφθησαν για αντιστρεφόμενες δοκιμές αξονικού εφελκυσμού θλίψης και ότι η S είναι το πλάτος της τάσης. S

1.3 ΈΝΑΡΞΗ ΚΑΙ ΔΙΆΔΟΣΗ ΡΩΓΜΉΣ Βήματα της διαδικασίας αστοχίας σε κόπωση: (1) Έναρξη ρωγμής σε κάποιο σημείο μεγάλης συγκέντρωσης τάσης (2) Διάδοση ρωγμής η ρωγμή προχωρά αυξανομένη με κάθε κύκλο τάσης (3) Τελική αστοχία εμφανίζεται πολύ γρήγορα όταν η διαδιδόμενη ρωγμή αποκτήσει ένα κρίσιμο μέγεθος Η διάρκεια ζωής σε κόπωση : N f = N i + N p N i - αριθμός κύκλων μέχρι την έναρξη της ρωγμής N p - αριθμός κύκλων για την διάδοση της ρωγμής

Σχεδόν πάντοτε οι ρωγμές γεννώνται στην επιφάνεια εξαρτήματος, σε σημείο συγκέντρωσης τάσεων Θέσεις στις οποίες δημιουργούνται οι ρωγμές: - επιφανειακές αμυχές - αιχμηρές ταινίες - κλείδες - νηματοειδές διαμορφώσεις - μικρές κοιλότητες Η κυκλική φόρτιση -> μικροσκοπικές επιφανειακές ασυνέχειες λόγω των βημάτων ολίσθησης των διαταραχών ανυψωτές τάσεων -> εκκίνηση ρωγμών

Διάδοση ρωγμών σε πολυκρυσταλλικά μέταλλα Στάδιο Ι πολύ αργός ρυθμός - κατά μήκος κρυσταλλογραφικών επίπεδων υψηλής διατμητικής τάσης - επιφάνεια κόπωσης επίπεδη, χωρίς ιδιαίτερα χαρακτηριστικά Στάδιο ΙΙ ο ρυθμός επέκτασης της ρωγμής αυξάνει δραματικά - αλλαγή στην διεύθυνση διάδοσης σε μια νέα, σχεδόν κάθετη στην εφαρμοζόμενη εφελκυστική τάση

Στην επιφάνεια θραύσης - δύο τύποι ιχνών : α) κυματοειδείς πτυχώσεις η οστρακοειδείς ραβδώσεις(beachmarks) β) μικρο-ραβδώσεις (striations) - δείχνουν τη θέση της αιχμής της ρωγμής σε κάποιο σημείο στο χρόνο - εμφανίζονται ως ομόκεντρες αυλακώσεις που επεκτείνονται μακριά από το σημείο σχηματισμού της ρωγμής - έχουν συχνά κυκλικό ή ημικυκλικό σχήμα

Οι κυματώσεις Έχουν μακροσκοπικές διαστάσεις - παρατηρούνται δια γυμνού οφθαλμό Εκκίνηση (δημιουργία) Διεύθυνση περιστροφής Τελική διάρρηξη (θραύση) Επιφάνεια θραύσης περιστρεφόμενου χαλύβδινου άξονα που αστόχησε σε κόπωση, με ορατές κυματοειδείς αυλακώσεις Παρατηρούνται σε εξαρτήματα στα οποία οι εξωτερικές τάσεις δεν είναι συνεχής κατά τη διάρκεια της διάδοσης της ρωγμής (π.χ. εξαρτήματα μηχανής που λειτουργεί μία βάρδια ανά ημέρα) - κάθε ζώνη κυματοειδών πτυχώσεων <-> μια χρονική περίοδο κατά την οποία σημειώθηκε αύξηση της ρωγμής

Έχουν μικροσκοπικές διαστάσεις Οι μικρο-ραβδώσεις Κάθε μικρο-ράβδωση αναπαριστά την απόσταση κατά την οποία αναπτύχτηκε το μέτωπο της ρωγμής κατά τη διάρκεια ενός κύκλου φόρτισης. Το πλάτος των μικρο-ραβδώσεων αυξάνει καθώς αυξάνει το εύρος της τάσης Θραυστογραφία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης με ραβδώσεις κόπωσης στο αλουμίνιο

Κατά τη διάρκεια της διάδοσης των ρωγμών κόπωσης, σε μικροσκοπική κλίμακα, υπάρχει πολύ τοπικά εντοπισμένη πλαστικής παραμόρφωσης στις άκρες της ρωγμής, ακόμη και αν σ max < σ y Εξέταση των επιφανειών αστοχίας => αιτία της αστοχίας - παρουσία κυματοειδών πτυχώσεων ή / και μικρο-ραβδώσεων στην επιφάνεια θραύσης επιβεβαιώνει ότι η αιτία της αστοχίας ήταν η κόπωση - η απουσία του ενός ή και των δύο δεν αποκλείει την κόπωση ως αιτία αστοχίας Η γρήγορη αστοχία μπορεί να είναι - όλκιμη (με ίχνη πλαστικής παραμόρφωσης) - ψαθυρή (χωρίς ίχνη πλαστικής παραμόρφωσης)

Περιοχή αργής διάδοσης ρωγμής Περιοχή γρήγορης διάδοσης ρωγμής

1.4 ΡΥΘΜΌΣ ΔΙΆΔΟΣΗΣ ΡΩΓΜΏΝ Η ζωή ενός δομικού εξαρτήματος σχετίζεται με τον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμών Ο ρυθμός ανάπτυξης - αρχικά είναι μικρός - μεγαλώνει καθώς αυξάνεται το μήκος της ρωγμής - εντείνεται καθώς αυξάνεται το επίπεδο της εφαρμοζόμενης τάσης σε ένα συγκεκριμένο μήκος ρωγμής Για το στάδιο ΙΙ : ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής = f(επίπεδο τάσης, μέγεθος ρωγμής, υλικό) dα dn = A(ΔK)m A, m - σταθερές του υλικού - εξαρτώνται από συνθήκες περιβάλλοντος, συχνότητα, λόγο τάσεων R - συνήθως 1 < m < 6

ΔK - η διακύμανση του συντελεστή έντασης τάσεων στην περιοχή της ρωγμής ΔΚ = Κ max K min = Y(σ max σ min ) πα Αν σ min < 0 (θλιπτική) η ανάπτυξη της ρωγμής σταματά ή γίνεται αμελητέα σ min = 0, Κ min = 0 ΔΚ = Κ max!!! Κ δεν είναι η αντίσταση θραύσης Κ c!!!

S = stress amplitude 1.5 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΖΩΗΣ ΣΕ ΚΟΠΩΣΗ ΜΕΣΗ ΤΑΣΗ Η εξάρτηση της διάρκειας ζωής σε κόπωση από το πλάτος της τάσης αναπαριστάται στα διαγράμματα S-N Τα δεδομένα στα διαγράμματα S-N λαμβάνονται για μια σταθερή μέση τιμή τάσης σ m, συχνά για την κατάσταση του αντιστρεφόμενου κύκλου (σ m =0) Η διάρκεια ζωής σε κόπωση επηρεάζεται και από την μέση τάση -> σειρά καμπύλων S-N, κάθε μια για έναν διαφορετικό σ m Αυξάνοντας το επίπεδο της μέσης τάσης, μειώνεται η διάρκεια ζωής σε κόπωσης N = Cycles to failure compressive or 0 σ m moderate tensile σ m Larger tensile σ m

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΆ ΦΑΙΝΌΜΕΝΑ Για πολλές κοινές καταστάσεις φόρτωσης, η μέγιστη τάση σε ένα εξάρτημα ή κατασκευή εμφανίζεται στην επιφάνειά του -> -> οι περισσότερες ρωγμές που οδηγούν σε αστοχία λογω κόπωσης πρωτοδημιουργούνται σε σημεία στην επιφάνεια, ειδικά σε περιοχές ενίσχυσης της τάσης -> η διάρκεια ζωής σε κόπωση είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στις συνθήκες και στη διαμόρφωση της επιφάνειας των εξαρτημάτων

Παράγοντες σχεδίασης Κάθε εγκοπή ή γεωμετρική ασυνέχεια μπορεί να λειτουργήσει ως ανυψωτής τάσεων -> θέση σχηματισμού ρωγμής από κόπωση - αυλακώσεις - οπές - χαραγές - νήματα bad bad better better Όσο πιο οξεία είναι η ασυνέχεια (όσο μικρότερη είναι η ακτίνα καμπυλότητας), τόσο πιο μεγάλη είναι η συγκέντρωση τάσεων. Η πιθανότητα αστοχίας κοπώσεως μπορεί να μειωθεί με την αποφυγή (όταν είναι δυνατό) των δομικών ανωμαλιών

Κατεργασίες Επιφανίων Κατά την μηχανική επεξεργασία, η δράση του εργαλείου κοπής εισάγει στην επιφάνια του κατεργαζόμενου αντικείμενου μικρές αμυχές και αυλακώσεις Η λείανση της επιφάνειας αυξάνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής σε κόπωση Επιβολή υπολειπόμενων θλιπτικών τάσεων σε λεπτό εξωτερικό στρώμα της επιφάνειας -> ακύρωση κατά ένα μέρος της εξωτερικής εφελκυστικης τάσης -> βελτίωση συμπεριφοράς σε κόπωση Στα όλκιμα μέταλλα, παραμένουσες θλιπτικές τάσεις εισάγονται μηχανικά προκαλώντας τοπική πλαστική παραμόρφωση στην περιοχή εξωτερικής επιφάνειας.

Σφαιροβολη (shot peening) Μικρά, σκληρά σωματίδια (βολές) με διαμέτρους d από 0.1 έως 1.0 mm βάλλονται με μεγάλες ταχύτητες πάνω στην υπό κατεργασία επιφάνεια -> παραμόρφωση που προκαλεί θλιπτικές τάσεις σε βάθος μεταξύ ¼ και ½ d shot put surface into compression

Εμποτισμός (case hardening) Τεχνική με την οποία βελτιώνονται - η επιφανειακή σκληρότητα των κραμάτων χάλυβα - η διάρκεια ζωής σε κόπωση Επιτυγχάνεται με διαδικασία ενανθράκωσης ή εναζώτωσης - εκτίθεται σε ανθρακούχα ή αζωτούχα ατμόσφαιρα σε υψηλή θερμοκρασία -> ένα στρώμα πλούσιο σε άνθρακα ή άζωτο στην εξωτερική επιφάνεια με την ατομική διάχυση από την αέρια φάση (πάχος ~1mm), πιο σκληρό από τον εσωτερικό πυρήνα του υλικού C-rich gas Επιθυμητές υπολειπόμενες θλιπτικές τάσεις

Μικροφωτογραφία του πυρήνα (κάτω) και του ενανθρακωμένο εξωτερικό περίβλημα (άνω) εμποτισμένου χάλυβα. Το περίβλημα είναι σκληρότερο, όπως προκυπτει από την μικρότερη διείσδυση μικροσκληρότητας Knoop.

1.6 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΈΣ ΕΠΙΔΡΆΣΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΉ ΚΌΠΩΣΗ Η θερμική κόπωση προκαλείται σε υψηλές θερμοκρασίες από κυμαινόμενες θερμικές τάσης Δεν απαιτείται παρουσία μηχανικών τάσεων από εξωτερική πηγή Προέλευση θερμικών τάσεων - περιορισμός της διαστολής /συστολής των διαστάσεων που εμφανίζεται λόγω των μεταβολών της θερμοκρασίας Το μέγεθος αναπτυσσομένης τάσης από μεταβολή θερμοκρασίας ΔΤ : σ = α l ΕΔΤ α l - συντελεστής θερμικής διαστολής Ε - μέτρο ελαστικότητας Οι θερμικές τάσεις δεν εμφανίζονται χωρίς μηχανικό περιορισμό Επιτρέποντας ανεμπόδιστες μεταβολές διαστάσεων με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας -> αποφεύγεται ή μειώνεται η θερμική κόπωση

ΚΟΠΩΣΗ ΑΠΟ ΔΙΑΒΡΩΣΗ Κόπωση από διάβρωση - ταυτόχρονη δράση - κυκλικής τάσης - χημικής προσβολής Ακόμα και η συνηθισμένη ατμόσφαιρα περιβάλλοντος επηρεάζει τη συμπεριφορά κόπωσης ορισμένων υλικών - χημικές αντιδράσεις μεταξύ του περιβάλλοντος και του υλικού -> -> μικρές οπές σημεία συγκέντρωσης τάσεων θέσεις έναρξης ρωγμών Ο ρυθμός διάδοσης ρωγμής ενισχύεται με το διαβρωτικό περιβάλλον Η μείωση της συχνότητας εφαρμογής φορτίου -> μεγαλύτερες περιόδους κατά των οποίων η ανοικτή ρωγμή είναι σε επαφή με το περιβάλλον -> μείωση της διάρκειας ζωής σε κόπωσης

Παρεμπόδιση της κόπωσης από διάβρωση Μείωση του ρυθμού διάβρωσης : - εφαρμογή προστατευτικών επιφανειακών επικαλύψεων - επιλογή ενός υλικού περισσότερο ανθεκτικό στη διάβρωση - ελάττωση της διαβρωτικότητας του περιβάλλοντος Μείωση του επίπεδου εφαρμοζόμενης εφελκυστικής τάσης Επιβολή υπολειπόμενης θλιπτικής τάσης στην επιφάνεια

2. ΕΡΠΥΣΜΌΣ Ερπυσμός = παραμόρφωση κάτω από - υψηλές θερμοκρασίες - στατικές μηχανικές τάσεις Π.χ.: - περιστρεφόμενο μέρος των στροβίλων- τουρμπινών -στις μηχανές των τζετ - οι ατμολέβητες που υφίστανται φυγοκεντρικές τάσεις - γραμμές υψηλής πίεσης ατμού Ερπυσμός = χρονικά εξαρτώμενη μόνιμη παραμόρφωση των υλικών,όταν υπόκεινται σε σταθερό φορτίο ή τάση Ο ερπυσμός - ανεπιθύμητο φαινόμενο - περιοριστικός παράγοντας στην ζωή εξαρτημάτων - παρατηρείται σε όλα τα είδη υλικών - για τα μέταλλα γίνεται σημαντικός για θερμοκρασίες Τ > 0.4T m - τα άμορφα πολυμερή είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε ερπυσμό

2.1 ΓΕΝΙΚΕΥΜΈΝΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΆ ΕΡΠΥΣΜΟΎ Δοκιμή ερπυσμού : α) έκθεση δοκιμίου σε σταθερό φορτίο ή τάση, σε σταθερή υψηλή θερμοκρασία β) μέτρηση και καταγραφή της γεωμετρικής η μηχανικής παραμόρφωσης ως συνάρτηση του παρερχόμενου χρόνου σ,f σ 0 t

Με την εφαρμογή του φορτίου -> ακαριαία πλήρως ελαστική παραμόρφωση Πρωτογενής ή μεταβατικός ερπυσμός - συνεχή μείωση του ρυθμού ερπυσμού (η κλίση της καμπύλης μειώνεται με το χρόνο - αύξηση στην αντίσταση ερπυσμού ή σκλήρυνση με ενδοτράχυνση ) Δευτερογενής ερπυσμός ή ερπυσμός σταθερής κατάστασης σταθερός ρυθμός ερπυσμού, γραμμική γραφική παράσταση, το στάδιο με τη μεγαλύτερη διάρκεια - Ισορροπία μεταξύ ενδοτράχυνσης και ανάκτησης (υψηλές Τ -> αυξάνεται η ατομική διάχυση -> απελευθέρωση ενέργειας παραμόρφωσης) Τριτογενής ερπυσμός - επιτάχυνση του ρυθμού ερπυσμού και τελική αστοχία Αυτή η αστοχία συχνά αποκαλείται διάρρηξη

Η διάρρηξη προκύπτει από μικροκρυσταλλικές ή /και μεταλλουργικές μεταβολές Π.χ. : - διαχωρισμός των ορίων κόκκων και σχηματισμός εσωτερικών ρωγμών, κοιλοτήτων και κενών - σχηματισμός λαιμού (για τα φορτία εφελκυσμού) -> μείωση του δρώντος εμβαδού κάθετου διατομής -> αύξηση του ρυθμού παραμόρφωσης Grain boundary cavities applied stress

Μεταλλικά υλικά - οι περισσότερες δοκιμές ερπυσμού διεξάγονται με μονοαξονικό εφελκυσμό με δόκιμια με ίδια γεωμετρία όπως για δοκιμές εφελκυσμού Ψαθυρά υλικά - μονοαξονικές θλιπτικές δοκιμές - δεν υφίσταται ενίσχυση τάσεων και διάδοση ρωγμών - τα δοκίμια είναι συνήθως ορθοί κύλινδροι ή παραλληλεπίπεδα με αναλογίες μήκους/διάμετρο = 2 έως 4 Στα περισσότερα υλικά, οι ιδιότητες ερπυσμού είναι σχεδόν ανεξάρτητες της διεύθυνσης φόρτισης

Η κλίση του δεύτερου τμήματος της καμπύλης ερπυσμού (Δε /Δt) - σημαντική παράμετρος σε δοκιμή ερπυσμού - αποκαλείται ρυθμός ερπυσμού σταθερής κατάστασης ε s - είναι η τεχνική παράμετρος σχεδιασμού για εφαρμογές μεγάλης χρονικής διάρκειας (π.χ. εξαρτήματα εγκαταστάσεων πυρηνικής ενεργείας) Ο χρόνος ως την διάρρηξη, ή διάρκεια ζωής ως τη διάρρηξη t r η πιο σημαντική παράμετρος για βραχύβιες καταστάσεις ερπυσμού (π.χ., πτερύγια τουρμπίνων πολεμικών αεροσκαφών και ακροφύσια κινητήρων πυραύλων) Δοκιμές διάρρηξης ερπυσμού - διεξάγονται μέχρι το σημείο της αστοχίας -> t r

2.2 ΕΠΊΔΡΑΣΗ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Η θερμοκρασία και το επίπεδο της εφαρμοζόμενης τάσης επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά ερπυσμού οr σ tertiary primary secondary elastic Τ < 0.4T m : μετά την αρχική παραμόρφωση, η μηχανική παραμόρφωση είναι ανεξάρτητη του χρόνου

Με την αύξηση της τάσης ή της θερμοκρασίας : (1) ακαριαία παραμόρφωση κατά τη στιγμή της εφαρμογής της τάσης αυξάνει (2) ο ρυθμός ερπυσμού σταθερής tertiary οr σ κατάστασης αυξάνει (3) η διάρκεια ζωής ως τη διάρρηξη μειώνεται Τα αποτελέσματα δοκιμών διάρρηξης από ερπυσμό - ο λογάριθμος της τάσης συνάρτηση του λογάριθμου του χρόνου ζωής ως τη διάρρηξη

Κράμα S-590 : σε κάθε θερμοκρασία -> σύνολο γραμμικών σχέσεων

Εμπειρική σχέση μεταξύ του ρυθμού ερπυσμού σταθερής κατάστασης και της τάσης : ε s = Κ 1 σ n Κ 1, n - σταθερές του υλικού Κράμα S-590 n κλίση των ευθειών γραμμών

Εμπειρική σχέση μεταξύ του ρυθμού ερπυσμού σταθερής κατάστασης και της τάσης και της θερμοκρασίας : ε s = Κ 2 σ n exp Q c RT Κ 2, Q c, n - σταθερές του υλικού Q c - ενέργεια ενεργοποίησης ερπυσμού Μηχανισμοί που εξηγούν την συμπεριφορά ερπυσμού : επαγόμενη από την τάση διάχυση πλεγματικών κενών, η διάχυση ορίων κόκκων, η κίνηση διαταραχών και η ολίσθηση ορίων κόκκων Κάθε μηχανισμός οδηγεί σε διαφορετική τιμή του n -> σύγκριση πειραματικών και θεωρητικών τιμών του n -> διευκρίνηση του μηχανισμός ερπυσμού Έχουν γίνει συσχετισμοί μεταξύ της ενέργειας ενεργοποίησης ερπυσμού Q c και της ενέργεια ενεργοποίησης διάχυση

ΠΑΡΆΔΕΙΓΜΑ ΠΡΟΒΛΉΜΑΤΟΣ 3 Υπολογισμός του Ρυθμού Ερπυσμού Σταθερής Κατάστασης Δεδομένα του ρυθμού ερπυσμού σταθερής κατάστασης δίνονται στον ακόλουθο πίνακα για το αλουμίνιο στους 260 0 C (533 K): ε s σ (MPa) 2.0 10 4 3 3.65 25 Υπολογίστε τον ρυθμό ερπυσμού σταθερής κατάστασης ερπυσμού υπό τάση 10 MPa και στους 260 0 C.

2.3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΕΚΒΟΛΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Συχνά χρειάζονται δεδομένα ερπυσμού που είναι αδύνατον να συλλεχθούν σε συνήθεις εργαστηριακές δοκιμές (π.χ. μακροχρόνιες προβολές) Λύση : διεξαγωγή δοκιμών ερπυσμού ή/και διάρρηξης από ερπυσμό σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες, για μικρότερα χρονικά διαστήματα, και σε συγκρίσιμα επίπεδα τάσης -> προεκβολή δεδομένων στις συνθήκες λειτουργιάς του υλικού Συνηθισμένη διεργασία προεκβολής χρησιμοποιεί την παράμετρο Larson- Miller, m, που ορίζεται ως : m = T(C + log t r ) C σταθερά (~20) Τ θερμοκρασία σε Kelvin t r χρόνο ζωής ως τη διάρρηξη σε ώρες

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ 2 Πρόβλεψη Διάρκειας Ζωής ως την Διάρρηξη Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα Larson-Miller του κράματος S-590 που φαίνεται στο σχήμα, προβλέψτε τον χρόνο ως την διάρρηξη για ένα εξάρτημα που υπόκειται σε τάση 140 MPa στους 800 0 C (1073 Κ)

2.4 ΚΡΆΜΑΤΑ ΓΙΑ ΧΡΉΣΗ ΣΕ ΥΨΗΛΈΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΊΕΣ Η αντίσταση των μετάλλων σε ερπυσμό βελτιώνεται με: - υψηλότερη θερμοκρασία τήξεως - μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας - μεγαλύτερο μέγεθος των κόκκων (μικρότεροι κόκκοι επιτρέπουν ευκολότερα την ολίσθηση ορίων κόκκου -> υψηλότεροι ρυθμοί ερπυσμού) Η αντίσταση στο ερπυσμό των υπερκραμάτων ενισχύεται με : - κραματοποιηση στερεού διαλύματος - προσθήκη μιας διεσπαρμένης φάσης αδιάλυτη στην μήτρα (κατακρήμνιση) - στερεοποίηση σε συγκεκριμένη διεύθυνση Πτερύγιο στροβίλου -> πολύ επιμήκεις κόκκοι (b) ή μονοκρυσταλλικά εξαρτήματα (c) (a) Συμβατική τεχνική χύτευσης

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Κόπωση - είδος καταστρεπτικής αστοχίας όπου το επίπεδο της εφαρμοζόμενης τάσης κυμαίνεται με το χρόνο - εμφανίζεται και όταν σ max << TS, σ y Τρόπους μεταβολής των κυμαινομένων τάσεων στο χρόνο - αντιστρεφόμενο - επαναλαμβανόμενο - τυχαίο Έναρξη και διάδοση ρωγμής - Οι ρωγμές σχηματίζονται στην επιφάνεια, σε σημείο συγκέντρωσης τάσεων - Χαρακτηριστικά επιφάνειας θραύσης από κόπωση - κυματοειδείς πτυχώσεις - μικρο-ραβδώσεις.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής σε κόπωση - μείωση του επίπεδου της μέσης τάσης - απάλειψη αιχμηρών επιφανειακών συνεχειών - βελτίωση του φινιρίσματος της επιφάνειας - επιβολή υπολειπόμενων επιφανειακών θλιπτικών τάσεων - ενανθράκωση και εναζώτωση Περιβαλλοντικές επιδράσεις - θερμική κόπωση - χημικά ενεργό περιβάλλον -> μείωση της διάρκειας ζωής σε κόπωση

Ερπυσμός - χρονικά εξαρτώμενη πλαστική παραμόρφωση υλικών που υπόκεινται σε σταθερό φορτίο (ή τάση) και σε Τ > 0.4T m Στάδια ερπυσμού : (1) μεταβατικό (πρωτογενή) ερπυσμό (2) ερπυσμό σταθερής κατάστασης (ή δευτερογενή) (3) τριτογενή ερπυσμό Σημαντικές παράμετροι σχεδιασμού ρυθμός ερπυσμού σταθερής κατάστασης - χρόνος ζωής ως την διάρρηξη Επίδραση τάσης και θερμοκρασίας Προεκβολή πειραματικών δεδομένων Κράματα για χρήση σε υψηλές θερμοκρασίες