PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Mechanika i wytrzymałość materiałów - instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego:
PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW
KONSTRUKCYJNYCH
Opracowała: mgr inż. Magdalena Bartkowiak-Jowsa
Wprowadzenie
Reologia jest nauką, która uwzględnia wpływ czasu na związki między naprężeniami, a
odkształceniami ciała odkształcalnego. Jednym z najważniejszych zagadnień w reologii jest
empiryczne ustalanie związków konstytutywnych, czyli zależności między naprężeniem i
wywołanym przez nie odkształceniem, jako funkcji czasu.
Podstawowymi procesami reologicznymi są:
- pełzanie materiałów,
- relaksacja naprężeń.
Pełzanie to zjawisko polegające na wzroście odkształceń materiału pod wpływem
Powstałe
długotrwałego działania stałego obciążenia, w stałej temperaturze.
odkształcenia są zależne od czasu działania obciążenia (rys. 1).
Rys. 1 Krzywe pełzania.
W temperaturze pokojowej, zjawisko pełzania można zaobserwować w tworzywach
sztucznych i w stopach metali lekkich, w temperaturach podwyższonych - również w stalach.
Przyjmuje się, że za powstawanie zjawiska pełzania w metalach odpowiadają ruchy
dyslokacji (defektów sieci krystalicznej) (rys. 2a), efekty dyfuzyjne oraz poślizg na granicach
ziaren (rys. 2b). Pod wpływem obciążenia defekty sieci mogą się przemieszczać
i nawarstwiać, co skutkuje jej plastycznym odkształcaniem. W obszarze granic ziaren
powstają pory, które mogą być przyczyną powstania mikropęknięć. Rozwój tych zjawisk
1
prowadzi do zniszczenia wiązań atomowych, powstania złomu i zniszczenia próbki pod
wpływem stałego obciążenia. Ruch dyslokacji lub propagacja szczeliny może nastąpić, jeśli
naprężenia na krawędzi dyslokacji/szczeliny przekroczą granicę plastyczności, przy czym
granica ta obniża się silnie ze wzrostem temperatury. I dlatego pełzanie metali pojawia się
łatwiej w wysokich temperaturach. W zależności od zakresu temperatur, zjawisko pełzania
dzielimy na pełzanie nisko- i wysokotemperaturowe.
a)
b)
Rys. 2. Mechanizmy pełzania: a) przykład defektu sieci krystalicznej: wakans, b) poślizg na
granicach ziaren1.
Specyficzna budowa polimerów, z których większość to materiały częściowo krystaliczne,
składające się z nieuporządkowanej fazy amorficznej oraz uporządkowanej fazy krystalicznej
(rys. 3) sprawia, że materiały te są szczególnie podatne na zjawisko pełzania. Pod
obciążeniem, wyjściowe uporządkowanie polimeru przed deformacją ulega przekształceniu w
inną postać morfologiczną: następuje prostowanie oraz przemieszczanie względem siebie
łańcuchów polimeru, zwłaszcza fazy amorficznej, powodujące jego płynięcie.
Rys. 3 Struktura wewnętrzna polimeru2.
2
Dla różnych typów materiałów, może zachodzić pełzanie sprężyste lub plastyczne (rys. 4).
Rys. 4 Rodzaj zjawiska pełzania dla różnych materiałów.
W przypadku pełzania sprężystego, powstałe odkształcenia po odciążeniu materiału
stopniowo zmniejszają się i znikają (rys. 5). Odcinek OA odpowiada natychmiastowemu
odkształceniu sprężystemu εs (jeżeli σ mniejsze od granicy sprężystości) na skutek przyrostu
obciążenia. Odcinek AB to odkształcenia pełzania εp. Po odciążeniu występuje nawrót
sprężysty czyli zmniejszenie odkształcenia εs o charakterze sprężystym (odcinek BC). Na
odcinku CD, odkształcenie εe zmniejsza się powoli w procesie nawrotu niesprężystego.
W przypadku pełzania plastycznego, po odciążeniu w materiale pozostają trwałe
odkształcenia plastyczne εt, nawrót niesprężysty nie powoduje całkowitego zaniku
odkształceń próbki (rys. 6).
Rys. 5 Pełzanie sprężyste.
3
Rys. 6 Pełzanie plastyczne.
Proces pełzania można podzielić na trzy etapy:
- etap I: okres pełzania nieustalonego, charakteryzujący się zmienną, malejącą prędkością
odkształceń,
- etap II: okres pełzania ustalonego dla którego prędkość odkształceń jest stała,
- etap III: okres pełzania nieustalonego, przyśpieszonego dla którego prędkość pełzania
zwiększa się, materiał ulega osłabieniu, aż do zniszczenia (powstania złomu).
Rys. 7 Krzywa pełzania.
4
W zastosowaniu praktycznym największe znaczenie mają okresy I i II, ponieważ bezpieczna
eksploatacja urządzeń może być prowadzona tylko w tych dwóch okresach.
Na podstawie danych uzyskanych z
następujących parametrów:
testów pełzania możliwe jest wyznaczenie
Wytrzymałość trwała na pełzanie – największe naprężenie, które nie spowoduje
rozerwania próbki po dowolnie długim czasie. Z powodu braku możliwości
doświadczalnego wyznaczenia wytrzymałości trwałej, stosuje się wielkości umowne
(czasowe) wytrzymałości na pełzanie RzTt i granicy pełzania RxTt.
Granica pełzania RxTt – iloraz stałego obciążenia FxTt przez przekrój początkowy
próbki S0, który po upływie określonego czasu t w ustalonej temperaturze T
spowoduje trwałe wydłużenie próbki o określoną wartość x%.
Wytrzymałość na pełzanie RzTt – iloraz stałego obciążenia FxTt przez przekrój
początkowy próbki S0, który po upływie określonego czasu t w ustalonej temperaturze
T doprowadzi do zerwania próbki.
Trwałość próbki – czas potrzebny do jej zniszczenia przy danym obciążeniu, w stałej
temperaturze.
Prędkość pełzania ustalonego - prędkość pełzania w etapie II pełzania (rys. 7):
=
( − )
− ,
gdzie: ε1 – odkształcenia na początku etapu pełzania ustalonego,
ε2 – odkształcenie na końcu etapu pełzania ustalonego.
Prędkość nawrotu - prędkość zmniejszania odkształcenia εr próbki po odciążeniu:
( − )
=
− ,
Rys. 8 Krzywa pełzania – zaznaczono zakres dla którego oblicza się prędkość nawrotu.
5
Moduł pełzania E(t) w chwili t.
=
Podatność na pełzanie J (t).
=
Cel i zakres ćwiczenia
Próby pełzania podczas rozciągania przeprowadza się poprzez umieszczenie badanej próbki
w stałej temperaturze oraz jej obciążenie stałą siłą rozciągającą. W określonych odstępach
czasu mierzy się wydłużenie trwałe próbki. Na podstawie wyników pomiarów sporządza się
wykres pełzania.
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie próby pełzania przy rozciąganiu próbki polimerowej
oraz wyznaczenie na jej podstawie:
•
•
Wykresu pełzania ε = f(t).
Odkształcenia sprężystego εs.
Odkształcenia pełzania εp.
Charakterystyki zmian modułu pełzania E(t) w czasie t: E(t) = f(log(t)).
Charakterystyki podatności na pełzanie Jt : = ().
•
•
•
Prędkości pełzania ustalonego vp.
Prędkości nawrotu vn.
Odkształceń trwałych εt po odciążeniu.
•
•
•
Literatura:
• Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrzymałość materiałów. Wydawnictwa NaukowoTechniczne, 2007.
• Instrukcja do laboratorium z Wytrzymałości Materiałów: Swobodne skręcanie prętów
kołowych. Politechnika Lubelska.
• Michał i Tadeusz Niezgodziński, Wytrzymałość materiałów, Warszawa, Wydawnictwa
Naukowe PWN, 2002.
1
http://www.immt.pwr.wroc.pl/~ziolek/Pliki/EW2%20defekty1%2002.10.2011_24W%20na
%20strone.pdf
2
http://www.immt.pwr.wroc.pl/~ziolek/Pliki/TW12%20Polimery%2004.05.2011.pdf
6