Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

Transkrypt

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO

2 Zniszczenie materiału w wyniku nagłego pękania Zniszczenie materiału polega na ruchu lokalnego pęknięcia w materiale aż do rozdzielenia go na dwie części. Istniejące pęknięcia nagle stają się niestabilne i pękanie zachodzi z prędkością dźwięku.

3 Nagłe pękanie materiału Głównie naprężenia rozciągające szczególnie zmęczeniowe

4 Co dzieje się w czasie pękania? Zapoczątkowanie pęknięcia (chociaż najczęściej pęknięcia nie muszą być inicjowane, ponieważ istnieją w każdym materiale). Propagacja pęknięcia.

5 Warunek inicjacji nagłego pęknięcia: a EG c σ naprężenie a długość pęknięcia E moduł Younga G c wiązkość materiału (krytyczna szybkość uwalniania energii) energia wydatkowana na utworzenie jednostki pola pęknięcia [kj/m 2 ] a K K współczynnik intensywności naprężeń

6 gdy osiąga wartość c przy którym następuje rozprzestrzenianie pęknięcia to: K IC EG c f a G c K 2 IC E

7 Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998 Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń K Ic jest miarą oporu materiału przeciw propagacji pęknięcia. Naprężenia niszczące materiał kruchy zawierający karb o długości 2a wynosi f.

8 Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń Ashby M.F., Jones D.R.H.. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996

9 Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń, K 1c w zestawieniu z gęstością ρ. Linie przewodnie odpowiadające stałej wartości wskaźników K Ic lp. K Ic 2/3 lp, K Ic 1/2 lp itd. są pomocne w projektowaniu lekkich konstrukcji z uwzględnieniem ich odporności na kruche pękanie Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

10

11 Klc i moduł Younga E. Rodzina linii równoległych ma stałe wartości KIC 2/E. Wraz z liniami przewodnimi Klc/E = C są one pomocne w projektowaniu wyrobów i konstrukcji z uwzględnieniem niebezpieczeństwa ich nagłego pęknięcia. Zacienione pasmo wyznacza dolny zakres wartości współczynnika KIc. W rzeczywistości pęknięcie może wystąpić poniżej tej granicy wskutek dodatkowych czynników, takich jak korozja lub cykliczne obciążenia. Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

12 Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń K Ic, w zestawieniu z wytrzymałością σ f. Linie przerywane wyznaczają wartości K Ic 2 / σ f 2, tzn. przybliżoną średnicę strefy odkształcenia w sąsiedztwie wierzchołka szczeliny. Linie przewodnie umożliwiają dobór materiałów na bezpieczne konstrukcje. Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

13 Przykład projektowania za uwzględnieniem naprężeń i dopuszczalnej wielkości szczeliny Dla materiału K IC = 26 MPa m 1/2 Dwa warianty projektu A: Maksymalna dopuszczalna długość szczeliny a = 9mm, f = 112 MPa B: Maksymalna dopuszczalna długość szczeliny a = 4mm, f =? Kc f f a const Y Y K c a max A B A a f f 168MPa B a Większe korzyści przynosi ograniczenie dopuszczalnej wielkości szczeliny

14 Poszycie dolnej części skrzydła samolotu

15 Masa niska - ρ Wymagania wobec materiału na poszycie skrzydła samolotu: Wytrzymałość wysoka - σ f Sztywność wysoka - E Odporność na nagłe pękanie wysoka K Ic Wytrzymałość zmęczeniowa - wysoka Cel: Dobór optymalnego materiału

16 Uwaga: Stosuje się stopy aluminium na zewnętrzną warstwę skrzydła. Przestrzeń wewnętrzna tej sekcji będzie wykorzystana do wbudowania zbiorników paliwa. Element ma formę płyty o założonej długości i szerokości

17 Obciążenie i założone wymiary długość skrzydła - l: 400 cali ( 10,16 m) szerokość - a: 50 cali ( 1,27 m) grubość płyty poszycia b do ustalenia przenoszone obciążenie rozciągające F: funtów ( 2,22 MN)

18 Minimalizacja masy m = l a b f = F/ a b m = F l / f m min jeżeli M = f / max Można się posłużyć wykresem f -

19

20 Wytrzymałość zmęczeniowa i gęstość. Jakie materiały są odporne na zmęczenie i lekkie?

21 Materiały stosowane w budowie samolotów Stop * σ f [MPa] ρ [Mg/m 3 ] m [Mg] 7075-T ,8 0, T ,8 0, T ,8 0, T ,78 0,146 Ti-6Al-4V 827 4,43 0, M ,83 0,114 Który z nich gwarantuje najniższą masę (m) skrzydła? * 7075-T651 do 2324-T39 są to stopy Al; Ti-6Al-4V to stop tytanu; 4340M to stal wysokiej wytrzymałości odporna na korozję.

22 stop Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al inne Stopy aluminium - charakterystyka reszta reszta reszta reszta 0.15 Stop tytanu - charakterystyka C Fe N O Al V Ti Ti-6Al-4V reszta

23 Stop ODPORNOŚĆ NA NAGŁE PĘKANIE σ f [MPa] K IC [MPa m 1/2] 2a krytyczna długość pęknięcia [m] (mm) 7075-T ,015 (15) 7055-T ,2 0,016 (16) 2024-T ,9 0,14 (140) 2324-T ,04 0,084 (84) Ti-6Al-4V ,025 (25) 4340M ,003 (3)

24 σ f K Ic dla stopów aluminium stosowanych w budowie samolotów. Minimalne wymagania to: σ f = 400 MPa K Ic = 30 MPa m ½

25 Jak duże mikropęknięcie może być wykryte w trakcie rutynowej inspekcji (nieniszczące metody badań terenowych)? Boeing stwierdził, że nie jest możliwe wykrycie bardzo małych mikropęknięć podczas inspekcji dolnego poszycia skrzydła. Łatwe do wykrycia są pęknięcia o długości 0,5 mm. Jak zmienia się masa pokrycia, gdy uwzględnić pęknięcie o długości maksimum a = 0,5 mm?

26 Masa skrzydła (m) przy uwzględnieniu szczeliny stop K IC [MPa m 1/2] σ f [MPa] dla pęknięcia 2a=0,5mm m [Mg] 7075-T , T ,2 233,46 0, T ,9 387,35 0, T39 159, ,160 Ti-6Al-4V , M ,285 Który materiał zapewnia najniższą masę przy odporności na pękanie?

27 Jakie są dodatkowe wymagania w odniesieniu do materiału? EFEKTYWNOŚĆ KOSZTOWA Zastosowanie materiału 2324-T39 lub stopu Al-Li pozwala zredukować masę o 4% Zastosowanie kompozytu zapewnia redukcję masy o 25%

28 Polecenie. Rozważyć w przypadku jakich konstrukcji, odporność materiału na nagłe pękanie ma podstawowe znaczenie?