Dekohezja materiałów. Przedmiot: Degradacja i metody badań materiałów Wykład na podstawie materiałów prof. dr hab. inż. Jerzego Lisa, prof. zw.



Podobne dokumenty
30/01/2018. Wykład IX: Dekohezja. Treść wykładu: Dekohezja - wprowadzenie. 1. Dekohezja materiałów - wprowadzenie.

Wykład X: Dekohezja. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PĘKANIE. Dekohezja. Wytrzymałość materiałów. zniszczenie materiału pod wpływem naprężeń

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Nauka o Materiałach. Wykład VI. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste i plastyczne. Jerzy Lis

Nauka o Materiałach. Wykład IX. Odkształcenie materiałów właściwości plastyczne. Jerzy Lis

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

Wykład IX: Odkształcenie materiałów - właściwości plastyczne

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

σ c wytrzymałość mechaniczna, tzn. krytyczna wartość naprężenia, zapoczątkowująca pękanie

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

Nauka o Materiałach. Wykład IV. Polikryształy I. Jerzy Lis

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

Wykład IV: Polikryształy I. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Wyznaczanie odporności na pękanie tworzyw ceramicznych metodą nakłuć wgłębnikiem Vickersa

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE SPRĘŻYSTOŚĆ MATERIAŁ. Właściwości materiałów. Właściwości materiałów

Integralność konstrukcji

Nauka o Materiałach. Wykład I. Zniszczenie materiałów w warunkach dynamicznych. Jerzy Lis

Sylabus modułu kształcenia/przedmiotu

ANALIZA ROZDRABNIANIA WARSTWOWEGO NA PODSTAWIE EFEKTÓW ROZDRABNIANIA POJEDYNCZYCH ZIAREN

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA w elektronice

Mechanika Doświadczalna Experimental Mechanics. Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Materiałoznawstwo optyczne CERAMIKA OPTYCZNA

Kompozyty Ceramiczne. Materiały Kompozytowe. kompozyty. ziarniste. strukturalne. z włóknami

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

Integralność konstrukcji w eksploatacji

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

Integralność konstrukcji

Wewnętrzny stan bryły

CHARAKTERYSTYKA KOMPOZYTÓW Z UWZGLĘDNIENIEM M.IN. POZIOMU WSKAŹNIKÓW WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH, CENY.

Modele materiałów

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

Wyboczenie ściskanego pręta

Rys. I. Zależność odkształcenia od obciążenia dla różnych rodzajów ciał stałych: I odkształcenie sprężyste, II odkształcenie plastyczne

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: CIM s Punkty ECTS: 8. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

LINIOWA MECHANIKA PĘKANIA

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

30/01/2018. Wykład X: Właściwości cieplne. Treść wykładu: Stabilność termiczna materiałów

Analityczne Modele Tarcia. Tadeusz Stolarski Katedra Podstaw Konstrukcji I Eksploatacji Maszyn

Integralność konstrukcji

Wykład 8. Przemiany zachodzące w stopach żelaza z węglem. Przemiany zachodzące podczas nagrzewania

Wykład XI: Właściwości cieplne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Defi f nicja n aprę r żeń

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Polikryształy Polikryształy. Polikryształy podział

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: CTC s Punkty ECTS: 8. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

WPŁYW WŁÓKIEN ARAMIDOWYCH FORTA-FI NA WŁAŚCIWOŚCI MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH

WYTRZYMAŁOŚĆ RÓWNOWAŻNA FIBROBETONU NA ZGINANIE

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 7

Rys Przykładowe krzywe naprężenia w funkcji odkształcenia dla a) metali b) polimerów.

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Wykład V: Polikryształy II. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Właściwości cieplne Stabilność termiczna materiałów. Stabilność termiczna materiałów

Odporność na zmęczenie

11. WŁASNOŚCI SPRĘŻYSTE CIAŁ

30/01/2018. Wykład V: Polikryształy II. Treść wykładu (część II): Krystalizacja ze stopu. Podstawowe metody otrzymywania polikryształów

Wykład XV: Odporność materiałów na zniszczenie. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Wstęp do astrofizyki I

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

Termodynamiczne warunki krystalizacji

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ŻELAZA. Cz. II. Przemiany austenitu przechłodzonego

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

SKURCZ BETONU. str. 1

MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Materiały Reaktorowe. Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych c.d.

Materiały do wykładu na temat Obliczanie sił przekrojowych, naprężeń i zmian geometrycznych prętów rozciąganych iściskanych bez wyboczenia.

STRUKTURA IDEALNYCH KRYSZTAŁÓW

MATERIAŁOZNAWSTWO. dr hab. inż. Joanna Hucińska Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 128 (budynek Żelbetu )

30/01/2018. Wykład XIV: Odporność materiałów na zniszczenie. Treść wykładu: Zmęczenie materiałów

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 4

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ PŁ LABORATORIUM TECHNOLOGII POWŁOK OCHRONNYCH ĆWICZENIE 2

Czym jest prąd elektryczny

BIOMECHANIKA KRĘGOSŁUPA. Stateczność kręgosłupa

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

Badania materiałów budowlanych

Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

MATERIAŁOZNAWSTWO. Prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 204

Struktura materiałów. Zakres tematyczny. Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD / dr inż. Maciej Motyka.

Transkrypt:

Dekohezja materiałów Przedmiot: Degradacja i metody badań materiałów Wykład na podstawie materiałów prof. dr hab. inż. Jerzego Lisa, prof. zw. AGH

Nauka o Materiałach Treść wykładu: 1. Dekohezja materiałów - wprowadzenie. 2. Wytrzymałość materiałów - definicje inżynierskie. 3. Wytrzymałość teoretyczne kryształów. 4. Wytrzymałość materiałów rzeczywistych 4.1. Wpływ defektów, teoria Grifitha 4.2. Odporność na pękanie 4.3. Energia pękania 4.4. Mikrostruktura a energia pękania materiałów. 5. Statystyczna teoria wytrzymałości

Wprowadzenie Dekohezja zniszczenie materiału pod wpływem naprężeń pękanie zmęczenie udar skrawanie

Wytrzymałość materiałów Typowo dla materiałów ceramicznych 10-20 x R m rozc. = R m ścisk.

Wytrzymałość materiałów f = M/W ; M - moment gnący; W - wskaźnik przekroju. Wytrzymałóśc na zginanie jest podstawowym testem wytrzymałościowym dla materiałow ceramicznych (kruchych)

Wytrzymałość materiałów Wytrzymałość - maksymalne naprężenie jakie może przenieść materiał do zniszczenia Wytrzymałość wyznaczana jest w standardowych (normowych) warunkach zniszczenia materiału.

Wytrzymałość teoretyczna kryształów F sin x dla małych odkształceń sin x x czyli = E ; [ = (r-ro)/ro] Zakładamy że zjawisko przebiega w jednostkowym elemencie objętości r o 3 W chwili zniszczenia (rozerwania) układu atomów gęstość energii sprężystej wykonanej przez siły zewnętrzne: w 1 = (1/2) t = (1/2) t 2 /2E Całkowita energia sprężysta W 1 = w r o 3

Wytrzymałość teoretyczna kryształu Energia ta zostaje zużyta na wytworzenie dwu nowych powierzchni W 2 = 2 r 2 o Porównując obie energie otrzymujemy: r 3 o (1/2) 2 t /2E = 2 r 2 o stąd t = [2E / r o ] 1/2 t = E/(10-15) Jest to maksymalna (teoretyczna) wartość wytrzymałości materiałów

Wytrzymałość rzeczywista materiałów Porównanie teoretycznej wytrzymałości materiału z wyznaczanymi eksperymentalnie wielkościami wytrzymałości na rozciąganie wskazują, że rzeczywista wytrzymałość jest 10-100 razy mniejsza

Wytrzymałość rzeczywistych materiałów Wpływ szczeliny W każdym rzeczywistym materiale występują defekty makroskopowe jak: pory, szczeliny, wady na powierzchni. Teoria Griffith a Na wierzchołku szczeliny następuje koncentracja (zwielokrotnienie) naprężeń. max = (1 + 2c/b) = (1 + 2(c/ ) 1/2 ) = 2(c/ ) 1/2 zniszczenie nastąpi gdy max = t

Wytrzymałość rzeczywistych materiałów Wpływ szczeliny A. dla szczeliny = [E /2c r o ] 1/2 B. dla krzywizny rzędu stałej sieciowej = 2 r 0 / czyli = [E / c] 1/2 Jest to zależność jak została także wyprowadzona z warunków energetycznych przez Griffith a (model Griffith a) dla warunku zapoczątkowania katastroficznego kruchego pękania materiału W tych warunkach w materiale rozpoczyna się niekontrolowane rozprzestrzenianie szczeliny o wielkości krytycznej c tzn. kruche pękanie.

Kruche pękanie materiałów Układ naprężeń przy rozprzestrzenianiu się szczeliny Najbardziej niebezpieczne dla pękania jest przypadek I gdy występuje płaski stan odkształceń (PSO) przy przestrzennym stanie naprężeń

Kruche pękanie materiałów Równanie Griffith a można zapisać w postaci: ( c) 1/2 = (E /) 1/2 I. Wielkość ( c) 1/2 nazywana jest współczynnikiem intensywności naprężeń Kc Ogólnie K c = Y ( c) 1/2 [ MN/m 3/2 ] Y - stała zależna od stanu naprężeń II. Jeżeli wartość ( c) 1/2 osiągnie pewną wartość krytyczną równą (E /) 1/2 odpowiadającą sytuacji, gdy przekroczona jest na wierzchołku szczeliny wytrzymałość teoretyczna materiału zależną to rozpoczyna się kruche zniszczenie materiału. Tak więc dla materiału który pęka w sposób kruchy o jego wytrzymałości decyduje wytrzymałość teoretyczna (materiału litego) oraz wielkość występującego defektu. Ta wartość krytyczna (maksymalna) współczynnika intensywności naprężeń zwana jest odpornością na kruche pękanie K IC

Odporność na kruche pękanie K IC jest wielkością stała charakterystyczną dla danego tworzywa. zależy od stałych materiałowych: K IC = (E /) 1/2 [ kj/m 2 ] - energia pochłaniana w czasie powstawania pękania niszczącego materiał zwana energią pękania Jest to bardzo ważny parametr decydujący o wytrzymałości tworzyw kruchych (zwłaszcza ceramicznych) Zwana także wiązkością lub krytyczną szybkością uwalniania energii

Odporność na kruche pękanie

Energia pękania tworzyw Wielkością decydującą o odporności materiału na kruche zniszczenie jest efektywna energia pękania Energię pękania podwyższają wszystkie procesy pochłaniania energii w toku pękania np. gdzie: - energia powierzchniowa ef = + p + r + pf + i p - energia odkształcenia plastycznego r - energia powstawania dodatkowych spękań pf - energia pochłaniana w toku przemian fazowych i - wszelkie inne procesy pochłaniania energii

Energia pękania tworzyw Typy przełamu w toku pękania

Energia pękania Przykłady mechanizmów podwyższania energii pękania (tym samym odporności na pękanie i wytrzymałości)

Energia pękania A. Wpływ granic ziarn Mechanizm Cooke a - Gordona Szczelina napotykając granicę międzyziarnową o wytrzymałości mniejszej od 1/5 wytrzymałości ziarna wywołuje spękanie granicy, zmianę kierunku penetracji i dodatkowe spękanie. Podwyższa to energię pękania. Energia pękania polikryształu jest większa od energii pękania monokryształu (przykład tworzyw szkło - krystalicznych).

Energia pękania B. Hamowanie pękania w kompozytach włóknistych Po dojściu spękania do słabej granicy włókno-osnowa następuje rozwarstwienie granicy i następnie mostkowanie spękania przez bardziej wytrzymałe włókno i ewentualnie wyciąganie włókien z osnowy. Mechanizmy te powodują podwyższenie energii pękania kompozytu.

Energia pękania C. Hamowanie pękania wskutek przemian fazowych wtrąceń ziarnistych Przykład: Spiek PZT (Polikryształ regularnej odmiany ZrO 2 z wtrąceniami tetragonalnej odmiany ZrO 2 ) Przy dochodzeniu spękania do wtrącenia następuje przemiana fazowa związana zew zwiększeniem się objętości. Dochodzi do: pochłaniania energii wskutek powstawania sieci spękań Sumarycznie wzrasta energia pękania i odporność na kruche pękanie Wytrzymałość PZT do 1 GPa zaś K IC do 15 MN/m 3/2

Wpływ porowatości na wytrzymałość Wytrzymałość materiałów ulega obniżeniu wraz ze wzrostem porowatości i zależy od kształtu porów. Zależności mają postać podobną do tych, które opisują moduł Younga. W przybliżeniu, wychodząc z prawa mieszanin i zakładając zjawisko koncentracji naprężeń: = o ( 1-kV p ) o - wytrzymałośc materiału bezporowatego V p - udział objętościowy porów k - współczynnik koncentracji Zależności te można przybliżać równiami empirycznymi np. postaci = o exp (-bv p ) = o [ 1-AV p - B(V p ) 2 -...]

Zależność wytrzymałości od wielkości ziaren W polikryształach ceramicznych (pękanie kruche) możliwy jest zróżnicowany mechanizm pękania z przewagą pękania po granicach ziaren (międzyziarnowego) lub poprzez ziarna (transziarnowego). Dla typowych polikryształów jednofazowych charakter pękania zmienia się z wielkością ziaren: dla małych ziaren przeważa pękanie międzyziarnowe a dużych poprzez ziarna. I. Lokalne pękanie międzyziarnowe powoduje zwiększenie energii pękania i energia ta rośnie z wielkością ziaren. II. Pękanie poprzez ziarna wiąże się podwyższaniem energii pękania wskutek występowania mechanizmu Cooke a-gordona skutek którego jest mniejszy wraz ze wzrostem wielkości ziaren. Sumarycznie często występuje ekstremum energii pękania = wytrzymałości polikryształu dla pewnej wielkości ziaren.

Statystyczna teoria wytrzymałości Jeżeli o wytrzymałości materiałów decydują obecne w materiale defekty krytyczne to poszczególne próbki mogą charakteryzować się znacznym rozrzutem wartości. Aspekty te uwzględnia statystyczna teoria wytrzymałości Weibulla

Założenia: Statystyczna teoria wytrzymałości 1. Materiał posiada charakter izotropowy i posiada statystyczny rozkład defektów 2. Prawdopodobieństwo znalezienia defektu o wielkości krytycznej jest w całej objętości materiału identyczne 3. materiał ma charakter kruchy a jego zniszczenie następuje wskutek rozprzestrzeniania się defektu krytycznego 4. Liczba defektów w materiale jest duża Wg. teorii Weibulla prawdopodobieństwo przetrwania (nie zniszczenia) próbek o danej objętości jednostkowej Vo pod działaniem naprężenia określone jest zaleznością: gdzie: P(V o ) =exp[-v o ( / o ) m ] m - stała Weibulla charakterystyczna dla danego materiału o - wielkość charakterystyczna dla której P =1/e(=37%)

Statystyczna teoria wytrzymałości Im większa stała Weibulla tym materiał ma mniejszy rozrzut wytrzymałości. Dla m= krzywa ma charakter schodkowy lim exp[-( / o ) m ] = 1 i lim exp[-( / o ) m ] = o - o + Zależności Weibulla można przedstawić także opisując prawdopodobieństwo zniszczenia próbek i wprowadzając wielkość progową u poniżej której nie można zniszczyć próbek. p(v o ) = 1- exp{-v o [( - u )/ o ] m } dla > u p(v o ) = 0 dla < u

Statystyczna teoria wytrzymałości Przykłady wartości stałej Weibulla:

Statystyczna teoria wytrzymałości Zależność wytrzymałości materiałów kruchych od objętości Z teorii Weibulla wynika, że przy jednakowym prawdopodobieństwie zniszczenia wytrzymałość dla danego materiału zależy odwrotnie od objętości badanej próbki: 1 / 2 = (V 2 /V 1 ) 1/m Przykład: relacja pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie a wytrzymałością na zginanie dla materiałów kruchych

Statystyczna teoria wytrzymałości Podniesienie wytrzymałości próbek metodą testów próbnych (proof testing) Dla wyeliminowania możliwości występowania wadliwych próbek wszystkie próbki poddaje się działaniu naprężenia większego od naprężenia w warunkach pracy. Następuje zniszczenie części próbek - pozostające posiadają wyższe prawdopodobieństwo przetrwania.