Mechanika i wytrzymałość materiałów - instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego: Wprowadzenie PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH Opracowała: mgr inż. Magdalena Bartkowiak-Jowsa 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 długotrwałego działania stałego obciążenia, w stałej temperaturze. Powstałe 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 ziaren 1. 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 polimeru 2. 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 ε s (jeżeli σ mniejsze od granicy sprężystości) na skutek przyrostu obciążenia. Odcinek AB to odkształcenia pełzania ε p. Po odciążeniu występuje nawrót sprężysty czyli zmniejszenie odkształcenia ε s o charakterze sprężystym (odcinek BC). Na odcinku CD, odkształcenie ε e zmniejsza się powoli w procesie nawrotu niesprężystego. W przypadku pełzania plastycznego, po odciążeniu w materiale pozostają trwałe odkształcenia plastyczne ε t, 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 R ztt i granicy pełzania R xtt. Granica pełzania R xtt iloraz stałego obciążenia F xtt przez przekrój początkowy próbki S 0, który po upływie określonego czasu t w ustalonej temperaturze T spowoduje trwałe wydłużenie próbki o określoną wartość x%. Wytrzymałość na pełzanie R ztt iloraz stałego obciążenia F xtt przez przekrój początkowy próbki S 0, 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: ε 1 odkształcenia na początku etapu pełzania ustalonego, ε 2 odkształcenie na końcu etapu pełzania ustalonego. Prędkość nawrotu - prędkość zmniejszania odkształcenia ε r 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 ε s. Odkształcenia pełzania ε p. Charakterystyki zmian modułu pełzania E(t) w czasie t: E(t) = f(log(t)). Charakterystyki podatności na pełzanie J t : = ( ). Prędkości pełzania ustalonego v p. Prędkości nawrotu v n. Odkształceń trwałych ε t po odciążeniu. Literatura: Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrzymałość materiałów. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, 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