Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO
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.
Nagłe pękanie materiału Głównie naprężenia rozciągające szczególnie zmęczeniowe
Co dzieje się w czasie pękania? Zapoczątkowanie pęknięcia (chociaż najczęściej pęknięcia nie muszą być inicjowane, ponieważ istnieją w każdym materiale). Propagacja pęknięcia.
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
gdy osiąga wartość c przy którym następuje rozprzestrzenianie pęknięcia to: K IC EG c f a G c K 2 IC E
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.
Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń Ashby M.F., Jones D.R.H.. Materiały inżynierskie - Właściwości i zastosowania - tom 1. WNT, Warszawa 1996
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
http://www.grantadesign.com
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
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
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
Poszycie dolnej części skrzydła samolotu
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
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
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: 500 000 funtów ( 2,22 MN)
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 -
http://www.grantadesign.com
Wytrzymałość zmęczeniowa i gęstość. Jakie materiały są odporne na zmęczenie i lekkie? http://www.grantadesign.com
Materiały stosowane w budowie samolotów Stop * σ f [MPa] ρ [Mg/m 3 ] m [Mg] 7075-T651 476 2,8 0,133 7055-T7751 593 2,8 0,108 2024-T351 331 2,8 0,191 2324-T39 427 2,78 0,146 Ti-6Al-4V 827 4,43 0,121 4340M 1558 7,83 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.
stop Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al inne 7075 0.40 0.50 1.2 2.0 7055 0.30 0.49 1.2 2.6 2024 0.50 0.50 3.8 4.9 2324 0.10 0.12 3.8 4.4 Stopy aluminium - charakterystyka 0.30 2.1 2.9 0.18 0.28 0.05 0.4 0.3 0.9 0.3 0.9 1.8 3.0 0.05 0.3 5.1 6.1 0.20 reszta 0.15 7.0 11. 0 0.01 0.2 reszta 0.16 1.2 1.8 0.10 0.25 0.15 reszta 0.15 1.2 1.8 0.10 0.25 0.15 reszta 0.15 Stop tytanu - charakterystyka C Fe N O Al V Ti Ti-6Al-4V 0.08 0.25 0.05 0.20 5.50-6.75 3.5-4.5 reszta
Stop ODPORNOŚĆ NA NAGŁE PĘKANIE σ f [MPa] K IC [MPa m 1/2] 2a krytyczna długość pęknięcia [m] (mm) 7075-T651 476 75 0,015 (15) 7055-T7751 593 95,2 0,016 (16) 2024-T351 331 157,9 0,14 (140) 2324-T39 427 159,04 0,084 (84) Ti-6Al-4V 827 168 0,025 (25) 4340M 1558 112 0,003 (3)
σ f K Ic dla stopów aluminium stosowanych w budowie samolotów. Minimalne wymagania to: σ f = 400 MPa K Ic = 30 MPa m ½ http://aluminium.matter.org.uk
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?
Masa skrzydła (m) przy uwzględnieniu szczeliny stop K IC [MPa m 1/2] σ f [MPa] dla pęknięcia 2a=0,5mm m [Mg] 7075-T651 75 184 0,343 7055-T7751 95,2 233,46 0,273 2024-T351 157,9 387,35 0,163 2324-T39 159,04 390 0,160 Ti-6Al-4V 168 412 0,243 4340M 112 620.8 0,285 Który materiał zapewnia najniższą masę przy odporności na pękanie?
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%
Polecenie. Rozważyć w przypadku jakich konstrukcji, odporność materiału na nagłe pękanie ma podstawowe znaczenie?