Henry Kaiser Hoover Dam 1 Henry Kaiser 2

Henry Kaiser, Hoover Dam 1

Henry Kaiser, 2

Houževnatost 3

Tranzitní lomové chování ocelí Základní pojmy l Může vzniknout štěpný lom oceli při zkoušce tahem? l Co má vliv na tranzitní teplotu oceli Ø z hlediska podmínek zatěžování ? Ø z hlediska struktury ? l 4

Základní pojmy Odolnost materiálu vůči porušení = houževnatost Lom je HOUŽEVNATÝ Energetické hledisko KŘEHKÝ 5

Základní pojmy Kovové materiály s fcc mřížkou o typu lomu nerozhoduje teplota l Čisté kovy – lomu vždy předchází plastická deformace a tedy lom bude houževnatý l Slitiny – zablokování dislokací – lom bude křehký (např. zvonovina) 6

Základní pojmy Kovové materiály s hcp mřížkou o typu lomu rozhoduje teplota l Malý počet skluzových systémů – lom je zpravidla křehký – pouze za zvýšených teplot je možné vyvolat plastickou deformaci 7

Základní pojmy Kovové materiály s bcc mřížkou - železo o typu lomu rozhoduje teplota, rychlost zatěžování a napjatost (tloušťka stěny, vruby) Při vyšších teplotách je zpravidla lom houževnatý, za nízkých teplot lom křehký. Změna charakteru lomu vlivem poklesu teploty se označuje pojmem tranzitní lomové chování ocelí a teplota tranzitu (přechodu) je tranzitní teplota. 8

Základní pojmy Při havárii se prohlíží lomová plocha - FRAKTOGRAFIE Typ lomu se rozlišuje podle mechanismu, jakým vznikl: Předchází-li lomu plastická deformace nebo též přetvoření – mluvíme o tvárném lomu Nepředchází-li lomu významná makro-plastická deformace, pak se lom šíří po hranicích zrn nebo v krystalografických rovinách – mluvíme o štěpném lomu 9

Základní pojmy Lom je HOUŽEVNATÝ Energetické hledisko KŘEHKÝ 10

Základní pojmy l Nízkoenergetický l Křehký l Houževnatý Interkrystalický Transkrystalický Lom je TVÁRNÝ Z hlediska ŠTĚPNÝ mechanismu 11

Tvárný lom čisté kovy slitiny 12

Tvárný lom 13

Štěpný - interkrystalický 14

Štěpný - interkrystalický 15

Štěpný - transkrystalický 16

Štěpný - transkrystalický 17

Štěpný - transkrystalický 1 mm 10 mm 18

Štěpný - transkrystalický 1 mm 10 mm 19

Štěpný - transkrystalický 20

Základní pojmy Kdy dojde u dané konkrétní oceli ke změně charakteru lomu (havárii) rozhodují: l Podmínky zatěžování: teplota, rychlost a tvar součásti (napjatost, přítomnost vrubů) l Struktura oceli (chemické složení, velikost zrna, další strukturní součásti) 21

Tranzitní lomové chování Změna charakteru lomu oceli – z tvárného lomu na lom štěpný v závislosti na poklesu teploty. 22

Tranzitní lomové chování J % tv. l. °C 23

Tranzitní lomové chování Změna charakteru lomu oceli – z tvárného lomu na lom štěpný v závislosti na poklesu teploty. Jak zabránit havárii ocelové svařované konstrukce křehkým lomem - filosofie zastavení trhliny – tranzitní teplota - filosofie zabránění iniciace lomu – lomová mechanika 24

25

Tranzitní lomové chování Ø Z Ø σfr Ø Rm Ø Re 26

Tranzitní lomové chování Nízkouhlíková ocel – změna tahového diagramu v rozmezí teplot 20°C až – 269°C 27

Kritické lomové napětí Tranzitní lomové chování t. B – teplota křehkosti t. D – teplota tvárnosti A. B. C. D. E. F. Tvárný lom (houževnatý) Smíšený lom Štěpný lom Křehký lom 28

Kritické lomové napětí Ocel Re/Rm při +20°C d (mm) CF (MPa) 11 368 11 523 13 030 248 /377 335 / 531 317 / 482 0, 024 0, 019 0, 015 880 920 1030 Nejnižší lomové napětí v celé přechodové křivce při (kritické) teplotě křehkosti t. B jeho velikost závisí na typu oceli (struktuře) – materiálová charakteristika s fyzikálním významem je menší než teoretická pevnost - neodpovídá tedy teorii (viz minulá přednáška) 29

Kritické lomové napětí - štěpení Štěpný lom nevzniká v oblasti elastických deformací - lomu vždy předchází plastická deformace (dolní/horní mez kluzu, dvojčatění) První podmínka nutná pro vznik štěpného lomu je plastická deformace (není to však podmínka postačující !) 30

Kritické lomové napětí - štěpení K růstu zárodku štěpné mikrotrhliny je nutné tahové napětí určité velikosti. Druhá podmínka vzniku štěpného lomu (šíření zárodků špětné trhliny) dosažení kritického lomového napětí. G kritické lomové napětí je menší než kohezivní (teoretická) pevnost G hodnota σCF závisí na struktuře oceli G lomy nukleačně a propagačně kontrolované 31

Problém !!! Lodě Liberty praskaly za teplot blízkých teplotě normální a ne za teploty kapalného dusíku. PROČ ? VYSVĚTLENÍ: Nárůst tahového napětí na hodnotu kritického lomového napětí je možný jednak - Zvýšením rychlosti zatěžování - Přítomností vrubů 32

Vliv rychlosti zatěžování Rychlost zatěžování posouvá tranzitní teplotu křehkosti směrem k vyšším teplotám ! N A S rostoucí rychlostí zatěžování můžeme očekávat zkřehnutí oceli P Ě T Í TEPLOTA 33

Vliv vrubů Přítomnost vrubů → napjatost Teoretický součinitel koncentrace napětí kt = vyjadřuje lokalizaci napětí v kořeni vrubu při elastické deformaci Plastický součinitel koncentrace napětí vyjadřuje lokalizaci napětí v kořeni vrubu při lokální plastické deformaci 34

Vliv vrubů lokální plastická deformace vs. makroplastická deformace Zatížení tělesa s vrubem 35

36

Vliv vrubů napětí v kořeni vrubu při lokální plastické deformaci Zatížení tělesa s vrubem např. je-li ω → 0, pak v plastické zóně působí tahové napětí, jehož velikost může být téměř 3 x větší než Re. K navýšení dochází v důsledku existence složky napětí σz= 1/2 (σx+ σy) ve směru tloušťky. plastický součinitel koncentrace napětí závisí na tloušťce stěny a tedy na σz. pro tenký plech platí podmínky rovinné napjatosti, σz≈ 0 37

Kritické lomové napětí vliv teploty na lomové chování těles s ostrým vrubem 38

Kritické lomové napětí určuje odolnost oceli vůči křehkému lomu nejen při jednoosém tahu ale i v případě součástí s vruby (trhlinami). Vysvětlení: při síle F (Fi>F>FGY) existuje pod vrubem malá plasticky deformovaná oblast, ve které působí tahové napětí σy , které je větší, případně rovno kritickému lomovému napětí σCF. 39

Vliv struktury na TLCh 40

Vliv legujících prvků na TLCh Co Ni 41

Nelegované konstrukční oceli - TLCh Ocel Re T 27 J (°C) (MPa) Neleg Mn - C 200 – 400 -40 až – 10 Mikroleg NŽ 250 – 520 350 – 650 -80 až - 11 523; 11 20 503 -80 až 20 Mikroleg ŘV Kalicí lis (bainit) 11 378 550 – - 60 až + 820 20 42

Nízkolegované oceli k zušlechtění - TLCh l prac. teploty – 50°C až – 150°C l legury 1, 5% Ni, 0, 15% Cr, 0, 1% Mo l 13 221, 16 222, 16 370 43

Vysokolegované oceli - TLCh l Kryogenní teploty -150°C až -196°C l nízkouhlíkový martenzit (0, 04 až 0, 14)%C, (5 až 13)% Ni l Podskupinu tvoří oceli typu COR 13/4; 13/6 (Cr/Ni) 44

Austenitické oceli l mají fcc strukturu a tedy nemají tranzitní lomové chování l Cr-Ni austenitické oceli (18 – 20)% Cr, (8 – 14)% Ni 17 241 až 17 341 l Mn-Cr austenitické oceli (18 – 22)% Mn, (9 – 14)% Cr 17 481 45

Houževnatost i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie) ii. (Empirické) zkoušky houževnatosti (Charpy, TNDT) iii. Lineárně-elastická lomová mechanika (Irwin, zkoušky lomové houževnatosti) iv. Elasto-plastická lomová mechanika (zkoušky, interpretace, podmínky šíření trhliny) 46