Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
MAGASÉPÍTÉSI ACÉLSZERKEZETEK
5. Az acélszerkezetek méretezésének különleges
kérdései: rideg törés, fáradás.
FERNEZELYI SÁNDOREGYETEMI TANÁR
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az acél szakító diagrammja
• Lineáris szakasz• Arányossági
határnak• Folyási határ (f0)• Folyás• Felkeményedés• Kontrakció• Szakító
szilárdság (fu)• Szakadó nyúlásBME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
∫== dsFLE
Átalakítással, a fentiből, megkapjuk a belső erők (feszültségek) fajlagos munkáját:
∫= εσ dVL
Az anyag ellenállást a törésig bekövetkező energia felvétel jellemzi.Ez az a munka, amit a ható erő (F) végez elmozdulás (ds)
formájában az anyagon a törés bekövetkeztéig:
A törési munkát a feszültség alakváltozás diagramm alatti terület mutatja meg.Acél anyag esetén ez, a jó képlékeny tulajdonságoknak köszönhetően nagy. Az anyag szívós (nem rideg).
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az anyag viselkedése dinamikus terhelés
hatásáraA szívósság vizsgálata
Az anyagok lehetnek:• szívósak, • képlékenyek és • ridegek.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Szívós vagy képlékeny anyag
a törést jelentős nagyságú maradó alakváltozás előzimeg, ami sok energiát emészt fel. A töretfelület szakadozott, tompa fényű
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Rideg, nem képlékeny törésA rideg, nem képlékeny
törés esetében a törést nagyon kicsi vagy semmi maradóalakváltozás sem előzi meg, és viszonylag kevés energiát kell befektetni az anyag eltöréséhez.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A törés folyamata
• repedés keletkezéséből • a repedés terjedéséből, majd • az anyag végső szétválásából áll. A repedésterjedés lehet
lassú, ilyen a kúszás és kifáradás, vagy a terhelés növelése mellett bekövetkező szívós
törés illetve gyors, instabil, ami alakváltozás nélküli rideg
töréshez vezetBME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Mitől függ egy anyag töréssel szembeni viselkedése?
függ magától az anyagtól, • annak állapotától (összetétel, mikroszerkezet),de jelentős mértékben függ az un. állapottényezőktől, • a hőmérséklettől, • a feszültségállapot jellegétől és • az igénybevétel sebességétől
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az anyag és annak állapota 1
Rideg törésre rendkívül hajlamosak a • Kovalens vagy ionos kötéssel rendelkező anyagok,
(alacsony kristály szimmetria)pl. kerámiák, rideg kompozitok, nagyszilárdságú
acélok, pl. edzett szerszámacélok, hexagonális rácsszerkezetű fémek, mint pl. a magnézium. Bennük a legkisebb hiba is beindíthatja a rideg töréstBME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az anyag és annak állapota 2
Szívós anyagok• fémek lapközepes köbös szerkezettelpl. az alumínium vagy a réz, a polimerek jelentős része alakváltozásra hajlamos,
még nagy méretű hibák mellett is szívósan viselkednek.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni
viselkedésére• a hőmérséklet csökkenése a rideg törést segíti elő,
mert akadályozza a képlékeny alakváltozást.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni
viselkedésére
• A feszültség állapot– három tengelyű nyomás elősegíti a képlékeny
alakváltozást.– a három tengelyű húzás, minden anyag
esetében rideg törést eredményez .Ugyancsak a rideg törést segíti elő a többtengelyű feszültségi állapot, a bemetszések, a belső anyaghibák.BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az állapottényezők hatása az anyagok terheléssel szembeni
viselkedésére
• Az igénybevétel sebességének növelése bizonyos tartományon belül a ridegséget segíti elő, hiszen az alakváltozás a diszlokációk mozgása, és ahhoz idő kell.
• Nagyon nagy alakítási sebességek esetén a fémek képlékenyen viselkednek.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Ridegtörési problémák
• Az olyan anyagok, mint az acélok bizonyos körülmények között ridegen törhetnek. A jelenségre, hogy az acéloknál bizonyos körülmények között nem ad elegendő biztonságot a hagyományos méretezés, katasztrófák hívták fel a figyelmet.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A katasztrófákban közös volt
⇒a nagyméretű szerkezetek előzetes alakváltozás nélkül törtek,
⇒a terhelés jóval a megengedett terhelés alatt volt,⇒a repedés nagysebességgel terjedt,⇒a katasztrófák minden esetben hidegben
következtek be,⇒az anyagok a hagyományos vizsgálatoknak (ReH,
Rm, A, Z, HB) megfeleltek.BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A megfigyelésekből leszűrhetővolt
hogy a nagy méretű, hidegben üzemelő, dinamikusan igénybevett szerkezetek esetében a hagyományos méretezés nem nyújt elegendő biztonságot.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A ridegtöréssel szembeni ellenállás vizsgálata
• A rideg töréssel szembeni biztonság vizsgálata, tehát azt jelenti, hogy meghatározzuk, hogy adott anyag és szerkezet, milyen feltételek esetén fog szívósan illetve ridegen viselkedni.
• A probléma több oldalról is megközelíthető. ⇒a szívósság ellenőrzése az átmeneti
hőmérséklet alapján,,⇒törésmechanika.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A szívósság ellenőrzése az átmeneti hőmérséklet alapján
Charpy féle ütővizsgálatAz ütve hajlító vizsgálat
(MSZ EN 10045-1) célja az anyag dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása. A dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás a szívósság.BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Charpy vizsgálat
• A próbatest 10x10x55 mm méretű és 2 mm mély V (vagy U alakú) bemetszéssel van ellátva
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Charpy vizsgálat
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Charpy vizsgálat
A kísérlet során a próbatestben elnyelt munka az ütőmunka
K = Gr(ho - h1) [J]
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Mitől függ az ütőmunka?
A hőmérsékletfüggvényében felvett ütőmunka görbék lehetővé teszik a szívós és a rideg állapot közötti átmenet hőmérsékleténekkijelölését.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Törésmechanika
• A törésmechnika feltételezi, hogy a gyakorlatban előforduló anyagok minden esetben tartalmaznak hibákat és azt vizsgálja, hogy milyen feltételek esetén kezdenek el ezek a hibák instabil vagy katasztrofális módon terjedni.A megválaszolandó kérdés tehát az, hogy :
⇒adott feszültségi állapotban mekkora lehet a hiba,
⇒adott hiba, milyen feszültségi állapotban kezd el instabilan terjedni.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az anyagok szívósságának vizsgálata Törésmechanika
• A vizsgálatokkal olyan, méretezésre is alkalmas anyagjellemzőket ( KIC és COD, GIc)határozhatunk meg, amelyek a külső terhelés és a szerkezetben megengedhető hibaméret között állítanak fel összefüggést, és alkalmasak annak eldöntésére, hogy adott anyagból, adott hibamérettel rendelkezőszerkezet adott terhelés mellett ridegen törik-e. BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Az acélfajták jelölése az EN szerint
Az acélfajták jelölése az EN10027-1 szerint a következő jelcsoporttal történik:
S nnn xx yy (pl. S 355 J2 G3) ahol S szerkezeti acélról van szó
nnn az előírt legkisebb folyáshatár N/mm2-ben xx az előírt hőmérsékleten mérhető minimális ütőmunkára
utaló két karakter yy felhasználhatóságra vagy különleges kezelésre utaló jelek
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Feszültségszint meghatározása
Először a vizsgált elemben a várható repedés kezdőpontjában ébredő feszültséget (σEd) kell kiszámítani, mint névleges feszültséget, a következő (rendkívüli) tehercsoportosításból:
[ ]{ }KiiKKEdd QQGTAEE 211 """""" ψψ +++= ∑
amelyben a fő hatás az üzemi hőmérséklet (TEd), ami
a szerelési hőmérséklettől való eltérése miatt hőmozgásokat vagy feszültségeket kelthet. A tehercsoportosításban a használati határállapotban figyelembeveendő terheket kell számításba venni.
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Feszültségszint meghatározása
A feszültségszintet rugalmas analízissel kell kiszámolni, tekintetbe
véve a deformációkból származó másodlagos hatásokat is. A számított feszültség alapján három feszültségi kategóriába
- alacsony (σEd = 0,25 fy(t)), - közepes (σEd = 0,50 fy(t)), vagy - magas (σEd= 0,75 fy(t)) - sorolhatjuk a szerkezeti elemet.
tftf nomyy 25,0)( , −= [N/mm2]
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Anyagminőség kiválasztása
Referencia hőmérséklet TEd Charpy-próba CVN 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 10 0 -10 -20 -30 -40 -50
Szil.oszt.jele
Al-csop. jele T
[°C] Jmin σEd = 0,75 fy(t) σEd = 0,50 fy(t) σEd = 0,25 fy(t)
JR 20 27 60 50 40 35 30 25 20 90 75 65 55 45 40 35 135 115 100 85 75 65 60 J0 0 27 90 75 60 50 40 35 30 125 105 90 75 65 55 45 175 155 135 115 100 85 75
S235
J2 -20 27 125 105 90 75 60 50 40 170 145 125 105 90 75 65 200 200 175 155 135 115 100 JR 20 27 55 45 35 30 25 20 15 80 70 55 50 40 35 30 125 110 95 80 70 60 55 J0 0 27 75 65 55 45 35 30 25 115 95 80 70 55 50 40 165 145 125 110 95 80 70 J2 -20 27 110 95 75 65 55 45 35 155 130 115 95 80 70 55 200 190 165 145 125 110 95
M,N -20 40 135 110 95 75 65 55 45 180 155 130 115 95 80 70 200 200 190 165 145 125 110
S275
ML,NL -50 27 185 160 135 110 95 75 65 200 200 180 155 130 115 95 230 200 200 200 190 165 145 JR 20 27 40 35 25 20 15 15 10 65 55 45 40 30 25 25 110 95 80 70 60 55 45 J0 0 27 60 50 40 35 25 20 15 95 80 65 55 45 40 30 150 130 110 95 80 70 60 J2 -20 27 90 75 60 50 40 35 25 135 110 95 80 65 55 45 200 175 150 130 110 95 80
K2,M,N -20 40 110 90 75 60 50 40 35 155 135 110 95 80 65 55 200 200 175 150 130 110 95
S355
ML,NL -50 27 155 130 110 90 75 60 50 200 180 155 135 110 95 80 210 200 200 200 175 150 130 M,N -20 40 95 80 65 55 45 35 30 140 120 100 85 70 60 50 200 185 160 140 120 100 85 S420
ML,NL -50 27 135 115 95 80 65 55 45 190 165 140 120 100 85 70 200 200 200 185 160 140 120 M,N -20 40 90 70 60 50 40 30 25 130 110 95 75 65 55 45 200 175 155 130 115 95 80 S460
ML,NL -50 27 125 105 90 70 60 50 40 180 155 130 110 95 75 65 200 200 200 175 155 130 115
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Anyagválasztás magasépítésiszerkezetek
esetén
Referencia hőmérséklet TEd Charpy-próba CVN 10 0 -10 -20 -30 -40 -50
Szil. oszt. jele
Al-csop. jele T
[°C] Jmin σEd = 0,75 fy(t)
JR 20 27 60 50 40 35 30 25 20 J0 0 27 90 75 60 50 40 35 30
S235
J2 -20 27 125 105 90 75 60 50 40 JR 20 27 55 45 35 30 25 20 15 J0 0 27 75 65 55 45 35 30 25 J2 -20 27 110 95 75 65 55 45 35
M,N -20 40 135 110 95 75 65 55 45
S275
ML,NL -50 27 185 160 135 110 95 75 65 JR 20 27 40 35 25 20 15 15 10 J0 0 27 60 50 40 35 25 20 15 J2 -20 27 90 75 60 50 40 35 25
K2,M,N -20 40 110 90 75 60 50 40 35
S355
ML,NL -50 27 155 130 110 90 75 60 50 M,N -20 40 95 80 65 55 45 35 30 S420
ML,NL -50 27 135 115 95 80 65 55 45 M,N -20 40 90 70 60 50 40 30 25 S460
ML,NL -50 27 125 105 90 70 60 50 40
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A huzal hajtogatása - fáradás
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A fáradt törés jellege
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A fáradásról általában
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Periódikus terhelés
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Periódikus
terhelés
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A különböző igénybevételi fajták
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Goodman - diagramm
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Smith - diagramm
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Wöhler - diagramm
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Wöhler görbe felvétele
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Fáradási szilárdságok az EC szerint
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A feszültség csúcsok szerepe
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
A fáradást befolyásoló tényezők
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Bemetsződések hatása
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Bemetsződések hatása
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Hegesztési varratok hatása
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Bemetsződések hatása
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Változó feszültségek szerepe
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Üzemi feszültség
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T
anszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Feszültség – idő, alakváltozás diagrammok
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Adott feszültség ingadozás gyakorisága
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Túllépési gyakoriság
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Lineáris károsodási hipotézis
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Lineáris károsodási hipotézis
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Lineáris károsodási hipotézis
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Fáradási részlet osztályok
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Fáradási részlet osztályok
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Fáradási részlet osztályok
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Fáradási részlet osztályok
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés
Különbözőrészlet
osztályúWöhlergörbék
BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék
Tartószerkezet-rekonstru
kciós Szakmérnöki Képzés