Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Transkrypt

1 Materiały Reaktorowe Właściwości mechaniczne

2 Naprężenie i odkształcenie F A 0 l i l 0 l 0 l l 0 a. naprężenie rozciągające b. naprężenie ściskające c. naprężenie ścinające d. Naprężenie torsyjne

3 Naprężenie i odkształcenie

4 Naprężenie i odkształcenie

5 Moduł Younga Naprężenie i odkształcenie są proporcjonalne ( prawo Hooka ) E

6 Moduł Younga Deformacja dla której naprężenie jest proporcjonalne do odkształcenia odkształcenie elastyczne Nachylenie odcinka prostoliniowego moduł elastyczności ( Younga ) E Moduł E sztywność, opór materiału na elastyczne odkształcenie Im wyższy moduł E materiał jest sztywniejszy mniejsze odkształcenie pod wpływem naprężenia. Odkształcenie elastyczne nie jest trwałe po usunięciu naprężenia materiał wraca do swojego pierwotnego kształtu.

7 Moduł Younga Dla niektórych materiałów ( beton, polimery )krzywa naprężenie odkształcenie nie jest liniowa. Moduł E podaje się dla wybranych wartości naprężenia.

8 Moduł Younga W sakli atomowej: - naprężenie elastyczne małe zmiany odległości międzyatomowych rozciąganie wiązań - moduł E miarą sił wiązań międzyatomowych E df dr r 0

9 Moduł Younga r r dr U d S sztywność wiązania dla małych naprężeń 0 r 0 r S F 0 r 0 r NS siła całkowita na jedn. powierzchnię - naprężenie r r r r S 0 0 r S E r n B r q r U 0 2 4

10 Moduł Younga

11 Moduł Younga

12 Moduł Younga E kompozytu V E 1 1 V2E2 Górny limit E kompozytu V 1 E 1 1 Dolny limit V E 2 2

13 Moduł Younga

14 Moduł Younga

15 Współczynnik Poissona Naprężenie rozciągające w kierunku osi z powoduje zadziałanie naprężń ściskających w kierunkach osi x i y. E x x y y 2G 1 G moduł ścinający ( definiowany analogicznie do modułu E naprężenie ścinające ) Dla większości metali: G = 0.4E z z

16 Odkształcenie plastyczne Dla większości metali deformacja elastyczna występuje tylko dla odkształceń do ok Większe odkształcenia powodują, że prawo Hooka przestaje obowiązywać pojawia się trwałe odkształcenie deformacja plastyczna. Deformacja plastyczna zrywanie wiązań w początkowym otoczeniu a następnie ich odbudowa w innym otoczeniu. Po usunięciu naprężenia atomy nie są wstanie wrócić do pozycji wyjściowej. Dla materiałów krystalicznych związana jest ona z ruchem płaszczyzn sieciowych ruch dyslokacji. Dla materiałów amorficznych związana jest ona z mechanizmem płynięcia lepkościowego. Umowna granica plastyczności

17 Odkształcenie plastyczne Większość materiałów projektuje się tak, aby występujące naprężenie w trakcie pracy nie powodowało odkształcenia plastycznego. Dla metali jako punkt graniczny (granica plastyczności) przyjmuje się początek odstępstwa od proporcjonalności (P). Niektóre stale charakteryzują się bardziej skomplikowaną zależnością naprężenie odkształcenie. Przed wystąpieniem deformacji plastycznej maleje naprężenie. Następnie pojawiają się fluktuacje. Dopiero nieco później pojawia się odkształcenie plastyczne. Jako punkt graniczny przyjmuje się wartość średnią fluktuacji.

18 Wytrzymałość na rozciąganie TS wytrzymałość na rozciąganie ( max. naprężenie M ).

19 Wytrzymałość na rozciąganie

20 Granica plastyczności Plastyczność miara stopnia deformacji plastycznej do momentu zerwania. Materiał, który charakteryzuje się bardzo małą lub żadną deformacją plastyczną określany jest jako kruchy. Plastyczność: - względne wydłużenie l % EL f l l 0 0 x100 - względna redukcja przekroju % RA A 0 A A 0 f x100

21 Granica plastyczności Fe

22 Granica plastyczności

23 Granica plastyczności

24

25 Granica plastyczności 2 E r E r 0 0 E 4 Teoretyczna granica Realistyczne potencjały: E 15 - ceramiki metale

26 Moduł sprężystości Zdolność materiału do absorbowania energii podczas deformacji sprężystej, a następnie jej odzyskiwania po usunięciu naprężenia.

27 Twardość Miara odporności materiału na lokalną deformację plastyczną. Skala Mohsa skonstruowana na podstawie zdolności jednego minerału do zarysowywania drugiego ( 1 talk, 10 diament ).

28 Pękanie Rozdzielenie materiału na dwa i więcej kawałków na wskutek: = const ( wolno zmiennego w czasie ) T << temperatury topienia a. plastyczne ( złoto, ołów, polimery ) b. pośrednie c. kruche

29 Pękanie a. tworzenie szyjki b. formowanie małych porów c. łączenie porów w szczelinę d. propagacja szczeliny e. pęknięcie

30 Kruche pękanie Kruche pękanie zachodzi bez odkształcenia plastycznego w wyniku gwałtownego i niekontrolowanego rozchodzenia się szczeliny. Kierunek rozchodzenia się szczeliny jest prostopadły do kierunku naprężenia a powstała powierzchnia przełamu jest płaska. Propagacja pęknięcia poprzez ziarna Propagacja pęknięcia wzdłuż granic międzyziarnowych

31 Mechanika pękania Szczelina jest eliptyczna i zorientowana prostopadle do przyłożonego naprężenia: m a 2 0 t 1/ 2 Dla długich mikropęknięć: a duże, t małe -> m b.duże Naprężenie graniczne rozszerzania się szczeliny c 2E s a 1/ 2

32 Odporność na kruche pękanie Miara odporności materiału na kruche pękanie w obecności szczeliny: K c Y 1 Y c a

33 Odporność na kruche pękanie

34 Zmęczenie Uszkodzenie, które zachodzi w materiałach poddanych dynamicznym i zmiennym naprężeniom ( mosty, samoloty, elementy maszyn ). Zniszczenie następuje dla naprężeń dużo niższych od wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, itp. Zachodzi po okresie długiego użytkowania. Przyczyna ok. 90 % awarii urządzeń.

35 Zmęczenie Proces uszkodzenia przebiega w trzech etapach: 1. Powstanie pęknięcia w punkcie o wysokiej koncentracji naprężeń ( nukleacja następuje zazwyczaj na uszkodzeniach powierzchniowych ) 2. Poszerzanie się pęknięcia na wskutek powtarzających się cyklicznie naprężeń. 3. Po osiągnięciu krytycznego rozmiaru pęknięcia następuje uszkodzenie materiału.

36