WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Materiały konstrukcyjne elementów maszyn i urządzeń technicznych pracują w różnych warunkach. Ich prawdopodobne zachowanie się w procesach tarcia wynika z mechanicznych właściwości objętościowych oraz właściwości powierzchni [92]. Do mechanicznych właściwości objętościowych zalicza się: gęstość, współczynnik sprężystości i tłumienia, granice plastyczności, odporność na pękanie, wytrzymałość zmęczeniową i odporność na pełzanie. Z powierzchnio- wych właściwości materiałów konstrukcyjnych najistotniejsza jest ich reaktywność tribochemiczna, opory tarcia i zużycie. Wymienione właściwości materiałów konstrukcyjnych decydują o wytrzymałości i trwałości elementów z nich wykonanych i o ich niezawodności w eksploatacji. Właściwości te są decydujące w procesie zużycia materiałów podczas tarcia.

Wytrzymałość ciała to, w szerokim ujęciu, zbiór właściwości cha- rakteryzujących jego zdolność do przeciwstawiania się oddziaływaniom zewnętrznym. W większości przypadków są to obciążenia mechaniczne,

chociaż często towarzyszą im dodatkowe wpływy otoczenia. W pewnych warunkach obciążenia ciało stałe traci spójność, pęka. W przypadku materiałów kruchych następuje jedynie deformacja sprężysta (w fazie poprzedzającej pękanie), zaś w przypadku materiałów sprężysto-plastycznych, po deformacji sprężystej, zachodzi odkształcenie plastyczne i dopiero wtedy, gdy materiał wyczerpie swój zapas plastyczności, rozpoczyna się pękanie. Oddziaływanie czynników dodatkowych komplikuje przebieg tych zjawisk w materiałach.

Według miejsca niszczenia wyróżnia się dwa rodzaje niszczenia materiałów: • objętościowe,

• powierzchniowe.

Niezależnie od różnych przejawów wytrzymałości materiałów, u podłoża jej utraty leżą zjawiska pękania materiału w różnej skali, tworzenia najpierw

mikropęknięć, potem ich rozwoju w szczelinę o większych wymiarach. Długość szczeliny może się powiększać z umiarkowaną szybkością (tzw. zakres podkrytyczny) lub bardzo szybko (z prędkością dźwięku) po przekroczeniu pewnych wymiarów krytycznych, co prowadzi do rozpadu materiału (elementu) na części (pękania).

W wyniku działania na ciało stałe obciążeń zewnętrznych położenie atomów w sieci krystalicznej wykracza poza minimalny poziom energii kinetycznej, zakłócając budowę sieci, a przez to powodując pewien stan naprężeń materiału. Po usunięciu obciążenia tylko część atomów zajmuje położenie wyjściowe, a reszta jest przesunięta w nowe położenie, co powoduje naprężenie własne materiału.

6.1.1. Moduły sprężystości

Moduł sprężystości jest miarą oporu materiału podczas odkształcania sprężystego. Jest on zdefiniowany przez prawo Hooke’a, które stwierdza, że dla wielu materiałów małe odkształcenia są w przybliżeniu proporcjonalne do naprężeń.

Odkształcenie normalne ε pozostaje z naprężeniem normalnym σ w związku

ε

σ = E (111) ⋅

gdzie:

E – moduł Younga.

Jeżeli materiał jest obciążony w czasie ścinania, naprężenie ścinające powoduje obrotowe przesunięcie lub odkształcenie ścinania. Sprężyste odkształcenie postaciowe ścinania (γ) jest proporcjonalne do stycznego naprężenia ścinania (S_c):

γ^c

S

G= (112)

a G jest modułem odkształcenia postaciowego (ścinania) lub modułem

sztywności postaciowej, moduł Younga (E ) i moduł G są powiązane

zależnością:

(

)

=2G1

E (113)

Między ujemną dylatacją

V V

Δ =

Δ a ciśnieniem P (dodatnie ciśnienie

Δ ⋅ − = K P (114) gdzie: K – moduł ściśliwości.

Moduły mają taki sam wymiar jak naprężenia. W praktyce wyraża się je w [GN/m2] (1 GN = 109 N) lub w [GPa]. Istnieje jeszcze stała sprężystości – liczba Poissone’a ν (niemianowana), będąca stosunkiem odkształcenia poprzecznego do wartości odkształcenia normalnego ze znakiem ujemnym:

lne norma nie odksztalce poprzeczne nie odksztalce − = ν (115)

Dla metali można w przybliżeniu przyjąć, że: K≅G, , 8 3

E

G≅ ν ≅0,33. Przykładowo – zmienność modułu Younga w ogólnym zbiorze materiałów konstrukcyjnych jest znaczna, dochodzi do 6 rzędów. Zmienia się od 10–3 GN/m2 (miękkie gumy) do 103 GN/m2 (metale, ceramiki, diament).

Wartość modułu Younga zależy głównie od rodzaju wiązań występujących między atomami lub cząsteczkami oraz od stopnia zdefektowania struktury materiału.

6.1.2. Granica plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie

Materiały charakteryzuje granica sprężystości, po przekroczeniu której materiały kruche pękają. Większość materiałów technicznych zachowuje się jednak inaczej – odkształcają się one plastycznie. Aby ustalić odpowiednie charakterystyki wytrzymałościowe, przeprowadza się w znormalizowanych warunkach próby rozciągania (lub ściskania) próbek, rejestrując naprężenia wywołujące określone odkształcenia (rys. 69) [93].

W początkowym okresie rozciągania wydłużenia względne ε są pro- porcjonalne do naprężeń σ; na rys. 69 – prosta OA. Po przerwaniu rozciągania w punkcie A materiał rozciągany wróciłby do pierwotnego kształtu, tzn. wykazałby cechy sprężyste. Powrót do wyjściowej długości po ustąpieniu rozciągania występuje zwykle powyżej naprężeń w punkcie A, odpowiada naprężeniu w punkcie B. Jest to granica sprężystości σ_spręż (wydłużenie względne jest bardzo małe, wynosi 0,001%). Punkt A określa granicę proporcjonalności

σ_prop – czyli granicę stosowania prawa Hooke’a. Jeśli naprężenie rozciągające przekroczy granicę sprężystości, to wydłużenie względne ε nie będzie wzrastać liniowo, jego wartość rośnie krzywoliniowo (odcinek BC). Dla pewnych materiałów wartość ε rośnie powyżej punktu C, bez dalszego wzrostu naprężenia. Odpowiada to poziomem odcinkowi CD, a odpowiadające temu

Rys. 69. Zależność odkształcenia od naprężenia dla stali niewęglowej [93]

naprężenie zwane jest granicą plastyczności σplast (oznaczenie według norm Re). Dalszy wzrost naprężeń, powodujący wzrost odkształcenia ε, osiąga wartość maksymalną w punkcie K. Te największe naprężenia, jakie mógł przenieść badany materiał, nazywamy wytrzymałością na rozciąganie Rm, której wartość opisuje wzór: 0 F P R max m = (116) gdzie: max

P – maksymalna siła rozciągająca,

F₀ – pole przekroju początkowego rozciąganej próbki.

Ponieważ przekrój próbki w czasie rozciągania maleje przy naprężeniach powyżej punktu D, linia przerywana zależności odkształcenia od naprężenia (K'L') wyraża naprężenie rzeczywiste.

Stosowane w budowie maszyn materiały konstrukcyjne mają najczęściej charakter sprężystoplastyczny, dlatego przy ich niszczeniu (pękaniu) istotną rolę odgrywa deformacja plastyczna. W pewnym uproszczeniu można sobie wyobrazić proces niszczenia (pękania) takich materiałów w trzech etapach:

• w pierwszym okresie energia jest rozpraszana w różny sposób, bez makroskopowego pękania materiału. Końcową fazą tego etapu mogą być mikropęknięcia łączące się w szczelinę o wymiarach „zauważalnych” dla liniowej mechaniki pękania;

• w drugim etapie szczelina rozwija się ze stałą prędkością, aż do osiągnięcia pewnych rozmiarów krytycznych;

• końcowa faza cechuje się lawinowym rozwojem szczeliny (szybkości dźwięku) i występowaniem przełomu, podziałem elementu na części, utworzeniem cząstki produktu zużycia itp.

Ze względu na trwałość materiału bardzo istotna jest faza pierwsza – dyssypacja energii przez deformację plastyczną. Ogólnie można stwierdzić, że relaksacja naprężeń wywołanych obciążeniem ciała stałego może następować przez pękanie z utworzeniem mikroszczelin albo drogą deformacji plastycznej, bez utraty ciągłości materiału. Pierwszy ze sposobów jest charakterystyczny dla materiałów kruchych, drugi – dla sprężystoplastycznych i plastycznych.

6.1.3. Nagłe pękanie i wiązkość

Przy projektowaniu konstrukcji pod uwagę należy brać nie tylko odkształcenia sprężyste i plastyczne, ale również zjawisko kruchego pękania. Przy pewnym poziomie naprężeń pęknięcia znajdujące się w materiałach lub całych konstrukcjach (wynikające np. z błędów w spawaniu) nagle rozpoczynają powiększać swe wymiary z dużą szybkością. Jest ona zbliżona do szybkości propagacji dźwięku w danym materiale.

Energia G_c wydatkowana na utworzenie jednostki pola powierzchni pęknięcia zwana jest wiązkością. Jest to ważna stała materiałowa (zwana niekiedy również krytyczną szybkością uwalniania energii odkształcenia), wyrażana w jednostkach energii na jednostkę pola powierzchni [J/m2]. Duża wartość Gc oznacza, że propagacja pęknięć w danym materiale jest utrudniona. Ogólnie można stwierdzić, że największą wiązkością cechują się metale, najmniejszą – materiały ceramiczne.

Jeśli materiał zawierający pęknięcie o wymiarze a znajdzie się pod

działaniem wystarczająco dużych naprężeń σ, pęknięcie zaczyna rosnąć

z prędkością dźwięku w materiale. Dochodzi do nagłego pękania konstrukcji przy naprężeniu niższym od granicy plastyczności materiału. Zjawisko to opisuje zależność: c G E a = ⋅ ⋅ π σ (117)

Wyrażenie σ π⋅a nazywane jest współczynnikiem intensywności na-prężeń i oznaczone jako K. Jego wymiar to [MNm2 ].

3 −

Do nagłego pękania dojdzie, gdy K osiągnie wartość krytyczną:

c c EG K K = = (118) gdzie: c

K – krytyczny współczynnik intensywności naprężeń.

6.1.4. Zniszczenie zmęczeniowe

Gdy na element działają obciążenia zmienne, może on ulec zniszczeniu przy obciążeniach niższych od wytrzymałości na rozciąganie Rm i często poniżej granicy plastyczności Re materiału, z którego jest wykonany.

Powyżej wskazano, że jeśli w materiale (konstrukcji) występuje pęknięcie

o znanym wymiarze a, to na podstawie kryterium K = Kc (czyli

) c EG a = ⋅ π

σ można tak dobrać krytyczną wartość naprężeń, aby nie

wystąpiło nagłe pęknięcie materiału. Jednak pęknięcia mogą powstawać i rosnąć z małą szybkością przy obciążeniach (naprężeniach) mniejszych od krytycznych. Może to mieć miejsce przy zmiennym charakterze obciążeń (dochodzi wtedy do zniszczenia zmęczeniowego) lub wtedy, gdy na materiał działa korodująco otoczenie.

6.1.5. Pełzanie

W podwyższonych temperaturach materiały rozpoczynają pełzanie. Jest to powolne, ciągłe odkształcenie w czasie, które zależy nie tylko od naprężenia, lecz również od temperatury i czasu: ε = f (σ, T, t)

Pełzanie rozpoczyna się gdy:

M

T

T>0,3÷0,4 dla metali oraz T >0,4÷0,5T_M dla ceramiki gdzie:

M

T – jest temperaturą mięknienia materiału wyrażoną w Kelwinach [K].

Krzywa pełzania (zależność odkształcenia od czasu) ma trzy charakte- rystyczne stadia: pierwsze – wstępne, drugie – ustalone, trzecie – awaryjne. W trzecim stadium pełzania powstają wewnątrz elementu jamki, potem do-chodzi do pękania.

6.1.6. Wpływ środowisk aktywnych na objętościowe własności mechaniczne

Dla omówienia istoty wpływu środowisk aktywnych na własności mecha-niczne materiałów metalicznych i procesy je niszczące wygodnie jest klasy-fikować owe środowiska w następujące grupy:

• nieaktywne chemicznie – substancje powierzchniowo czynne; ich wpływ na własności mechaniczne przejawia się głównie przez adsorpcję i chemisorpcję; • aktywne korozyjnie – woda, elektrolity, roztwory soli. Działanie tego typu substancji ma charakter chemiczny lub elektrochemiczny;

• absorbowane do objętości metalu (jego warstwy wierzchniej) – np. wodór lub inne pierwiastki tworzące z metalem roztwory stałe.

Efekty oddziaływania środowisk aktywnych na materiały metaliczne, wcześniej podzielonych na grupy o charakterystycznych właściwościach, mogą być objaśniane na podstawie następujących hipotez: adsorpcyjnego obniżenia wytrzymałości, roztwarzania anodowego, kruchości wodorowej.

Już Langmuir wykazał, że dla osłabienia wiązań atomów powierzchniowych między sobą i otoczeniem, wystarczy pokryć je monowarstwą adsorbatu, np. tlenu z powietrza. Ideę tę rozwinął P. A. Rebinder (1928 r.), przyjmując, że u podstaw adsorpcyjnego obniżenia wytrzymałości leży obniżenie swobodnej energii powierzchniowej. Początkowo efekt Rebindera kojarzony był przede wszystkim ze zjawiskiem adsorpcji fizycznej; obecnie wiadomo, że obniżenie własności mechanicznych metali występuje również wtedy, gdy na ich po-wierzchniach zachodzi chemisorpcja składników środowiska.

Środowiska aktywne chemicznie (elektrochemicznie) wywołują korozję pod naprężeniem. Niszczenie materiału w ciekłych środowiskach elektroche- micznych polega na założeniu, że anodowe roztwarzanie metalu lokalizuje się w różnych strukturalnych i technologicznych defektach (na powierzchniach), stanowiących koncentratory naprężeń. Powstają szczeliny, których rozwój rozpatruje się jako pracę ogniwa galwanicznego, gdzie anodą jest wierzchołek pęknięcia. Spasowane boczne powierzchnie szczeliny pełnią rolę katody. Środowisko pracy zmniejsza krytyczny współczynnik intensywności naprężeń przy pękaniu oraz zmienia pełzanie materiałów.