01a MS6K by HC12052419272

VIEWS: 28 PAGES: 38

									                                              Mezní stavy materiálu

Photography by Neal Boenzi / New York Times




                                                  Ing. Karel Němec, Ph.D.
                                                    E-mail: nemec@fme.vutbr.cz
                                                Tel.: 5 4114 3145 (kancelář A3/205)
                                                                                      1
    Co bude náplní tohoto předmětu?
     Historie zkoumání mezních stavů materiálů,
      normy a značení materiálů
     Elastická a plastická deformace
     Tranzitní lomové chování
     Lomová mechanika
     Únava materiálu
     Tečení materiálu (creep)


                                                   2
    Pojem „Mezní stavy materiálu“
   Podmínkou bezpečné konstrukce je
    vyloučení trvalých deformací mate-
    riálu a zabránění iniciace a šíření
    lomu v materiálu.
   V Brně se pro porušení konstrukce
    z důvodu selhání materiálu zrodil
    název „mezní stavy materiálu“.
   V zahraniční literatuře se většinou
    užívá výrazu „mechanical behaviour
    of material“
   Co bude náplní tohoto předmětu?
                                          3
             Obsah přednášek
   Historie
   Značení materiálů - normy
   Elastická a plastická deformace materiálu
   Tranzitní lomové chování ocelí
   Lomová mechanika
   Únava materiálu
   Návrh bezpečné konstrukce podle filozofie
     bezpečný život
     bezpečný lom
 Lomové chování keramiky
 Deformace za zvýšených teplot (creep)
                                                4
Kde lze získat podklady ke studiu?

   Před každou přednáškou bude
    možné si opatřit text přednášky na
    internetových stránkách
    http://ime.fme.vutbr.cz/vyukals.html
   Na stejném místě je možné si opatřit i
    podklady k jednotlivým přednášeným
    tématům
   Rovněž zadání do cvičení budou
    zveřejněna na těchto stránkách

                                             5
Požadavky k zápočtu a ke zkoušce?

    Zápočet bude udělován na základě:
      účastina cvičeních
      vypracování protokolů (zápisů ze cvičení)

    Forma vlastní zkoušky bude upřesněna,
     zvažovány jsou dvě formy:
      klasická zkouška (písemná + ústní část)
      přednáška na zadané téma a následná
       krátká diskuze o tomto tématu

                                                   6
     Historie materiálového inženýrství a
    vznik předmětu mezní stavy materiálu

 V průběhu historie docházelo ve většině
  případů k poznávání materiálu na základě
  jeho používání
 Dnes je snaha chování materiálu predikovat,
  nicméně i v současnosti dochází k selhání
  konstrukcí z důvodu selhání materiálu, z
  čehož je třeba si vzít ponaučení – i zde platí,
  že všechno zlé je pro něco dobré
                                                    7
Technologické úspěchy Řecka a Říma

   technický pokrok
     šroub, kladka, výtah, vodní kolo jako primární
      zdroj pohybu, svařování
   nově používané konstrukční materiály
     mosaz,   železo, beton, pálené cihly, tašky a
      kachle
   pokrok ve zkoušení
     konstruktér   pod mostem
   poruchy, havárie
     ???

                                                       8
    Pokroky středověku (500 – 1500)
   technický pokrok
     plavebníkanály, zdymadla, větrné mlýny, brýle,
      mechanické hodiny, střelný prach, smaltování
   nově používané konstrukční materiály
     litina

   pokrok ve zkoušení
     ???

   poruchy, havárie
     ???


                                                       9
Vznik západní technologie (1500 – 1700)
   technický pokrok
     mikroskop,   dalekohled, teploměr, logaritmické
      pravítko
   nově používané konstrukční materiály
     ???

   pokrok ve zkoušení
     tahové  zkoušky drátů (Leonardo da Vinci),
      zkoušení nosníků (Galileo Galilei), zkoušení
      pružin (R. Hooke)
   poruchy, havárie
     ???

                                                        10
              Období 1700 - 1800
   technický pokrok
     parnístroj, automobil, horkovzdušný balón,
      mosty z litiny, soustruh, svítiplyn
   nově používané konstrukční materiály
     svářková   ocel, guma (kaučuk)
   pokrok ve zkoušení
     zkoušky krutem, smykem, výpočet pevnosti
      nosníku namáhaného ohybem
   poruchy, havárie
     ???

                                                   11
              Období 1800 - 1900
   technický pokrok
     železnice,  vzducholoď, zavěšené mosty, baterie
      (elektřina), spalovací a vznětový motor, rentgen,
      acetylen (svařování plynem)
   nově používané konstrukční materiály
     Portlandský  cement, Bessemerova ocel, hliník,
      plasty, vulkanizovaný kaučuk
   pokrok ve zkoušení
     únava (Wöhler), plasticita (Treska), univerzální
      zkušební stroj
   poruchy, havárie
     parníkotle, nápravy železničních vozidel,
      ocelové mosty                                       12
             Zkoušky únavy materiálu




                         zatížení
                         F/2    F/2
 August Wöhler
 (1819 – 1914)


Typické místo porušení
  železniční nápravy                  rotace

                                               Princip únavové zkoušky
                                               (zatěžování ohyb za rotace)
                                               podle Wöhlera z roku 1850
                                                                             13
    Most u města Ashtabula (Ohio)
 prosinec 1876
 selhání konstrukce
  mostu pod jedoucím
  plně obsazeným
  vlakem




                                    14
                          Tayský most
28.12.1879 ve čtvrt na
osm     večer    se     pod
jedoucím vlakem vlivem
konstrukční chyby a za
přispění velké bouře zřítil a
strhl se sebou rychlík. Při
neštěstí zahynulo 75 lidí.
Od té doby se přestávala
používat jako konstrukční
materiál mostu a byla na-
hrazena               ocelí.




                                        15
           Univerzální zkušební stroj
Kvazistatické zatěžování materiálu
 tahem
 tlakem
 ohybem
 smykem




                                        16
              Období 1900 - 1920
   technický pokrok
      motorové letadlo, elektronka
   nově používané konstrukční materiály
      legované oceli, hliníkové slitiny, syntetické plasty
   pokrok ve zkoušení
      tvrdost – Brinell, rázová zkouška – Charpy,
       creep – Andrade
   poruchy, havárie
      most v Quebecu, zásobník na melasu v Bostonu


                                                          17
Most v Quebecu
       Konzolový most v Quebecu, který
       měl být na svou dobu chloubou, se
       ještě před svým dokončením, dne
       27.8.1907, zřítil. Byl však postaven
       znovu, jeho slavnostní otevření
       proběhlo o 12 let později.




                                          18
                          Boston
   15.ledna 1919
   2000000 galonů melasy
   21 mrtvých a 150 zraněných




                                   19
                  Období 1920 - 1940
   technický pokrok
     plynová    turbína, snímač deformace
   nově používané konstrukční materiály
     nerezavějící       ocel, karbid wolframu, nylon, teflon
   pokrok ve zkoušení
     lom   - Griffith
   poruchy, havárie
     železniční    kola, kolejnice, Tacomský most


                                                                20
            Tacomský most
 1940
 Špatná konstrukce
  mostu - destrukce




                            21
                   Období 1940 - 1960
   technický pokrok
     řízená  jaderná reakce, tryskové letadlo,
      tranzistor, počítač, Sputnik
   nově používané konstrukční materiály
     slitiny   Ni, slitiny Ti, sklolaminát
   pokrok ve zkoušení
     elektronický zkušební stroj, nízkocyklová únava
      - Coffin, lomová mechanika - Irwin
   poruchy, havárie
     lodě   Liberty, letadla Comet, turbogenerátory

                                                        22
 Elektronický
zkušební stroj




                 23
Lodě Liberty




               24
               Letadla DH-106 Comet 1
        První proudové dopravní letadlo

                                           •   2.5.1953, Kalkata, 43 †
                                           •   10.1.1954, Elba, 35 †
                                           •   8.4.1954, Řím, 29 †




Příčinou nehod byla hranatá okénka:
       Iniciace trhlin v rozích okének
        následkem opakovaných změn
        poměru tlaku uvnitř a vně pláště
        letadla
       rozpadnutí trupu letadla za letu
                                                                         25
                  Období 1960 - 1980
   technický pokrok
     laser,   mikroprocesor, přistání na Měsíci
   nově používané konstrukční materiály
     HSLA      oceli, kompozity
   pokrok ve zkoušení
     zkušební stroj se zpětnou vazbou, zákon růstu
      únavové trhliny - Paris, počítačem řízený
      zkušební stroj
   poruchy, havárie
     letadla   F-111, letadla DC-10, dálniční mosty

                                                       26
                    Letadla F-111
   První letadlo s měnitelnou geometrii křídel
       Úhel šípu křídel je nastavitelný od 16 do 72,5 stupně.
       Plně roztažená křídla poskytují maximum plochy a vztlaku pro
        krátký start a přistání.
       Naopak malý úhel rozevření umožňuje let nadzvukovou rychlostí
        na úrovni moře a více než dvojnásobnou rychlostí zvuku ve
        vyšších letových hladinách.




                                                                        27
                     Letadla DC-10
   Letadla DC-10 si v sedmdesátých letech díky několika nehodám
    vysloužila image "nebezpečného" letadla.
   Stroje měly problémy s nákladními dveřmi, které způsobily několik
    havárií (mimo jiné i nehodu letadla Turkish Airlines v roce 1974, jež si
    vyžádala 346 lidských životů)
   Všechna letadla DC-10 musela projít povinným redesignem dveří.




                                                                               28
                 Období od roku 1980
   technický pokrok
     vesmírná   stanice, raketoplán
   nově používané konstrukční materiály
     duplexní   ocel, konstrukční keramika
   pokrok ve zkoušení
     zkoušení  při víceosé napjatosti, přímé digitální
      řízení zkušebního stroje
   poruchy, havárie
     raketoplány,   moderní letadla, ortopedické
      implantáty

                                                          29
Zkušební stroj
řízený počítačem




                   30
     Letadlo B-737 Aloha Airlines
   Poškození letadla za
    letu vlivem únavy
    materiálu urychlené
    korozí




                                    31
Boeing-747 (1989, Hawai)




                           32
      ICE (Eschede, 1998)
   Vykolejení vlaku, v důsledku shody nešťastných náhod
    velmi tragické…




                                                           33
Nehoda raketoplánu Columbia

   Poškození tepelného štítu, sestávajícího z
    keramických destiček, vedlo při návratu
    raketoplánu na Zemi ke katastrofě.




    Destička ochranného
    pláště
                                                 34
 Požadavky na tepelnou odolnost materiálů
používaných na pláště letadel a raketoplánů




                                              35
         Příčiny havárií v dnešní době
   lidská nepozornost
   neznalost a nedodržení stávajících předpisů
   zavádění nových materiálů do praxe
    (1983 - havárie plynového potrubí po 6 letech
    provozu, PE 100mm, tl. 4 mm )




                                                    36
 Jak zabránit (předcházet) haváriím?

 Zkoušením mechanických vlastností
   P   ružnost   +   P   lasticita +   P   evnost +   H   ouževnatost



Získáváme mechanické charakteristiky
číselné hodnoty, které charakterizují danou
vlastnost materiálu, ale závisí také na tvaru
zkušebního tělesa a podmínkách namáhání

                                                                    37
Kde materiálové charakteristiky získáme?

   Z tohoto důvodu vznikly standardy - normy
    pro označování, zkoušení a kontrolu
    materiálů




                                                38

								
To top