ΕργαστηριακήΆσκηση 4η · Ερπυσμός-Ορισμοί...

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ

Πείραμα Ερπυσμού

Εργαστηριακή Άσκηση 4η

Σκοπός

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

Σκοπός του πειράµατος είναι

• ο πειραµατικός προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού, υπό σταθερόεξωτερικό φορτίο και ελεγχοµένη θερµοκρασία εκτέλεσης του πειράµατος.

• η κατανόηση του ερπυσµού σε µεταλλικά υλικά, της παραµόρφωσης λόγωερπυσµού, και η υπόδειξη των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφοράερπυσµού στα µέταλλα.

• η ανάλυση δεδοµένων ερπυσµού και η χρήση τους για την κατάλληλη επιλογή

υλικών που να αντέχουν σε αστοχίες λόγω ερπυσµού.

Ερπυσμός - Ορισμοί

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Ερπυσµός ονοµάζεται το φαινόµενο κατά το οποίο παρατηρείται συνεχής

αύξηση της παραµόρφωσης ενός φορέα συναρτήσει του χρόνου, υπό τηνεπίδραση σταθερής τάσης και υπό σταθερή θερµοκρασία.

• Ταχύτητα ερπυσµού ονοµάζεται ο χρονικός ρυθµός µεταβολής της

παραµόρφωσης κατά τη διάρκεια εξέλιξης του φαινοµένου.

• Σε περιοχές όπου η παραµόρφωση παραµένει σταθερή, λόγω στηρίξεων, τότεµειώνεται η τάση. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται χαλάρωση.

• Η διατήρηση σταθερής τιµής τάσης για µεγάλο χρονικό διάστηµα µπορεί να

προκαλέσει βαθµιαία διαρροή και µεταβολή των διαστάσεων ενός φορέα.

Ερπυσμός - Ορισμοί

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Ερπυσµός ονοµάζεται το φαινόµενο κατά το οποίο παρατηρείται συνεχής

αύξηση της παραµόρφωσης ενός φορέα συναρτήσει του χρόνου, υπό τηνεπίδραση σταθερής τάσης και υπό σταθερή θερµοκρασία.

• Ταχύτητα ερπυσµού ονοµάζεται ο χρονικός ρυθµός µεταβολής της

παραµόρφωσης κατά τη διάρκεια εξέλιξης του φαινοµένου.

• Σε περιοχές όπου η παραµόρφωση παραµένει σταθερή, λόγω στηρίξεων, τότεµειώνεται η τάση. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται χαλάρωση.

• Η διατήρηση σταθερής τιµής τάσης για µεγάλο χρονικό διάστηµα µπορεί να

προκαλέσει βαθµιαία διαρροή και µεταβολή των διαστάσεων ενός φορέα.

Ερπυσμός - Ορισμοί

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Γενικά, ο ερπυσµός είναι ιδιαίτερα σηµαντικός σε θερµοκρασίες γύρω στους0.4Tm, όπου Tm είναι η απόλυτη θερµοκρασία τήξης (σε βαθµούς Κ).

• Υλικά τα οποία έχουν χαµηλή θερµοκρασία τήξης, µπορούν να παρουσιάσουνερπυσµό σε θερµοκρασίες δωµατίου.

• Π.χ. ο µόλυβδος έχει θερµοκρασία τήξης στους 326°C (599K) και στους 20°C (293K, που αντιστοιχεί σε 0.5Tm) παρουσιάζει παρόµοια συµπεριφοράερπυσµού όπως ο σίδηρος στους 650°C.

Καμπύλη ερπυσμού

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Η καµπύλη ερπυσµού είναι µια καµπύλη παραµόρφωσης – χρόνου

Τρία στάδια στην καµπύλη:1. Πρωτογενής ερπυσµός: Η ταχύτητα ερπυσµού µειώνεται µε το χρόνο.2. ∆ευτερογενής ερπυσµός: H ταχύτητα ερπυσµού παραµένει σταθερή µε τοχρόνο.

3. Τριτογενής ερπυσµός: Επιτάχυνση της παραµόρφωσης, µέχρι να σηµειωθείαστοχία του υλικού (θραύση).

Πρωτογενής ερπυσµός:

• Η ταχύτητα ερπυσµού µειώνεται µε το χρόνο.

• το φαινόµενο που επικρατεί είναι η διάχυση των ατόµων που βρίσκονται στα

όρια των κόκκων και η κίνηση των διαταραχών.

• Η αλληλεπίδραση των διαταραχών και η συνεπαγόµενη δυσχέρεια στην

κίνησή τους οδηγεί σε σκλήρυνση του υλικού.

Καμπύλη ερπυσμού

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

∆ευτερογενής ερπυσµός :

• H ταχύτητα ερπυσµού παραµένει σταθερή µε το χρόνο.

• όταν η θερµοκρασία κυµαίνεται στην περιοχή 0.3 - 0.5, σηµειώνεται ολίσθηση(υπό την επενέργεια διάτµησης) ή/και αναρρίχηση των διαταραχών (σε νέαεπίπεδα ολίσθησης όταν συναντώνται τοπικά εµπόδια), αντισταθµίζεται τοφαινόµενο της σκλήρυνσης και το υλικό εµφανίζει παραµορφώσεις σταθερά

αυξανόµενες µε το χρόνο.

• Το φαινόµενο χαρακτηρίζεται συνολικά ως διάχυση ερπυσµού και επιφέρει

πλαστική (µόνιµη) παραµόρφωση.

Καμπύλη ερπυσμού

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

Τριτογενής ερπυσµός:

•Επιτάχυνση της παραµόρφωσης, µέχρι να σηµειωθεί αστοχία τουυλικού(θραύση).

•Κατά τον τριτογενή ερπυσµό παρατηρείται χωρική διάχυση των πλεγµατικώνατόµων µέσα στους κόκκους.

•Ο βαθµός στον οποίο διακρίνονται τα τρία αυτά τµήµατα εξαρτάται από την τάσηπου αναπτύσσεται, το υλικό του δοκιµίου και τη θερµοκρασία στην οποίαδιεξάγεται η δοκιµή.

Καμπύλη ερπυσμού

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Ο ερπυσµός είναι µια συνάρτηση: της τάσης, του χρόνου και τηςθερµοκρασίας

• Ο ερπυσµός µπορεί να δηµιουργηθεί σε υψηλά επίπεδα τάσεων ή σε µεγάλο

χρονικό διάστηµα ακόµα και σε χαµηλές θερµοκρασίες.

• Αντοχή στον ερπυσµό ορίζεται η µέγιστη τάση όπου το υλικό όπου το υλικό

δεν παρουσιάζει για συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα υψηλή

• Αντοχή κατάρευσης σε ερπυσµό ορίζεται η µέγιστη τάση στην οποία

µπορεί ένα υλικό να ανταποκριθεί ένα υλικό χωρίς να αστοχήσει.

Αντοχη στον ερπυσμό

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

Καμπύλη ταχύτητας ερπυσμού

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Αν σχεδιαστεί η καµπύλη ταχύτητας παραµόρφωσης – χρόνου εµφανίζονται

και πάλι τρία στάδια που αντιστοιχούν στους τρεις τύπους ερπυσµού.• Κατά το πρώτο στάδιο, µε την αύξηση της θερµοκρασίας, ένα υλικό υφίσταταιµείωση του ερπυσµού

• στο δεύτερο στάδιο παρατηρείται ερπυσµός µε σταθερό ρυθµό

• ενώ στο τρίτο αυξάνεται και πάλι εκθετικά το φαινόµενο του ερπυσµού.

Χρονικοί νόμοι του ερπυσμού

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Λόγω του µεγάλου χρόνου που απαιτείται για τα πειράµατα του ερπυσµού

υπάρχει πάντα η ανάγκη διατύπωσης µαθηµατικών σχέσεων που να

περιγράφουν ικανοποιητικά τα διάφορα στάδια της καµπύλης ερπυσµού. • Οι γνωστοί χρονικοί νόµοι του ερπυσµού ισχύουν, ο καθένας χωριστά, για µιασυγκεκριµένη περιοχή θερµοκρασιών και µπορούν να χωριστούν σε τρεις

κατηγορίες: • (α) τους λογαριθµικούς, • (β) τους παραβολικούς και• (γ) τους εκθετικούς• όπου τα a, b, c, k, l, n, m είναι σταθερές που εξαρτώνται από το υλικό, τιςσυνθήκες φόρτισης και τη θερµοκρασία και είναι η ταχύτητα παραµόρφωσης

τη χρονική στιγµή . • Η ταχύτητα ερπυσµού εξαρτάται από την επιβαλλόµενη τάση και τη

θερµοκρασία. • Οι σχέσεις που έχουν προταθεί για την ταχύτητα ερπυσµού είναι η σχέση

Norton-Bailey που εφαρµόζεται στην περιοχή των µέσων τάσεων και

η Sherby-Burke για την περιοχή των υψηλών τάσεων. • Η σχέση Garofalo καλύπτει ταυτόχρονα και τις δυο περιοχές τάσεων.

(ε= ε0+ a⋅log (l+ k⋅t)+ ε̇⋅t)

(ε= ε0+ b⋅tn+ ε̇⋅t)

(ε= ε0+ c⋅(l− e− mt)+ ε̇⋅t )

(ε̇= A⋅σn)

(ε̇= A'⋅exp(a⋅σ))

(ε̇= A''⋅sinh(β⋅σ)n)

Πειραματική διάταξη

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

• Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε αποτελείται από

1. ένα απλό σύστηµα µοχλών και βαρών, µέσω του οποίου επιτυγχάνεται η επιβολήσταθερού φορτίου στο δοκίµιο και

2. ένα βελόµετρο. • Η πειραµατική διάταξη θα µπορούσε να περιλαµβάνει ένα φούρνο ο οποίος να

κρατά σταθερή τη θερµοκρασία του δοκιµίου για όσο χρόνο διαρκεί το πείραµα

(τουλάχιστον 1000 h). • Στη µορφή των δοκιµίων δεν υπάρχουν αυστηρές προδιαγραφές.• Μπορούν να χρησιµοποιηθούν τα τυπικά δοκίµια που χρησιµοποιούνται στη

δοκιµή εφελκυσµού.

Πειραματική διαδικασία

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

1. Το δοκίµιο τοποθετείται σε αρπάγες και του εφαρµόζεται σταθερό

εφελκυστικό φορτίο, που αντιστοιχεί σε τάση ερπυσµού , µέσω του

συστήµατος µοχλών.

2. Τότε αρχίζει η καταγραφή µετρήσεων µετατόπισης – χρόνου σε χρονικά

διαστήµατα που καθορίζονται από την ταχύτητα εξέλιξης του φαινοµένου.

3. Στο αρχικό στάδιο του µεταβατικού ερπυσµού που η καµπύλη παρουσιάζει

σηµαντικές µεταβολές λαµβάνονται µετρήσεις σε µικρά χρονικά διαστήµατα

τα οποία σταδιακά αραιώνουν.

4. Σε ένα πραγµατικό πείραµα ερπυσµού και όταν η καµπύλη περάσει στοστάδιο του δευτερεύοντος ερπυσµού, οι µετρήσεις µπορούν να απέχουν

χρόνο περισσότερο της µιας ηµέρας.

Μετρήσεις

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

Αποτελέσματα

Αντοχή Υλικών

Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών, Σ.Τ.Ε., ΤΕΙ Χαλκίδας Δρ Γεωργαντζίνος Κ. Στ.

1. ∆ιάγραµµα παραµόρφωσης χρόνου

2. ∆ιάγραµµα ταχύτητας παραµόρφωσης – χρόνου