Mekanika e shkatërrimit I-Thyerjet për shkak të shkarjes (rrëshqitjes)-creep

SHKATËRRIMI (THYERJA) NGA SHKARJA

ThyerjaThyerja

Gjatë shfrytëzimit (eksploatimit), materialet, përkatësisht detalet (pjesët) e gatshme njëkohësisht i nënshtrohen veprimit të ngarkesave të jashtme konstante në kohëzgjatje të pakufizuar (pambarimisht të madhe) dhe temperaturës.

Ndikimi i njëkohësishëm (bashkëveprues) i këtyre ngarkesave dhe temperaturës, në vijim të kohës shkakton paqëndueshmëri (jostabilitet) përmasor që mund të eskalojë deri në shkatërrim të materialeve, përkatësisht detaleve (pjesëve) të gatshme.

Deformimi i materialit nën veprimin e ngarkesës konstante të ngadalshme në kohëzgjatje të pakufizuar (pambarimisht të madhe) dhe në temperaturë të caktuar njihet me termin SHKARJE-ZVARRITJE-RRJEDHJE-RRËSHQITJE (ang. CREEP, fr. FLUAGE)

Creep “Time-dependent permanent

deformation of a material under constant loading at high temperatures”

“The slow and progressive

deformation of a material with time at constant stress”

Creep

Time dependant permanent deformation

At constant load (stress), strain continues to increase

G

1 2 3

G

TE

MP

ER

AT

UR

A

NDIKIMI I PESHËS

NDIKIMI I PESHËS DHETEMPERATURËS

G

Detalet (pjesë) që i nënshtrohen shkarjes:

-akset (boshtet) e turbinave nën veprimin e forcës së gravitacionit,

-fletët(lopatat) e turbinave gjatë punës,-enët nën presion,-gypat, respektivisht gypsjellësit

(tubacionet),-këmbyesit e nxehtësisë,-detalet, përkatësisht pjesët tjera që

shfrytëzohen (eksploatohen) në kondita ku veprojnë ngarkesa konstante të bashkëshoqëruara me veprim të temperaturës, etj.

Applications

• In design, we seek materials that will carry the design loads without failure for the design life at the service temperature. Creep is an important consideration in design in three types of high temperature applications.

1.Displacement-limited applications- (përdorimi te çvendosjet e kufizuara)

• Displacement-limited applications in which precise dimensions or small clearances must be maintained such as in turbine rotors in jet engines

2. Rupture-limited applications-përdorimi gjatë ekzistimit të rrezikut të thyerjeve (këputjes) nga tërheqja• Rupture-limited applications in

which precise dimensions are not essential but fracture must be avoided such as in high-pressure steam tubes and pipes

3.Stress-relaxation-limited applications-përdorimi gjatë kufizimit të relaksimit të sforcimeve• Stress-relaxation-limited applications

in which an initial tension relaxes with time such as in suspended cables and tightened bolts

Practical example

• An example of an application involving creep deformation is the design of tungsten lightbulb filaments. Sagging of the filament coil between its supports increases with time due to creep deformation caused by the weight of the filament itself. If too much deformation occurs, the adjacent turns of the coil touch one another, causing an electrical short and local overheating, which quickly leads to failure of the filament .

Other some examples

•Though mostly due to the reduced yield stress at higher temperatures, the Collapse of the World Trade Center was due in part to creep from increased temperature operation.•The creep rate of hot pressure-loaded components in a nuclear reactor at power can be a significant design-constraint, since the creep rate is enhanced by the flux of energetic particles.

High temperature materiials problem:Atoms move faster (diffusion-controlled process). This affects mechanical properties of materials.Greater mobility of dislocations (climb).Increased amount of vacancies.Deformation at grain boundaries.Metallurgical changes, i.e., phase transformation, precipitation, oxidation, recrystallisation.

Praktikisht me rritjen e temperaturës, zvogëlohet rezistenca ndaj deformimit dhe ky zvogëlim është aq më i madh sa më e lartë që është temperatura.

TemperaturaSforcimi Koha

Faktorët kryesorë që përcaktojnë shkarjen janë:

Temperatura në të cilën realizohet shkarja:

Tshkarjes>0,4TSh (shkrirjes)

Te metalet temperatura e shkarjes është gati e barabarte me temperaturën e rikristalizimit (Tr)

-Çeliku 450 (oC)

-Bakri 250 (oC)

Materialet polimerike-pësjnë shkarje në temperaturë të dhomës

Threshold for Creep

The Critical Temperature for Creep is 40% of the MeltingTemperature.

If T > 0.40 TM Creep Is Likely

Temperature• The temperature at which a material starts to creep

depends on its melting point . • It is found that creep in metals starts when the

Temperature > 0.3 to 0.4 Tm (the melting temperature in Kelvin)

• Most metals have high melting points and hence they start to creep only at temperatures much above room temperature. This is the reason why creep is less familiar phenomena than elastic or plastic deformation.

Examples

• Creep of carbon steels is important at temperatures above 500 C (Tm=1810 K)

• Aluminum starts to creep above 100 C (Tm=933 K)

• Lead is a low melting metal (Tm = 600 K)

Creep ExampleWill Lead Products Creep at Room Temperature?

TM = 327 °C = 600 °KTROOM = 23 °C = 296 °K

100 x 296 / 600 =49.3 % Will or Not?

Creep curve-Kurba e shkarjes-rrëshqitjes:

The creep curve is obtained by applying a constant tensile load below the yield point to a specimen maintained at constant temperature.

Kurba e shkarjes përfitohet gjatë veprimit të ngarkesës konstante në mostër (kampiion) nën kufirin e rrjedhshmërisë në temperaturë konstante.

Diagrami i shkarjes:)(exp

.

RT

QK

dt

d n −== σεε

Kurba e shkarjes (rrëshqitjes)

Stages of Creep1. Primary creep where the rate of change of strain decreases

with time due to strain hardening of the material.

2. Steady-State creep where the strain increases linearly with time. From design point of view, this region is the most important one for parts designed for long service life because it comprises the longest creep duration. The main creep test result is the slope of this region which is known as the steady-state creep rate ( s). During this stage of creep, there is a balance between strain hardening due to deformation and softening due to recovery processes similar to those occurring during the annealing of metals at elevated temperature.

3. Tertiary-creep where the strain increases rapidly until failure or rupture. The time to failure is often called the time to rupture or rupture

Diagrami, gjegjësisht vetë procesi i shkarjes (zvarritjes) ndahet në tre faza (stade). Në fazën (stadin) e parë, që quhet edhe faza (stadi) fillestare e zvarritjes, zgjatimi realizohet sipas relacionit:

•Faza e parë (shkarja primare)

ε1 = tm

Vlera e eksponentit m-eksponenti i shkarjes në fazën e parë, është më e vogël se 1 dhe pas rritjes rapide të zgjatimit në njësi të kohës në fillim të ngarkimit me ngarkesë konstante, rritja e mëtejme gradualisht zvogëlohet.

Në fazën (stadin) e dytë të shkarjes (zvarritjes), që quhet faza(stadi) e shpejtësisë konstante të shkarjes (stadi stacionar), që konform emërtimit, rritja e zgjatimit në njësi të kohës është konstant, ndërsa diagrami është në trajtë të drejtëzës dhe shprehet me relacionin:

ε = k t

k- konstantë që varet prej llojit të materalit

Pas fazës (stadit) së dytë të shkarjes (zvarritjes), ndodh faza e tretë, faza përfundimtare e shkarjes (zvarritjes) ku sërish ndodh rritje rapide e zgjatimit në njësi të kohës, që shprehet sipas relacionit:

ε3 = tm

Vlera e eksponentit m-eksponenti i shkarrjes në fazën e tretë, është më e madhe se 1. Në fazën (stadin) e tretë të shkarjes (zvarritjes) vjen edhe deri te shkatërrimi këputja (ruptura) e mostrës (kampionit).

Kurba e shkarjes (rrëshqitjes)

Ndikimi i temp. gjatë sforcimit konstant

Ndikimi i temperaturës dhe sforcimit

Mekanizmat e shkarjes

1)Dislocation glide- çvendosja-lëvizja e dislokacioneve

Involves dislocation moving along slip planes and overcoming barriers by thermal activation. Occurs at high stress.

2) Dislocation climb- ngjitja e dislokacioneve dhe bashkëveprimi reciprok me vendet vakante ose pozicionet intersticiale

Involves dislocation movement to overcome barriers by diffusion of vacancies or interstitials.

3) Diffusions- Difuzioni

Involves the flow of vacancies and interstitials through a crystal under the influence of applied stress.

4) Grain boundary sliding-rrëshqitja e kufikokrrizave

Involves the sliding of grains past each other

Përcaktimi i qëndrueshmërisë ndaj shkarjes(According to ASTM E139-70).

• Kampionet-mostrat

Përcaktimi i rezistencës ndaj shkarjes (zvarritjes) kryesisht bëhet me mostra (kampione) të njejtë si ato të provës së tërheqjes, ndërsa më së shumti përdoren mostra (kampione) me prerje tërthore rrethore me filetë në pjesët anësore (lloji B i kampionëve). Mund të shfrytëzohen edhe kampione me prerje tërthore rrethore me kanal unazor.

Prova realizohet me ngarkesë konstante dhe në temperaturë të caktuar. Mostra (kampioni) gjatë provës gjendet në furrë në të cilën me ndihmën e termostatit rregullohet temperatura e furrës.

Përcaktimi i rezistencës ndaj shkarrjes kryhet me veprim të ngarkesës :

-në kohë të shkurtër të veprimit (t<100h)-veprim afatshkurtër i ngarkesës,

-në kohe të gjatë të veprimit (t>100h)-veprim afatgjatë i ngarkesës.

Tërheqja

Tërheqja

Tërheqja

PP

P

10 mm

initial state after creep

Compression

Shtypja (ngjeshja)

Karakteristikat që përcaktohen gjatë shkarjes:

-Kufiri i rrjedhshmërisë gjatë shkarjes (Rsh/t/T

Kufiri i rrjedhshmërisë gjatë shkarjes-zvarritjes (Rsh/t/T/ ), prezanton sforcimin në tërheqje që në temperaturën konkrete të provës (T) pas kohës së caktuar të veprimit të ngarkesës (t) shkaktohet në mostër deformim ireverzibil (mbetës). Shpeshhere ky deformim mund të jetë 0.1; 0.2; 0.5 ose 1%.

P.sh. R0.2/1000/500 tregon kufirin e rrjedhshmërisë gjatë shkarjes pas veprimit të ngarkesës në kohëzgjatje prej 1000 orësh në temperaturën 500oC.

-Qëndrueshmëria maksimale statike e shkarjes Rmsh/t/T

Qëndrueshmëria maksimale statike e shkarjes (Rmsh/t/T paraqet qëndrueshmërinë maksimale në tërheqje gjatë shkarjes, për kohë të caktuar (t) të provës dhe në temperaturën e caktuar (T).

P.sh. Rm/1000000/475 tregon qëndrueshmërin maksimale statike në tërheqje gjatë shkarjes të mostrës (kampionit) pas veprimit në kohëzgjatje veprimi prej 1000000 orë në temperaturën 475oC.

38

Creep Fracture: Various Conditions

How Do We Deal With Creep ?

1. Reduce the effect of grain

boundaries Use Single Crystals

2. Change Materials

3. Change Operating Conditions

9%Cr, 10%Co, 2%Ti, 5%Al, 12,5%W, 0,05%Zr, 0,015B, 0,15C dhe pjesa tjetër nikel-Ni.

Relaksimi

Stress relaxation is a decreased tendency for the material to return to its original shape when unloaded.

CREEP

RELAXATION

Creep

FF

FF

time

fixed strain

Stress Relaxation

fixed load

time

Permanent deformation

Relaksimi i bashkimit me bulona

Sipërfaqja e thyerjes

Superplasticiteti

Termi (koncepti) superplasticitet përdoret për të treguar sjelljen thuajse viskoze të disa metaleve dhe lidhjeve metalike që mund të përballojnë shkallë të madhe deformimi, që mund të arrijë vlerë deri në 5000%. Këto materiale kanë gjetur zbatim industrial, pasi që plasticiteti i këtillë mundëson realizimin jo vetëm të operacioneve klasike të përpunimit plastik, por jep mundësinë e realizimit të operacioneve të reja (jo të zakonshme-jokonvencionale) të përpunimit.

Superplasticity

Superplasticity is a phenomenon in which some materials will demonstrate remarkably high strain to failure at a strain rate roughly around 0.001/s. This phenomenon generally happens at high temperatures > 0.5 Tm.

Superplastic deformation can be achieved at high temperatures to form complex shapes which are impossible to obtain using traditional processes such as rolling, forging, extrusion, or drawing processes.

Superplastic tensile deformation in Pb–62% Sn eutectic alloy tested at 415 K and a strain rate of 1.33 × 10−4 s−1; total strain of 48.5.

(From M. M. I. Ahmed and T. G. Langdon, Met. Trans. A, 8 (1977) 1832.)

Superplasticity

(a) Effect of grain size on elongation: (A) Initial configuration. (B) Largegrains. (C) Fine grains (10 μm) (Reprinted with permission from N. E. Paton, C. H.Hamilton, J. Wert, and M. Mahoney, J. Metal, 34 (1981) No. 8, 21.)

(b) Failure strainsincrease with superimposed hydrostatic pressure (from 0 to 5.6 MPa). (Courtesy ofA. K. Mukherjee.)

Effect of Grain Size on Elongation

Paramatri i Larsen-Millerit, paraqet korrelacionin (ndërlidhjen) ndërmjet temperaturës dhe kohës së shkatërrimit (thyerjes) për shkak të dukurisë së shkarjes.

P(Larsen-Miller) = T[log tr + C]

T = temperatura (K), tr-koha e shkatërrimit për shkak të veprimit të sforcimit në tërheqje (orë-h) C = Constant (order of 20)