Dr Zijah Burzić, dipl. inž.Viši naučni saradnik

ANALIZA LOMA

1. U V O D

Lom konstrukcije, načelno, počinje na mestu najnepovoljnije kombinacije slabog mjesta i lokalnih napona koji se mogu bitno razlikovati od prosečnih napona po preseku komponente. Za otkrivenu prslinu, koja se obrazuje u takvom području, ili za postojeću početnu prslinu, koja potiče iz proizvodnje, konstrukcija može biti sigurna ili nesigurna što zavisi od ponašanja prsline pri širenju. Izvesnost sa kojom može da se postigne pouzdanost i sigurnost prema lomu tokom eksploatacije zavisi od saznanja kako i zašto dolazi do pojave loma i od ispravnog korišćenja ovih podataka u projektovanju, proizvodnji i kontroli kvaliteta.

Najvažniji korak pri svakoj analizi loma je vizuelni makroskopski, pregled oštećene komponente. Prilikom ispitivanja mesta i površine preloma treba, kao najpreče, uočiti: mesto ili mesta začetka loma; eventualni uticaj koncentratora napona; pravac napredovanja prsline i redosled razvoja loma; oblik i mehanizam oštećenja; način opterećivanja, karakter, usmerenost i veličinu napona; greške koje su doprineli lomu, i moguće prisustvo materija koje bi mogle oštetiti površinu preloma i

onemogućiti dalju analizu.

U skladu sa ovim preporukama izvedena je analiza velikog broja slučajeva lomova u eksploataciji [4,5] i rezultati analize mogu korisno poslužiti inženjerima angažovanim u svim fazama oblikovanja i eksploatacije konstrukcije.

2. KLASIFIKACIJA LOMA

Ključni aspekt analize loma je određivanje mehanizma kojim je taj lom ostvaren. Do sada je preporučen niz šema ali one najadekvatnije uključuju klasifikaciju sa stanovišta makroskopskih i mikroskopskih karakteristika izgleda površine preloma. Makroskopskim pregledom se lom može definisati kao: krti, duktilni, ili zamorni.

- 1 -

Mikroskopskom analizom površina preloma (npr. skenirajuća elektronska mikroskopija) se uočavaju pojavni oblici vezani za mehanizme loma i rast prsline.

2.1. Makroskopski izgled površina preloma

Krti lom je, načelno, nepredvidiv jer se događa u toku normalne eksploatacije a posledica je prisustva neke neotkrivene greške u materijalu gde se začela prslina. Pri tome se lom najčešće odvija velikom brzinom, a može biti praćen reskim praskom. Osnovne makroskopske karakteristike krtog loma (sl. 1) su: plastičnih deformacija praktično nema ili su jedva primetne; površina preloma je, načelno, ravna, površina preloma ima povećanu refleksiju svetlosti, i mogu biti prisutni strelasti tragovi.

Slika 1. Površina preloma krtog loma čelične konstrukcije

Za razliku od krtog loma, duktilni lom je manje istraživan iz prostog razloga što se rietko pojavljuju u praksi. Naime on je, najčešće, posledica pojave preopterećenja tokom eksploatacije pri čemu se prateći naponi pri pojavi loma mogu analitički sračunati. Takođe, rast prsline i lom se odvijaju relativno sporo, što omogućava da se oštećenje uoči pre otkaza. Osnovne makroskopske karakteristike duktilnog loma (sl. 2) su: lomu prethode značajne plastične deformacije; prisutne su često vidljive usne klizanja; površina preloma može biti vlaknasta ili imati svilastu teksturu, i poprečni presek na mestu preloma je smanjen zbog kontrakcije.

- 2 -

Slika 2. Duktilni lom cevi pod pritiskom u toku eksperimenta ipovršina preloma sa usnama klizanja (označene strelicama)

Koji će oblik loma prevladati i u kojem odnosu zavisi od svojstava materijala i od eksploatacionih uslova (radne temperature, hemijskog sastava medija, brzine dejstva i oblika opterećenja) i dimenzija komponente. Uticaj dimenzije se pre svega odražava na vid naponskog stanja pri kome se odvija rast prsline. Načelno, deblji elementi omogućavaju pojavu ravnog stanja deformacija u okolini vrha prsline što se manifestuje u makroskopski ravnom lomu pri naponima u oblasti elastičnosti. Kod tanjih elemenata plastično tečenje se odvija neometano što dovodi do rasta prsline u uslovima ravnog stanja napona a lom se makroskopski manifestuje kao kosi lom, sa manje ili više izraženom kontrakcijom preseka.

Ukoliko je komponenta konstrukcije izložena dejstvu promenjivog opterećenja koje izaziva napone znatno manje od napona tečenja Rp0,2 materijala, do loma može doći usled procesa poznatog kao zamor. Razumevanje procesa zamora je od velike praktične važnosti jer je on uzročnik velikog broja otkaza u toku eksploatacije. Osnovna makroskopska karakteristika zamornog loma je pojava manje ili više uočljivih lučnih pojasa različitih svetlo-tamnih nijansi na relativno gladkoj površini (sl. 3).

Slika 3. Izgled polomljenog kolenastog vratila usled zamora

- 3 -

Ti pojasi predstavljaju pojedine periode rasta prsline i njenog mirovanja u toku kojih se uslovi eksploatacije razlikuju. [to su razlike značajnije, kontrasti između pojaseva su izražajniji i obrnuto.

Termin zamorni lom treba shvatiti uslovno. Naime, ako se napredovanje prsline pri svakom zamornom ciklusu tretira kao ograničeni lom, onda se i zamorni lom može, sa makroskopskog stanovišta, tretirati kao krt ili duktilan. U inženjerskoj praksi se zamorni lom uglavnom tretira kao specijalni slučaj krtog loma, jer na površini prsline nema izraženih makroskopskih detalja koji karakterišu duktilni lom [5]. Takođe, kako je konačan lom posledica rasta prsline i smanjenja nosivosti elementa, treba naglasiti da se termin "površina prsline" odnosi na onaj deo površine preloma koji je formiran zamorom i ne učestvuje više u prenošenju opterećenja. Na sličan način se analizira i lom usled naponske korozije.

2.2. Mikroskopski izgled površina preloma

Metalni konstrukcijski materijali, posebno njihove legure su izuzetno složene strukture. Primer složene strukture data na na sl. 4 obuhvata najvažnije strukturne konstituente. Od osnovnog značaja je činjenica da su skoro svi oni polikristalni, tj. da se sastoje od velikog broja zrna, od kojih svako ima sopstvenu orijentaciju kristala. Ispitivanja izgleda površine preloma elektronskom mikroskopijom omogućavaju da se utvrde mehanizmi loma i rasta prsline.

Slika 4. Shematski prikaz složenosti mikrostrukture metalnih materijala

Ukoliko se lom posmatra u odnosu na lom zrna, on se može klasifikovati kao transgranularni (kroz zrna) ili intergranularni (između zrna, tj. po njihovoj granici). Lom se razvija mehanizmom: cepanja, ili povezivanja mikropraznina.

- 4 -

Cepanje je razdvajanje duž atomskih ravni, pri čemu su ravni razdvajanja od zrna do zrna različito orijentisane (sl. 5a). Zbog toga se dobija fasetna površina preloma kao na sl. 5b koja, kada se posmatra golim okom, svetluca zbog dobre refleksije. (Fasete su ravne površinice omeđene granicom zrna). Takođe, bitna mikroskopska karakteristika ovog oblika loma su kaskade. One predstavljaju granice između međusobno paralelnih ravni cepanja unutar zrna, koje uvek konvergiraju u pravcu razvoja loma [6].

Slika 5. Lom mehanizmom cepanja:a) Shematski prikaz b) Izgled na SEM-u

Mehanizam razvoja loma povezivanjem mikropraznina je shematski prikazan na sl.6a.

Slika 6. Lom mehanizmom transgranularnog povezivanja mikroprazninaa) Shematski izgled, b) Izgled površine preloma na SEM-u

- 5 -

Svi metalni materijali sadrže razne oblike diskontinuiteta od kojih su najznačajniji metalni delići druge faze, uključci i produkti taloženja. Pri delovanju zateznih opterećenja na metalne komponente do prvog labavljenja i razdvajanja veza dolazi kod većih delića (1-20 m), pri čemu se ispred vrha prsline formiraju praznine različitog oblika i veličine. Daljim porastom opterećenja dolazi do plastčene deformacije ligamenata između tih praznina da bi konačnim kidanjem došlo do njihovog povezivanja i formiranja površine prsline. Zbog toga je ta površina pod mikroskopom rupičasta (sl. 6b) i, zbog slabe refleksije, siva kada se posmatra golim okom.

Lom, bez obzira na mehanizam, je veoma brz proces. Lom cepanjem se može odvijati brzinom i do 2100 m/sec, dok se lom mehanizmom povezivanja mikropraznina kreće do 500 m/sec. Treba upozoriti na činjenicu da se krti lom sa malim utroškom energije zbog ravne površine preloma, greškom, pripisuje mehanizmu cepanja. Sa metalurškog stanovišta, međutim, to ne mora da bude tačno jer i ako površina preloma može biti gladka gledajući površinu bez ili sa malim uvećanjem, ona ne mora biti ostvarena mehanizmom cepanja. Najveći dio lomova u eksploataciji se dogodio mehanizmom povezivanja mikropraznina ali je većina bila bez vidljivijih plastičnih deformacija. Sa inženjerskog stanovišta takvi lomovi se smatraju krtim, bez obzira dali je mehanizam loma bio cepanje ili duktilno čupanje.

Lom nekog elementa na dva ili više delova se često može posmatrati kao odvijanje nekontrolisanog rasta prsline izuzetnom brzinom. Sa druge strane do tog kritičnog trenutka prslina u uslovima normalne eksploatacije može da raste relativno sporo (dokritični rast prsline) pod dejstvom:a) zamora tj. promjenljivog opterećenja;b) naponske korozije pri dugotrajnom statičkom opterećenju;c) puzanja,d) naprskavanja zbog vodonične krtosti;e) naprskavanja zbog krtosti uslovljene absorpcijom tečnog metala.

Posebno važno je objasniti mehanizam rasta prsline zamorom, koji je najčešći i najopasniji oblik dokritičnog rasta prsline. Jedan od mogućih modela za rast prsline zamaranjem, koji se bazira na naizmeničnom klizanju [8], je prikazan na sl. 7a. Čak i pri malim zateznim opterećenjima se na vrhu prsline, zbog velike koncentracije napona, pojavljuje plastično tečenje koje se manifestuje klizanjem po kristalografskoj ravni u pravcu maksimalnog tangencijalnog napona (etapa 1-2). Nakon toga se klizanje aktivira u drugoj kristalografskoj ravni zbog čega se prslina produži za priraštaj a (etapa 3). Dalji porast napona i deformaciono ojačavanje dovode do pojave otvaranja vrha prsline i njegovog zatupljivanja (etapa 4). U toku

- 6 -

rasterećenja okolni elastično deformisani materijal pritiskuje plastično deformisanu zonu na vrhu prsline što dovodi do delimičnog zatvaranja vrha prsline tj. njenog ponovnog zaoštravanja (etapa 5). Ovaj proces rasta prsline tokom jednog ciklusa opterećenje-rasterećenje se dalje nastavlja tokom delovanja sledećih zamornih ciklusa opterećenja (etapa 5-6 ) pri čemu se rast prsline najčešće odvija kroz zrna tj. transkristalno.

Slika 7. Model rasta prsline pri zamoru i mikroskopski izgled površine prsline jednog austenitnog čelika za vijke sa

uočljivim strijama na površini prsline [6]

Naizmenično zatupljivanje i zaoštravanje vrha prsline ostavlja tragove na površini prsline koji se manje ili više jasno mogu uočiti pri velikom uvećanju, npr. na elektronskom skenirajućem mikroskopu (sl. 7b). Ovi tragovi, koji se nazivaju zamorne strije, reprezentuju uzastopne položaje čela prsline, tj. mesta zatupljivanja/zaoštravanja vrha prsline. Drugim rečima rast prsline a pri jednom ciklusu je predstavljen širinom jedne strije i reda je veličine 10 -7 - 10-3 mm. To znači da je za rast od 1 mm potrebno 103 - 107 ciklusa opterećenja.

Rast prsline usled naponske korozije je spor proces. Prslina napreduje zbog dejstva korozije po granici zrna koja se nalaze na vrhu prsline. Kako se ta zrna izložena dejstvu zateznih napona od delujućih kvazistatičkih opterećenja, korozija, slabeći njihove međusobne veze olakšava razdvajanje tj. rast prsline između zrna (interkristalni lom).

Uobičajeni mehanizam rasta prsline pri puzanju se sastoji u stvaranju praznih atomskih veza, vakansija. Kada vakansije dostignu veliki broj formiraju se rupe koje se pod dejstvom zateznih opterećenja spajaju formirajući čelo prsline. Rast prsline usled vodonične krtosti nije čest u praksi, dok se rast prsline usled absorpcije tečnog metala ispred vrha prsline nije od većeg interesa za noseće konstrukcije.

- 7 -