Temeljne mehanske lastnosti konstrukcijskih materialov
Fundamental mehanical properties of structural materials
M. Marinček, Gregorčičeva 11, 61000 Ljubljana
Temeljne mehanske lastnosti so tiste, ki so osnova za nelinearno računalniško simulacijo konstrukcij glede na mejna stanja. Predvsem so izražene s krivuljo odnosa napetost-raztezek pri enoosnem stanju napetosti, dobljenim z nateznim preizkusom. To krivuljo predstavljajo parametri: togost (začetni modul elastičnosti), konec Hookove premice (meja proporcionalnosti ali meja tečenja), oblika krivulje (eksponent utrditve) in konec krivulje (pravi lomni raztezek oziroma natezna lomna duktilnost). Pri nižjih temperaturah, višjih hitrostih raztezkov in neugodnem triosnem stanju napetosti ter drugih vplivih se lahko pojavi krhki lom sicer duktilnih materialov. Degradacijo materiala s časom izrazimo s spremembo navedenih parametrov.
Ključne besede: konstrukcije, mejna stanja, odnos napetost- raztezek, triosnost, zareze, duktilnost
The fundamental mechanical properties of materials are those which are the basi s for the nonlinear computer simulation of structures with regard to their limit states. They are presented first of ali by the uniaxial stress-strain curve obtained with a tensile test. This curve is expressed with the following parameter s: stiffness (initial elastic modulus), the end of the Hook 's straight line (proportional limit or yie Id strength), the shape of the curve (strain hardening exponent) and the end ofthe curve (true fracture strain and tensile fracture ductility respectively). At lower temperatures, higher strain rates and unfavorable triaxial stress state, brittle fracture ofother-wise ductile materials can occur. Degradation of the material with time is expressed with the change of the quotedparameters.
Key words: structures, limit states, stress-strain relationship, triaxiality, notches, ductility
1 Uvod
V industrijsko razvitih državah ocenjujejo, da znaša škoda zaradi zlomov konstrukcij okoli 4% bruto nacionalnega produkta. To bi pomenilo za Slovenijo blizu 40 miljard tolarjev. Z dobrim poznavan jem sodobne mehanike materiala in konstrukcij lahko v znatni meri zmanjšamo takšno škodo, zlasti še, če upoštevamo sedanje izjemne možnosti računalniške simulacije elasto-plastičnega obnašanja konstrukcij, z namenom določanja njihovih mejnih stanj Le s poznavanjem mejnih stanj konstrukcij lahko racionalno ocenjujemo varnost, zanesljivost in trajnost konstrukcij pri predvidenih obremenitvah.
Računalniška simulacija konstrukcij je osnovana na reševanju treh skupm enačb za napetostne elemente konstrukcij To so ravnovesni pogoji glede napetosti, kine-matični pogoji glede pomikov ter raztezkov m še zakonitost materiala, to je txlnos med napetostmi m raztezki. Medtem ko so ravnovesni in kmematični pogoji čisto matematični odnosi, je zakonitost materiala odvisna od laboratorijskih eksperimentov za enoosna, dvoosna in triosna stanja napetosti. Temeljna mehanska lastnost je
predvsem zakonitost pri enoosnem stanju napetosti vse do zloma. Dobimojo v obliki krivulje z nateznim preizkusom gladkega preizkušanca
Krivul jo napetost-raztezek lahko izrazimo s štirimi parametri: togost (začetni modul elastičnosti), konec Hookove premice (meja proporcionalnosti ali meja tečenja), oblika krivulje (en sam eksponent utrditve v najenostavnejšem primeru) in konec krivulje (pravi lomni raztezek odnosno natezna lomna duktilnost).
Krivulja napetost-raztezek za enoosno stanje napetosti je osnovni podatek o materialu za računalniško simulacijo mehanskega obnašanja konstrukcij. Parametri te krivulje se spreminjajo s temperaturo, hitrostjo raztezkov, in tudi pod vplivom triosnosti stanja napetosti.
Karakterizacija materiala glede na mehansko obnašanje naj bi zajela vse zgoraj navedene parametre. Z njimi je mo/jio izvesti tudi smotrno klasifikacijo materiala glede na mehanske lastnosti To je še posebno važno pri sedanjem ustvarjanju mednarodnih zbirk podatkov o materialih v zvezi z uporabo pri CAD/CAM Kemična sestava pove že
precej o materialu. O mehanskem obnašanju nam več odkrije mikrostruktura Vendar pa so kot osnova za kvantitativno presojo varnosti in zanesljivosti konstrukcij odločilne temeljne mehanske lastnosti materiala. Pri zareznih učinkih je zelo pomembna natezna lomna duktilnost, ne le pri statični, temveč tudi pri udarni ter ponavljajoči se obremenitvi. Natezna lomna duktilnost je zelo odločilen parameter v korelacijskih enačbah za različne žilavosti v mehaniki loma ter v konstantah materiala v zvezi z utrujanjem in lezen jem. Zelo pomembna je tudi pri plastičnem preoblikovanju.
Znanost o materialih razlaga vzroke za različne lastnosti, ki jih merimo pri mehanski preiskavi materiala. Zato pomeni mehanska preiskava materiala stičišče interesov med znanostjo o materialih in mehaniko kontinuuma.
2 Mejna stanja konstrukcij
Za dano obtežno pot dobimo s pomočjo računalniške simulacije elasto-plastičnega obnašanja konstrukcij kot rezultat pomike, raztezke 111 napetosti v poljubni točki konstrukcije. Vprašanje je, kaj početi z dobljenimi pomiki, raztezki in napetostmi. Odgovor je v upoštevanju mejnih stanj konstrukcij. Mejna stanja konstrukcij nam pokaže karakteristični diagram obtežba-pomik (slika 1). Na začetku imamo običajno linearno področje z Lwkot delovno obtežbo Pri Ly se prične opazen plastični pomik. Pri Lmax je dosežer 1 največja nosilnost s pripadajočoduktilnostjo konstrukcije. Včasih je važno tud i poznavanje padajočega dela krivulje do dejanskega zloma pri Lf.
strukcij po metodi mejnih stanj se dopušča upoštevanje večjih ali manjših plastičnih pomikov m raztezkov, seveda odvisno tudi od vrste obremenitve m namena konstrukcije Začetka plastičnih deformacij se ni treba bati, če zaradi njih ni zmanjšana nosilnost ali trajnost Vendar je pri tem za računalniško presojo varnosti potrebno upoštevati nelinearno obnašanje materiala, ki se začne s preseganjem meje proporcionalnosti.
Pri numeričnem določanju največje nosilnosti konstrukcije Lmax ima nelinearnost materiala še večjo vlogo Naj večji nosilnosti pripadajoča duktilnost konstrukcije je lahko zelo pomembna Pomeni predhodno opozorilo za nevarno stanje, pa tudi važno sposobnost disipaeije kinetične energije pri udarniali seizmični obtežbi Razmerje med Lmax m Ly kaže na plastično rezervo nosilnosti.
Vpliv zaostalih napetosti na karakteristični diagram za natezno palico izduktilnega materiala in brez zarezmli učinkov prikazuje slika 2. Zaradi zaostalih napetosti se tu nosilnost ne zmanjšuje, le nekoliko se povečajo pomiki v območju začetka nastajanja neelastičnih deformacij, kot kaže prekinjena črta Pri krhkih materialih m pri zareznih učinkih pa imajo lahko zaostale napetosti odločilen neugoden vpliv z zmanjšanjem nosilnosti in deformabilnosti Tudi pri tlačenih palicah lahko zaostale napetosti znatno zmanjšajo uklonsko nosilnost v obsegu srednjih vitkosti, kot je to razvidno s prekinjeno črto v sliki 3
Slika 2: Vpliv zaostalih napetosti pri natezni palici Figure 2: Influence of residual stresses on a tension bar
Slika t: Mejna stanja konstrukcij Figurel: Limit states of struetures
Pri Lwje pomembno mejno stanje uporabnosti. Določeno je z. mejnim elastičnim karakterističnim pomikom ali z omejitvijo nihanja. Modul elastičnosti je tu odločilna mehanska lastnost. Ob uporabi ustreznega faktorja varnosti je mejno stanje uporabnosti možno določiti na osnovi začetka plastičnega poškodovanja Lyali kar največje nosilnosti Lma.x, vendar tu ob uporabi primerno večjega faktorja varnosti. Začetka plastičnega poškodovanja Lyne določamo z doseganjem meje proporcionalnosti ali meje tečenja materiala v eni točki, kar upošteva metoda dopustnih napetosti za dimenzioniranje. Pri dimenzioniranju ali ocenjevanju kon-
Uporaba manj duktilnega materiala v konstrukciji oziroma dopuščanje večje rasti razpoke na kritičnem mestu, npr zaradi utrujanja ali napetostne korozije, povzroči, da se karakteristični diagram obtežba-pomik spreminja kot kažejo prekinjane črte v sliki 4 Pri tem se ne zman jšuje le varnost glede na nosilnost, ampak se manjša tudi pripadajoča duktilnost konstrukcije, vse do rabne obtežbe pri Lw, ko se konstrukcija brez preobremenitve poruši.
V primeru u|X)rabemateriala, ki ima značilnosti lezenja (elastoviskoplastičnost), torej večanja deformacij pri stalni obtežbi, se karakteristični diagram konstrukcije obtežba-pomik dopolnjuje s krivuljo pomika v odvisnosti od časa t, tako kot kažeta sliki 5 in 6 V prvem primeru ostane konstrukcija stabilna. V drugem nastopi nestabilnost, npr za-
radi geometrij sko nelinearnega obnašanja pri ekscentrični uklonski palici ali zaradi plastične nestabilnosti v nategu.
Na osnovi navedenega o mejnih stanj ilt konstrukcij je razvidno, da lahko uporabnik presoja konstrukcije pravzaprav le po nosilnosti in deformabilnosti, upoštevajoč pri presoji trajnosti seveda tudi njih spremembe pod vplivom časa. Raztezki in napetosti so zato predvsem pripomočki pri računanj u diagramov obtežba-pomik m seveda
Slika 6: Vpliv lezenja - nestabilni primer Figure 6: Influence of creep - čase of instabilitv
pri karakterizaciji materiala s temeljnimi mehanskimi lastnostmi.
Seveda je pri racionalnem ocenjevanju varnosti in trajnosti konstrukcij primeren tudi probabilistični pristop, tako glede obremenitev kot tudi glede nosilnosti konstrukcij. Tudi tuje potrebno jasno deterministično poznavanje mejnih stanj.
Slika 5: Vpliv lezenja - stabilni primer Figure 5: Influence of creep - čase of stabilitv
Slika 3: Vpliv zaostalih napetosti pri tlačeni palici Figure 3: Influence of residual stresses on compressed bar
Slika 4: Vpliv rasti razpoke na zmanjšanje nosilnosti in duktilnosti
Figure 4: Influence of crack grovvth on the decreasing of carrying capacity and ductility
3 Enoosni natezni diagram
Na sliki 7 je prikazana kontinuirana krivulja napetost-raztezek kot rezultat nateznega preiskusa z gladkim preizkušancem iz duktilnega materiala, ki pri doseganju največje sile pri preizkusu izkazuje lokalno kontrakcijo. Polno izvlečena črta predstavlja nominalni diagram napetost-raztezek, prekinjena pa pravi diagram napetost-raz-tezek. Pri polno izvlečeni krivulji je nominalna napetost sila, deljena s konstantno začetno površinopresekapreizkušanca, in nominalni raztezek se nanaša na znatno merilno dolžino (v Evropi običajno petkratni premer preseka preizkušanca). Pri prekinjani krivulj i v sliki 7 je prava napetost sila, deljena s pravo površino preseka, ki se zaradi plastične deformacije zmanjšuje, nazadnje z intenzivno lokalno kontrakcijo. Pravi raztezek se nanaša na zelo majhno merilno dolžino na mestu lokalne kontrakcije.
Rp0,2
LJ_U_i_
BtmAm A5
Slika 7: Nominalni in pravi odnos napetost-raztezek
Figure 7: Nominal and true stress-strain relationship
Nominalna napetost Rm je znana kot natezna trdnost. Predstavlja silo plastične nestabilnosti v nategu. Pri tem je pripadajoči enakomerni raztezek Am mera lomne duktilnosti dolgih nateznihpalic, ko lokalna kontrakcija praktično nima vpliva. Nominalni raztezek ob porušitvi žal še vedno služi kotmera lomne duktilnosti, npr As v sliki 7 Za računalniško simulacijo konstrukcij z upoštevanjem velikih plastičnih raztezkov (npr. za plastično preoblikovanje ali za določanje lomnih raztezkov in napetosti pri zarezah) ima povsem neuporabno vrednost, saj predstavlja le povprečje iz enakomernega raztezka Am in zelo spremenljivega pri lokalni kontrakciji. Odvisen je od merilne dolžine. Zato je nominalni raztezek ob porušitvi kot mera lomne duktilnosti neprimeren. Treba ga je zamenjati z enakomernim raztez-kom Am in s pravim lomnim raztezkom Af. Slednjega dobimo enostavno iz lomne kontrakcije Zf ob upoštevanju pogoja konstantnosti prostornine pri plastični deformaciji, torej Af= Zf: (1 - Zf). Enakomerni raztezek Am lahko služi za približni izračun eksponenta utrjevanja prave krivulje napetost-raztezek, medtem ko pravi lomni raztezek določa konec te krivulje. Primerno bi bilo, če bi zaradi enostavnosti m preglednosti rezultat meritev in za karakterizacijo in klasifikacijo materiala uporabljali, tako za enakomerni raztezek kot tudi za lomno duktilnost, vselej le linearni raztezek in ne logaritmičnega.
Med nateznim preizkušanjem okrogle palice pri lokalni kontrakciji nastanejo takšna triosna stanja napetosti, da material postane trši. Ta triosnostje odvisna predvsem od najmanjše zakrivljenosti konture kontrakcije. Potrebno je napraviti korekcijo na enoosno stanje. Zlom se začne v sredini prereza, kjer je tudi največja napetost Pri enaki hitrostirazmikanja glave preizkuševalnega stroja se hitrost raztezkov na najožjem mestu lokalne kontrakcije znatno poveča Na to vpliva tudi togost stroja. Zaradi pospešene plastične deformacije se poviša temperatura na najbolj zoženem mestu tudi do 200°C. Zato je določanje prave lomne trdnosti Rf, s tem da enostavno delimo lomno silo z lomno površino preseka, seveda le približno. Na osnovi mnogih raziskav v svetu, pa tudi pri nas, v zvezi z napetostno defonnacijskimi razmerami v območju lokalne kontrakcije pri nateznem preizkusuokroglih pieiskušancev bi bilo zelo koristno izdelati napotke za točnejšo presojo prave lomne trdnosti kot tudi prave lomne duktilnosti. Zelo približno lahko ocenimo lomno trdnost tudi z ekstrapolacijo prave krivulje napetost-raztezek na osnovi eksponenta utrjevanja, ki vel ja za območje enakomernega raztezka.
S spremembami opisanih štirih parametrov, ki jih dobimo z nateznim preizkusom, je primerno presojati vpliv toplotne in mehanske obdelave, staranja, nevtron-skega sevanja, lezenja, nizkocikličnega utrujanja ipd. Ugotavljamo lahko tudi anizotropijo in nehomogenost materiala, npr. v posameznih toplotno vplivanih conah zvarov.
Splošna tendenca je, da se z večjo trdnostjo materiala prava lomna duktilnost praviloma zmanjšuje.Na to zmanjšanje vplivajo predvsem nečistoče v materialih, to je prisotnost raznih vključkov, ki vplivajo v smislu poroznosti in zato tudi na zmanjšanje lomne duktilnosti Seveda je važna oblika vključkov in njih orientacija ter razporeditev. Ker imajo vključki zelo verjetno tudi vpliv pri koroziji, eroziji, obrabi, kavitaciji ipd., je primerno, da se pri karakterizacij i materiala s tem v zvezi vselej ugotavlja zlasti še prava lomna duktilnost
Velik uspeh je napraviti material z visoko trdnostjo in hkrati s čim večjo duktilnostjo. V sliki 8 sta prikazana nominalni in pravi diagram napetost-raztezek za mikrole-giranojekloNiomol 490jeseniške železarne. Prava lomna duktilnost, izražena z linearnim raztezkom, znaša tu kar 400%. To pomeni, da se delček dolžine en milimeter podaljša na pet milimetrov, preden se pretrga Jasno je, da ima tak material tudi veliko žilavost in zato znatne prednosti pri preobremenitvi ob prisotnosti razpok, npr zaradi utrujanja.
Velikosti raznih lomnih žilavosti materiala, ugotovljene na preizkušancili različnih geometrijskih oblik, so zelo povezane z lomno duktilnost jo, dobljeno z nateznim preiskusom. Lahko pa rečemo, da je osnovna žilavost materiala, kije neodvisna od raznih oblik preizkušancev, delo, ki ga predstavlja površina izpod pravega diagrama napetost-raztezek. Zato bi ga kazalo izkazovati pri nateznih preizkusili, zlasti še v zvezi z raziskovanjem v lomni mehaniki m s preoblikovanjem.
R
MPa
1500
1000
6 = a +

0 50 100	200	300	400 % A
Slika 8: Nominalni in pravi odnos napetost-raztezek za jeklo Niomol 490
Figure S: Nominal and true stress-strain relationship for Niomol 490 steel
Na slilvi 9 so brezdimenzionalni kontinuirani diagrami napetost- raztezek po Ramberg-Osgoodu za različne eksponente utrjevanja Ti so zelo pripravni za parametrične študije o vplivu eksponenti! utrjevanja pri računalniški simulaciji elasto-plastičnega obnašanja kon-strkcij, pri problemih z majhnimi, srednjimi in velikimi raztezki. S tem da pri kontinuiranih diagramih zamenjamo običajno mejo tečenja Rp0,2 s tisto napetostjo, pri kateri sta elastični in plastični raztezek enaka, dobimo brezdimenzionalne diagrame napetost-raztezek z enim samim parametrom, to je z eksponentom utrjevan ja N. S tem ko normiramo napetosti s to drugače definirano mejo tečenja, raztezke pa s pripadajočim elastičnim raztezkom, gredo vse krivulje na sliki 9 z različnimi eksponenti utrjevana skozi skupno točko s koordinatama 1 in 2, neodvisno od meje tečenja in elastičnega modula. Z ustrezno izbiro nekaj reprezentativnih eksponentov utrjevanja N bi se lahko s pomočjo računalniške simulacije karakterističnih elementarnih trdnostnih problemov izdelalo brezdimenzionalnediagrame za normirane poteke pomikov, raztezkov in napetosti, v odvisnosti od normirane obtežbe. Ti diagrami za presojo vpliva eksponenta utrjevanja bi lahko služili kot pripomočki konstruktorjem in tudi pri izobraževanju. Vredno bi jih bilo izdelati z mednarodnim sodelovanjem, potem ko bi se doseglo soglasje o ustrezni izbiri reprezentativnih eksponentov utrjevanja.
SI ika 10 prikazu je diagram napetost-raztezek za kovine, ki izkazujejo plastični plato. Tujemeja proporcionalnosti identična z mejo tečenja. Plastični plato je posledica postopnega hipnega nastajanja lokalnih Luderjevih plastičnih pasov pod kotom 45°, ki povzročajo skokovito
Slika 9: Brezdimenzionalen odnos po Ramberg-Osgoodu Figure 9: Dimcnsionless relationship according to Ramberg-Osgood
nehomogenost raztezkov vse do začetka utrjevanja. Vsekakor je za karakterizacijo materiala koristno, da se dolžma plastičnega platoja navede v certifikatu ona teznem preizkusu. Dolžina plastičnega platoja lahko doseže tudi do 6% raztezka. Plastični platoje zaradi enostavnosti pogosto uporabljen za matematično modeliranje. Vendar pa je upoštevanje postopnega hipnega širjenja Luderjevih pasov pri računalniški simulacij i dejanskega napetostnodeformacijskega obnašanja izredno komplicirano.
ReH ReL
R
eLs
A
sh
A
Slika 10: Razmere pri plastičnem platoju Figure 10: Relations at plastic plateau
Vprašanje je tudi, kaj početi pri računalniški simulaciji z gornjo mejo tečenja Rci i Ta lahko doseže tudi za 60 % viš jo vrednost od spodnje meje tečenja ReL, če se izvede zelo precizen natezni preiskus Pri nekoliko ekscentričnosti pa Reit izgine. Tore j ima Ren zelo nestabilno vrednost. Zato naj ne služi za izražanje trdnostne stopnje materiala, kar se včasih v literaturi še vedno navaja. Za trdnostne izračune globalnega obnašanja naj se vedno uporablja spodnja meja tečenja ReL Opozoriti je potrebno, da se lahko ReL pri na teznem preiskusu zniža tudi za 20%, na statično mejo tečenja ReLs, če pri vijačnem nateznem stroju zastanemo z obremenjevanjem.
Osnovni natezni preizkus se izvaja pri sobni temperaturi 111 pri takšni standardni hitrosti raztezkov, da preizkus ne traja predolgo. Pri nižj ih in višj ili temperaturah ter pri večj ih in manjših hitrostih raztezkov se spreminjajo parametri pravega diagrama napetost-raztezek. Slika 11 kaže, kako se večajo trdnostne vrednosti enoosnega diagrama napetost-raztezek z nižjo temperaturo in z višjo hitrostjo raztezkov. Pri določenih nižjih temperaturah imamo lahko prehod iz duktihiega v povsem krhko stanje. Na tem prehodu pade plastični lomni raztezek na nič in material se pretrga pri kohezijski trdnosti Rc. Videti je, da je Rc najbolj osnovna trdnostna lastnost materiala, saj je skoraj neodvisna od temperature, hitrosti raztezka in tndi od triosnosti stanja napetosti.
raztezkov pri enoosnem nategu. Vsi ti vplivi na prehod krhko stanje se seveda lahko neugodno seštevajo.
Slika 12: Korekcija pri terciarnem tečenju Figure 12: Correction at tertiary creep
T
Slika 11: Vpliv temperature in hitrosti raztezkov Figure 11: Influence of temperature and strain rate
Za prikaz rezultatov lezenja materiala na preizkušancih s konstantno silo so znani diagrami po sliki 12, z območjem primarnega, sekundarnega in terciarnega lezenja. Pri terciarnem lezenju je lokalna kontrakcija vzrok za navzgor obrnjeno krivuljo. Za obravnavo vpliva lezenja v razpokah (creep cracking) bi se zato, ker tam ni lokalne kontrakcije, morali izvajati preizkusi lezenja s konstantno napetostjo na najožjem mestu kontrakcije in ne s konstantno silo. Pri tem bi morali napraviti tudi korekci jo iz triosnega v enoosno stanje napetosti zaradi kontrakcije. Tako bi v terciarnem območju dobili za krivuljo lezenja podaljšek premice sekundarnega območja, kotjeprikazano v sliki 12 s prekinjeno črto. Točrto moramo 11 poni b it i pri računa ln lški s imulacij i vpliva lezenja v območj u zarez ali razpok.
4 Vpliv triosnosti stan ja napetosti
Na sliki 13 se vidi, kako se prava enoosna krivulja napetost-raztezek (1) spreminja pod vplivom dvoosnega (2-2) oziroma triosnega stanja napetosti (3-3-3). Tu ima vlogo tudi spreminjanje Poissonovega števila zaradi plastičnosti Najbolj mehek postane material zaradi triosnega stanja napetosti pr i tanjšanju žice z vlečenjem in pri tem se mu lomna duktilnost poveča. Najbolj trd 111 likrati povsem krhek pa bi material postili pri čistem hidrostatičnem nategu, ko je dosežena kohezijska trdnost Rc 11 idrostatične komponente nateznega triosnega stanja napetosti vplivajo torej na prehod v krhko stanje, podobno kot nizke temperature in visoke hitrosti
Slika 13: Vpliv triosnosti napetosti Figure 13: Influence of stress triaxiality
Potrebno se je zavedati neugodnega večosnega stanja nateznih napetosti ob dnu natezne zareze, kot kaže slika 14. Tu imamo dodaten vpliv koncentracije napetosti in raztezkov, seveda odvisno od ostrme ui globine zareze. Le na vogalu vdnu zarezejeenoosni nateg. Na površini v dnu zareze in na zunanji površini ob zarezi obstaja dvoosno stanje napetosti. V notranjosti ob zarezi pa je triosno stanje nateznih napetosti, ki lahko privede do krhkega loma. Na sliki 15 je prikazan potek največjih glavnih raztezkov in napetosti za primer upoštevanja lmearne
teorije elastičnosti. Konice poteka raztezkov in napetosti so tu vselej na dnu zareze. Na sliki 16 so prikazani poteki naj večj ih glavnih raztezkov in napetosti za primer upoštevanja elasto-plastične teorije, in sicer za ravninsko stanje napetosti (RSN) pri tankih ploščah ter za ravninsko stanje raztezkov (RSR) v srednji ravnmi debelih plošč. V obeh primerih ima potek največjih raztezkov konico na dnu zareze. Toda medtem ko ima potek napetosti pri RSN še vedno konico na dnu zareze, sicer ublaženo zaradi plastičnosti, pa ima potek napetosti pri RSR, torej v sredini debelih plošč, konico največje napetosti zaradi neugodne tnosnosti znotraj, tako kot kaže slika 16. Pri RSR imamo dva možna vzroka za začetek zloma pri konstrukcijskih elementih z natezno zarezo: zaradi doseganja lomnega raztezka na površini dna zareze ali pa zaradi doseganja kohezijske trdnosti v konici največje normalne napetosti znotraj pri dnu zareze. S tem nastopi stabilno širjenje razpoke. Nestabilno širjenje pa nastopi pri višji obtežbi takrat, ko postane prirastek sproščene elastične energije pri širjenju razpoke večji od energije, ki se pri tem porabi za trganje.
ar RSR
a,- RSN
Slika 16: Največje napetosti in raztezki pri elasto-piastični rešitvi
Figure 16: Maximum stresses and strains at elasto-plastic solution
Slika 14: Stanja napetosti ob dnu natezne zareze Figure 14: Stress states at the bottom of a tensile notch
Slika 15: Največje napetosti in raztezki pri elastični rešitvi Figure 15: Maximum stresses and strains at elastic solution
Pri razpokah so razmere bolj izrazite kot pri blagih zarezah. Slika 17 nazorno prikazuje, kako velik pomen ima tu večja duktilnost materiala. Pri monotonem večanju preobremenitve se plastično območje širi in pri veliki lomni duktilnosti ostra zareza znatno otopi. Zato konice in neugodna triosnost postanejo blažje. Razpoka začne stabilno rasti takrat, ko se izčrpa lomna duktilnost. Omenjeno je že bilo, da imajo vključki in praznine na duktilnost materiala bistven vpliv, saj ga napravijo pri znatni obremenitvi še bolj poroznega. Zato je potrebno v tako imenovani procesni coni /arezilih učinkov zakonitost materiala za računalniško simulacijo spreminjanja napetostno deformacij skega stanja ustrezno dopolniti.
Material se lahko znatno spremeni glede temeljnih mehanskih lastnosti pod vplivom časa. Pri nizko cikličnem utrujanju, to je pri izmenični plastični deformaciji, lahko nastopi mehčanje ali otrditev materiala, predvsem pa se zmanjšuje njegova lomna duktilnost in tako se zaradi izčrpanja duktilnosti sčasoma pojavi začetek rasti razpoke. Čim večja je začetna duktilnost materia la, tem večja je njegova odpornost na nizko ciklično utrujanje. Tudi pri visoko cikličnem utrujanju, kjer je rast razpoke posledica zelo lokalne izmenične plastične deformacije, ima zato lomna duktilnost važno vlogo. Pri statični, udarni ali ciklični obremenitvi, zlasti ob prisotnosti razpok, lahko znatno vpliva na degradacijo materiala tudi agresivnost okolja. To je potrebno vedno upoštevati pri rasti razpok ob lezenju, napetostni korozij i ter pri nizko cikličnem in visoko cikličnem utrujanju. Pri vsakem eksperimentalnem preizkusu v zvezi s temi pojavi je potrebno navesti vse parametre enoosne krivulje napetost-raztezek, saj se ti parametri pojavljajo v korelacijskih enačbah pri lomni mehaniki (Kic, Jic, CTOD, da /dN). Lomno mehanski preizkusi so dragi in zamudni. Zato imajo korekcij ske enačbe z uporabo temeljnih mehanskih lastnosti materiala za nas še poseben pomen.
5 Zaključek
Najprej je treba poudariti potrebo, da se pri nateznem preizkusu, če material izkazuje lokalno kontrakcijo, doslej
Slika 17: Natezna razpoka in duktilnost Figure 17: Tension crack and ductility
običa jni povprečni lomni raztezek opusti kot mera duktilnosti in se ga nadomesti z enakomernim raztezkom ter s pravo lomno duktilnostjo. Le tako dobimo vse parametre, ki izražajo kompletno pravo enoosno krivuljo napetost-raztezek vse do zloma. Ta je potrebna kot vhodni podatek zlasti za računalniško simulacijo pri trdnostnih problemih z velikimi raztezki, npr. pri plastičnem preoblikovanju in še posebej pri vplivu zareznih učinkov ter s tem povezanem vprašanju trajnosti, zanesljivosti in varnosti konstrukcij v zvezi s staranjem. Zelo pomembno je, da se parametri prave enoosne krivulje napetost-raztezek pojavljajo v korekcijskih enačbah za razne žikivosti v lomni mehaniki ter v konstantah materiala v zvezi z utrujanjem in lezenjem. Potrebno bo predstandar-dizacijsko delo zaradi modifikacije standardov v zvezi z nateznim preizkusom Ustanovitev slovenskega združenja za mtegriteto konstrukcij bi omogočila povezavo strokovnjakov, zainteresiranih za izmenjavo mnenj in idej ter za koordinaci jo pri ustvarjanju novega znanja, zlasti za prenos izbranih spoznanj in izkušenj iz najbolj razvitih držav v korist našemu izobraževanju ter raziskovanju, predvsem pa naši industriji oziroma gospodarstvu.