Предавања Одељења машинских наука

Микромеханичка анализа жилавог лома заварених спојева челика

03.04.2013, Стални семинар АИНС, Свечана сала Грађевинског факултета у Београду
Предавач: Проф. др Александар Седмак
Одељење: Одељење машинских наука
Анализа понашања металних материјала и заварених спојева под дејством спољног оптерећења има важну улогу у обезбеђивању интегритета и сигурног рада конструкција. Имајући у виду веома често присуство грешака у завареним спојевима (микропрслине, шупљине, итд.), важно је дефинисати под којим условима долази до њиховог лома и који фактори утичу на динамику губитка носивости. У овом излагању ће бити разматран жилав лом метала, који подразумева изражену пластичну деформацију и одвија се механизмом настанка, раста и спајања шупљина. Применом еласто-пластичне механике лома (ЕПМЛ), или “глобалног приступа”, није могуће на прави начин узети у обзир овај сложени механизам оштећења. Микромеханички модели локалног приступа су изабрани за описивање жилавог лома јер се параметри који се користе за квантификовање оштећења рачунају управо на критичним местима структуре, тј. локално. Модели неспрегнутог приступа (нпр. модел Rice-Tracey) не узимају у обзир утицај параметра оштећења на пластично течење, тако де се вредност овог параметра одређује у постпроцесорском поступку. Два често коришћена модела спрегнутог приступа су Гурсон-Твергаард-Неедлеман GTN и комплетни Гурсонов модел CGM; оба су развијена на основу Гурсоновог критеријума течења, који подразумева зависност конститутивног израза од троосности напонског стања и параметра оштећења - порозности материјала. Локални приступ лому подразумева микроструктурну анализу, одређивање механичких особина материјала, испитивања механике лома, моделирање развоја оштећења применом микромеханичких модела и нумеричке прорачуне (најчешће применом методе коначних елемената MKE). Анализом микроструктуре дефинише се физички смисао неких од микромеханичких параметара (нпр. запремински удео укључака се повезује са почетним нивоом оштећења материјала). Такође, анализом преломних површина коришћењем оптичког или скенирајућег електронског микроскопа могу се добити вредности параметара механике лома (као што је отварање врха прслине CTOD или J интеграл на почетку раста прслине) на основу којих се формирају криве отпорности према расту прслине, најчешће J-Da или CTOD-Da. Осим на епруветама са почетном прслином које се уобичајено користе у испитивањима механике лома, настанак лома је анализиран на геометријама без почетне прслине, као што су епрувете за одређивање затезних особина материјала и епрувете са концентраторима напона (жлебовима и зарезима). Применом локалног приступа одређено је место настанка прслине, управо због локалног карактера параметара оштећења. Са друге стране, критичне вредности параметара оштећења израчунате на епруветама без прслине су примењене у процени отпорности према лому геометрија са почетном прслином (компактна епрувета за затезање CT). Наведене критичне вредности су одређене применом комбинованог експериментално-нумеричког поступка, који повезује експериментално добијене резултате и нумерички одређену промену параметра оштећења. Проблем зависности од величине коначног елемента, карактеристичан за моделе локалног приступа, третиран је одговарајућим формирањем мреже у регионима од интереса. Анализиран је настанак и стабилан раст прслине механизмом жилавог лома у нисколегираном челику повишене чврстоће и завареним спојевима. Разматрани су спојеви који садрже један или два метала шава (МШ), од којих један има мању (undermatch - UM), а други већу (overmatch - UM) чврстоћу од основног материјала. Друга врста спојева се користи за заваривање нисколегираних челика повишене чврстоће и репаратурно заваривање. NIOMOL 490 је коришћен као основни материјал (BM); примењен је поступак електролучног заваривања у заштитној атмосфери, са два различита додатна материјала за добијање OM, односно UM спојева. Испитиване су епрувете за савијање у три тачке (SENB) са почетном прслином у металу шава или зони утицаја топлоте (ZUT). Почетна прслина код спојева са два метала шава имала је три различита положаја: само у оверматцх делу, само у ундерматцх делу, или кроз оба метала шава - по целој дебљини споја. Анализиран је утицај геометрије споја, као и хетерогености материјала изазване различитим затезним особинама основног материјала и два метала шава, на понашање спојева при лому. Истражена је разлика у понашању хетерогеног завареног споја у зависности од геометрије и положаја прслине у односу на граничну површину између оверматцх и ундерматцх дела у металу шава. При анализи оштећења спојева са два метала шава, коришћени су исти микромеханички параметри као за спојеве са једним металом шава, тј. постигнута је преносивост параметара - почетне порозности и величине коначног елемента у лигаменту испред врха прслине. Одређена је отпорност према лому ZUT, при чему је примењен експериментално-нумерички поступак за одређивање особина зона споја (основни метал, метал шава, финозрна и грубозрна ZUT). Овај поступак је подразумевао стереометријско мерење деформација на површини глатке епрувете правоугаоног попречног пресека коришћењем две камере и софтверског пакета за анализу поља деформација Aramis. Упоређени су резултати добијени испитивањем исте геометрије (SENB епрувете) са почетном прслином у MŠ и у ZUT, и добијена је нешто већа отпорност према лому ZUТ у односу на MŠ. Овакво понашање споја сматра се повољним, имајући у виду честу појаву грешака и склоност ка нестабилном лому зоне утицаја топлоте. Циљ описаних истраживања је свеобухватнији опис понашања при лому заварених спојева челика у поређењу са стандардним методама механике лома (нпр. елиминисање зависности резултата од геометрије структуре и прслине, хетерогености материјала, итд.). Такође, методама локалног приступа лому може се побољшати процена интегритета конструкција, укључујући примену на вишим нивоима SINTAP/FITNET процедуре кроз формирање дијаграма анализе отказа FAD и силе развоја прслине CDF.
Предавач: Проф. др Александар Седмак (Биографија)
design by Milica Popović
врх