Mechanizmy niszczenia materiałów

Rodzaje mechanizmów niszczenia

Korozja,ZużyciePękanie,Zmęczenie,Erozja.

Mechanizmy pękania

Są generalnie 2 mechanizmy pękania materiałów: plastyczne rozrywanie i kruche pękanie.

Reσ

loc

al

pustki

r

Wytrzymałość teoretycznaσ

lo

ca

l

r

Plastyczne rozrywanie

Pęknięcie w materiale powoduje, że lokalne naprężenia w pobliżu jego krawędzi jest większe od średniego naprężenia w materiale, czyli pęknięcie prowadzi do koncentracji naprężeń.

Należy zwrócić uwagę na to, że strefa uplastyczniona maleje ze wzrostem Re dlatego miękkim metalom towarzyszy duża strefa uplastycznienia a pęknięcia w twardych ceramikach tworzą b. małą strefę lub nie wytwarzają jej zupełnie. Nawet czyste metale zwykle zawierają małe wtrącenia i zanieczyszczenia, jeśli znajdą się one w strefie uplastycznienia przed czołem pęknięcia to ulegają one odkształceniom co powoduje powstawanie wydłużonych pustek, które łącząc się ze sobą powodują, że pęknięcie narasta. Odkształcenie plastyczne powoduje jednoczesne stępienie ostrza pęknięcia co zmniejsza lokalne naprężenia tak, że w pobliżu ostrza jest ono zaledwie dostateczne do podtrzymania procesu odkształcania umacniającego się materiału.

Kruche pękanie

Jeśli nie występuje zjawisko stępienia ostrza czoła pęknięcia to lokalne naprężenie przed pęknięciem może osiągać b. duże wartości i może osiągnąć teoretyczną wytrzymałość materiału. Jest wtedy dostatecznie duże na to żeby rozrywać wiązania między atomami w tym obszarze: pęknięcie rozrasta się wówczas pomiędzy parą płaszczyzn atomowych.

Korozja

Korozja pochodzi od łac. „corrosio” – gryzienie

Według PN-69/H-04609 korozja metali to niszczenie na skutek wzajemnej reakcji chemicznej lub elektrochemicznej metalu ze środowiskiem korozyjnym.

Szybkość korozji (ubytek masy) przelicza się na jednostkę powierzchni metalu i jednostkę czasu, np. g/(m² •godz.)

Przykłady zniszczeń korozyjnych

200 m

Mechanizm korozji elektrochemicznej

Na powierzchni metalu tworzą się mikroogniwa (np. zanieczyszczenie+ osnowa metaliczna). Elektrolit tworzy [(woda, wilgoć w powietrzu) + zanieczyszczenia powietrza ( siarka, dwutlenek węgla )],np. kwas siarkowy. Jednocześnie przebiegają dwa procesy anodowy i katodowy.Proces katodowy – Fe oddaje elektrony, które wchodzą w reakcję z wodą (powstaje ujemna grupa wodorotlenowa), proces anodowy – Fe łączy się z grupą wodorotlenową tworząc produkt korozji (wodorotlenki żelaza).

Korozja chemiczna

Najpospolitszym przykładem tego typu korozji jest korozja w gazach w podwyższonej temperaturze, a w szczególności tzw. zendrowanie żelaza. Żelazo czyli stal ogrzewane w powietrzu lub ogólnie w atmosferze utleniającej, powleka się warstewką tlenków żelaza głównie: Fe3O4, ale powstają także pewne ilości Fe2O3 i FeO, wskutek bezpośredniej reakcji między żelazem a tlenem czy też innym czynnikiem utleniającym.

Zmęczenie materiału

Jeżeli materiał jest poddawany działaniu zmiennych obciążeń np. wał napędowy silnika spalinowego lub skrzydła samolotu, może on ulec zniszczeniu nawet jeśli naprężania obciążające materiał są niższe od granicy plastyczności materiału.

Złomy zmęczeniowe mają charakterystyczny wygląd

Przykład złomu zmęczeniowego

Ognisko pęknięcia

Przełom doraźny

Linie spoczynkowe

Erozja

Erozja to niszczenie materiału spowodowane uderzaniem o powierzchnię materiału drobnych cząstek materii z dużą prędkością, np. łopatki turbiny gazowej mogą ulegać erozji jeżeli gaz zasilający turbinę jest zanieczyszczony drobinami.

Jedną z odmian erozji jest erozja kawitacyjna materiału

Erozja kawitacyjna

Kawitacja to zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnień w cieczy, polegające na powstawaniu, wzroście i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych zawierających parę, gaz lub mieszaninę parowo-gazową danej cieczy. Pęcherzyki zwiększają swoją objętość w obszarach, w których ciśnienie spada poniżej wartości krytycznej i gwałtownie zmniejszają swoją objętość (implodują) w strefach podwyższonego ciśnienia.

Kawitacja i jej skutki

• Uporczywy hałas

• Drgania i wibracje

• Obniżenie sprawności

• Erozja kawitacyjna

Erozja kawitacyjna

0,55 mm

d(ΔV)/dt

ΔV(t)

czas t

ubyt

ek o

bjęt

ości

ΔV

szyb

kość

ero

zji d

(ΔV

)/dt

I II III IV

pred

kos

cPre

dko

sce

rozj

i d(?

V)/

dt

Ub

yte

k ob

jeto

sci ?

V

d(ΔV)/dt

ΔV(t)

czas t

ubyt

ek o

bjęt

ości

ΔV

szyb

kość

ero

zji d

(ΔV

)/dt

I II III IV

pred

kos

cPre

dko

sce

rozj

i d(?

V)/

dt

Ub

yte

k ob

jeto

sci ?

V

d(ΔV)/dt

ΔV(t)

czas t

ubyt

ek o

bjęt

ości

ΔV

szyb

kość

ero

zji d

(ΔV

)/dt

I II III IV

pred

kos

c

d(ΔV)/dt

ΔV(t)

czas t

ubyt

ek o

bjęt

ości

ΔV

szyb

kość

ero

zji d

(ΔV

)/dt

I II III IV

pred

kos

cPre

dko

sce

rozj

i d(?

V)/

dt

Ub

yte

k ob

jeto

sci ?

V

Zużycie trybologiczne (tribologiczne)