Vlastnosti konstrukèních materiálù rozhodují zásadním zpùsobem o bezpeènosti, spolehlivosti a úèinnosti energetických zaøízení Pro každý úèel a oblast

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

Vlastnosti konstrukèních materiálù rozhodují zásadním zpùsobem o bezpeènosti, spolehlivosti a úèinnosti energetických zaøízení. Pro každý úèel a oblast použití existuje dnes možnost širokého výbìru vhodných materiálù tuzemského nebo zahranièního pùvodu. Optimální volba konstrukèního materiálu z technicko-ekonomického hlediska proto vyžaduje dokonalou znalost všech hlavních parametrù materiálu i situace na trhu. Nejdùležitìjší konstrukèní materiály v energetice lze rozdìlit na kovy, keramické a izolaèní materiály.

2.1

Kritéria jakosti konstrukèních materiálù

Nejdùležitìjší vlastností konstrukèních materiálù v energetice je odolnost proti vnìjším vlivùm, tj. proti mechanickému namáhání, teplotì a chemickým vlivùm. Pro konstrukèní a provozní úèely je nutno tyto vlastnosti kvantifikovat.

2.1.1

Pružnost

Pùsobí-li na tìleso vnìjší síly, tìleso se deformuje. Pokud je deformace pøímo úmìrná napìtí, které na tìleso pùsobí, mluvíme o namáhání pod mezí pružnosti. Deformace se øídí v tomto pøípadì Hookovým zákonem e=

s (

[ ]

(2.1)

kde e [1] je pomìrná deformace (protažení nebo stlaèení), s [MPa] normální napìtí a E [MPa] modul pružnosti v tahu. V pøípadì smykového napìtí platí g=

t *

[ ]

(2.2)

kde g [1] je pomìrný zkos, t [MPa] smykové napìtí a G [MPa] modul pružnosti ve smyku. Pøi protažení tìlesa se pøíèný prùøez tìlesa zužuje. Pomìrné zúžení je rovnìž pøímo úmìrné napìtí. Pomìr pomìrného pøíèného zúžení ku pomìrnému osovému prodloužení je stálý, pokud je deformace pružná (pokud platí Hookùv zákon) a nazývá se Poissonovým èíslem m. Poissonova konstanta m je definována jako pøevrácená hodnota Poissonova èísla

P=

130

 m

[ ]

ZBYNÌK IBLER A KOL.: TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA

(2.3)

A

Pro izotropní tìleso platí

*=

( ( + m )

[ ]

(2.4)

Modul pružnosti nìkterých ocelí a slitin je v závislosti na teplotì uveden na obr. 2.1

Obr. 2.1 Modul pružnosti nìkterých ocelí a slitin: 15225 – feritickoperlitická ocel; AKVSB – austentická chrómniklová ocel; AKRN – austentická Cr-Ni ocel vytvrditelná; E 1765 – slitina Cr-Ni s pøísadou W a Mo, vytvrditelná; AKN 30 – slitina Cr-Ni-Co, vytvrditelná Mìøením nelze exaktnì zjistit do jakého napìtí platí Hookùv zákon. Pro technickou praxi byla proto dohodnuta mez pružnosti jako napìtí, které vyvolá pøi statickém zatížení trvalou deformaci 0,005 % pùvodní délky zkušební tyèe. Mìøení této velièiny je však nároèné a proto se jako bìžná hodnota charakterizující zaèátek trvalé deformace obvykle stanoví napìtí, které zpùsobuje trvalou deformaci 0,2 % pùvodní délky, což je tzv. mez 0,2 v tahu (s0,2). U nìkterých mìkkých uhlíkových ocelí se objevuje na zaèátku plastické deformace úsek rychlejšího prodlužování, který se snadno identifikuje a který se nazývá mezí kluzu (sk, mez kluzu v tahu skt), viz obr. 2.2. Obr. 2.2 Tlakový diagram mìkké oceli bez výrazné meze kluzu (1) a s výraznou mezí kluzu (2) sPt – mez pevnosti v tahu, tga = E, s – bod pøetržení zkušební tyèe, S‘ – bod pøetržení s uvážením kontrakce tyèe, su – mez pružnosti, sKH, sKD – mez kluzu horní, popø. dolní

A

2 KONSTRUKÈNÍ MATERIÁLY

131

2.1.2

Plastická deformace

Zvyšuje-li se napìtí nad mez pružnosti, nastává plastické pøetvoøení materiálu, což je charakteristická vlastnost kovù a slitin. Je zpùsobeno dislokacemi, tj. poruchami rozmístìní atomù v krystalové møíži kovu. Pøi poklesu napìtí na nulu zùstává v tomto pøípadì trvalá deformace tìlesa (na rozdíl od zatížení pod mezí pružnosti).

2.1.3

Pevnost

Pøi zvyšování napìtí nad mezí pružnosti vyvolá plastická deformace vznik nových dislokací, které brání další deformaci – kov se zpevòuje. Zkušební tyè namáhána tahem se prodlužuje a zároveò i zužuje. Napìtí vztažené na skuteèný prùøez tyèe stále roste, až se tyè pøetrhne. Protože se však v poslední fázi deformace prùøez zužuje rychleji než probíhá zpevòování materiálu, nastává v tomto okamžiku pokles síly a tedy i napìtí, vztaženého na poèáteèní prùøez tyèe. Napìtí v okamžiku, kdy síla dosáhla maxima se nazývá pevnost materiálu (sP , pevnost v tahu sPt), viz obr. 2.2. U uhlíkových a nízkolegovaných ocelí je možno použít údaje krátkodobé tahové zkoušky k výpoètùm pro provozní teploty pøibližnì do 400 °C.

2.1.4

Teèení

Pøi dostateènì dlouhém zatìžování kovové souèásti za teplot vyšších než 400 °C se stává deformace souèástí èasovì závislou. Deformace s èasem roste a po jisté dobì mùže dojít k narušení materiálu, aèkoliv napìtí v souèásti mùže být znaènì menší než pevnost pøi dané teplotì. Tento jev se nazývá teèením materiálu (creep). Pøi teèení se rozlišují tøi stadia charakterizovaná rychlostí teèení – obr. 2.3.

Obr. 2.3

Rùst trvalé deformace epl a prùbìh rychlosti teèení V v èase

Teèení je stochastický proces a proto jej lze charakterizovat pouze statistickými velièinami a funkèní závislosti mohou být jen pøibližné. Jedním z nejstarších, nejjednodušších a nejèastìji používaných popisù teèení je vzorec Baileyho

132

ZBYNÌK IBLER A KOL.: TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA

A

e = D ¢ tQ

[ ]

(2.5)

[ ]

(2.6)

kde je e [1] plastická deformace, a, n konstanty, t [h] èas. Bína a Pech navrhli pøesnìjší vztah

e=

( )

s ¢ H[S D t Q (W

kde Et je modul pružnosti pøi teplotì t, napìtí s je nutno poèítat podle nìkteré teorie složené napjatosti. Pøi zkouškách teèení se zjišuje køivka teèení, což je závislost pomìrné deformace na èase, napìtí a teplotì. Napìtí, které za zvolenou dobu pøi dané teplotì T zpùsobí pøetržení zkušební tyèe se oznaèuje jako mez pevnosti pøi teèení (sTPt). Pokud nelze vést zkoušky pøi vysokých teplotách až do pøetržení, stanovuje se tzv. dlouhodobá mez teèení (sTt), což je napìtí, pøi nìmž dosáhne stále se zvìtšující trvalá deformace pøi dané konstantní teplotì T za urèitou dobu urèité stanovené velikosti (napø. 1 % za 105 hod.). Z èasových dùvodù nebývá vìtšinou možné provìøit experimentálnì hodnoty teèení v celém èasovém rozsahu až do lomu, nebo u energetických zaøízení se poèítá s životností øádovì 105 hodin. Proto byla zavedena tzv. krátkodobá zkouška teèení (ÈSN 1237–1943). Pøi ní se zjišuje rychlost teèení v èasovém intervalu mezi 25. a 35. hodinou. Napìtí, pøi kterém dosáhne støední rychlost teèení v této dobì hodnotu 1 . 10–5 %/h se nazývá krátkodobou mezí teèení (sTt35). Extrapolování výsledkù krátkodobých zkoušek na delší doby je však znaènì problematické. Proto se od nich upouští. Dlouhodobé zkoušky trvají obvykle nìkolik tisíc hodin (104 i více hodin), takže i tyto výsledky je nutno extrapolovat. I v tomto pøípadì je však pøesnost extrapolace nízká. K rychlému zhodnocení se proto stále èastìji používají parametrické metody vyhodnocení, z nichž nejrozšíøenìjší je metoda Larsonova-Millerova. Princip metody spoèívá v tom, že zvýšenou teplotou lze prùbìh strukturních jevù v kovu urychlit.

2.1.5

Relaxace napìtí

Pøi zatížení strojní souèásti za tepla mùže nastat pøípad, kdy se rozmìry souèásti nemohou podstatnì mìnit, napø. u šroubu, který je napjat mezi tuhými pøírubami. Šroub je pružnì deformován a jestliže jsou splnìny podmínky teèení, vzniká jeho plastická deformace epl, pøièemž se zmenšuje elastická deformace eel, nebo celková deforma-

A

2 KONSTRUKÈNÍ MATERIÁLY

133

ce e0 musí zùstat konstantní. Tím postupnì klesá pøedpìtí, které je úmìrné eel. Tento jev se nazývá relaxací napìtí. Napìtí v èase t je pøi relaxaci dáno vztahem

(

s t = ( ¢ e  - e SO

)

[ 03D ]

(2.7)

Vzhledem ke složité závislosti relaxace na èase, napìtí a teplotì se definuje konvenèní mez relaxace: je to napìtí, které zùstává po urèité dobì za dané teploty a pøi daném poèáteèním napìtí zachováno. Oznaèuje se sR a obvykle se vztahuje k dobì 1 . 104 h.

2.1.6

Únavové vlastnosti

Vìtšina strojních souèástí je namáhána kombinací statického a èasovì promìnného napìtí. Promìnné napìtí mùže mít pravidelný harmonický charakter nebo je v èase nepravidelné. Podle podílu statické a promìnné složky se rozeznává napìtí støídavé (statická složka je malá nebo nulová a promìnné napìtí se mìní mezi tahem a tlakem) a napìtí pulzující (statická složka je vìtší než amplituda promìnného napìtí). Podle kmitoètu promìnného napìtí se rozeznává zatížení nízkocyklové a vysokocyklové (poèet cyklù je vìtší než 5 . 104). Pøi vysokocyklovém zatížení klesá napìtí do lomu se zvìtšujícím se poètem cyklù, jak je zøejmé z Wöhlerova diagramu – obr. 2.4.

Obr. 2.4

Wõhlerùv diagram pro oceli (a) a èisté kovy (b), N – poèet cyklù

Je-li souèást zatìžována cyklicky, je amplituda napìtí zpùsobujícího lom nižší než statická mez pevnosti, nebo dokonce nižší než statická mez kluzu. U ocelí nedochází k lomu pøi poklesu napìtí na hodnotu sc ani pøi velmi vysokém poètu cyklù. Toto napìtí se proto oznaèuje jako skuteèná mez únavy. U èistých kovù nebo u ocelí za velmi vysokých teplot výrazná mez únavy neexistuje. Pùsobí-li na souèást zároveò s cyklickým napìtím i napìtí statické (pøedpìtí sm), dostáváme pro rùzná pøedpìtí rùzné Wöhlerovy køivky. Závislost meze únavy sc na pøedpìtí sm se znázoròuje Haighovým diagramem – obr. 2.5.

134

ZBYNÌK IBLER A KOL.: TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA

A