Parametri plastičnosti, duktilnosti i žilavosti materijala u oceni integriteta konstrukcija

(Primedba: da biste videli specijalne znake i formule ovu vest morate pročitati u Internet exploreru)

Integritet konstrukcije podrazumeva njeno nesmetano korišćenje pod uslovima za koje je projektovana. Pri tom se period korišćenja ne propisuje, što znači de se konstrukcija može neograničeno dugo koristiti, ili se, paralelno sa sticanjem iskustva iz eksploatacije i razvojem teorijskih saznanja, numeričkih i eksperimentalnih postupaka, već pri projektovanju i tokom eksploatacije određuje vek konstrukcije. Bilo da je vek prethodno određen ili ne, integritet konstrukcije u toku eksploatacije treba da bude očuvan. Zbog toga se teorijski pristup mora upotpuniti osnovnim proračunima i detaljnom numeričkim simulacijom, i za svaku odgovornu konstrukciju merenje veličina i eksperimentalna analiza su konačna potvrda ostvarenog integriteta konstrukcije.

Dokazivanje integriteta konstrukcija je izuzetno složen i zahtevan zadatak, danas od sve većeg značaja zbog brojnih otkaza u toku eksploatacije (IFMASS 9, predavanje S. Sedmak) i zbog sve veće hrabrosti u projektovanju konstrukcija, bilo stacionarnih ili mobilnih, zasnovane na sve većem razvoju nauke i tehnike. Pomenimo samo visine nekih novih zgrada. Osnova za nove projekte su novi materijali, kao i materijali bitno poboljšanih osobina, na primer čelici. Tu se pre svega misli na karakteristike čvrstoće i sposobnosti prihvatanja nametnuh deformacija.

Proračun konstrukcija se uglavnom zasniva na parametrima čvrstoće materijala, koji se mogu odrediti ispitivanjem, a propisani su brojni standardi i direktive u kojima postoje prikladne formule koje omogućavaju da se na osnovu osobina materijala odrede dimenzije komponente konstrukcije. Treba imati na umu da se parametri čvrstoće iskazuju preko napona (s), u jedinici mere Pa, i da se po pravilu porede sa naponima koji se za konstrukciju proračunavaju na osnovu opterećenja. Da bi se konačno dokazao kvalitet konstrukcije i njen integritet neophodni su eksperimenti i merenja odgovarajućih veličina. Tu već nastaju problemi. Razlog je u tome što se napon definiše u tri vida, kao skalar, kao vektor i kao tenzor, a ne može se neposredno meriti ni u najjednostavnijem, skalarnom obliku. Veličine koje ga određuju, opterećenje u mernoj jedinici sile i karakteristike poprečnog preseka iskazane u mernoj jedinici dužine, su mogu meriti, pa se veličina napona iskazuje na osnovu prihvaćene formule i ocenjenog deformacijskog stanja. Tu nastaje sledeći problem, jer se formule napona za dva osnovna deformacijska stanja, elastično i plastično, bitno razlikuju, a pri tom treba uzeti u obzir i vid u kome se napon razmatra.

Međutim, za konstrukciju u eksploataciji, sem parametara čvrstoće, odnocno napona, važni su i parametri deformacije, i primenjuju se za ocenu integriteta konstrukcija. Za deformaciju je važno merenje pomeranja tačke, odnosno izduženja početne merne dužine (IFMASS 2, predavanje M. Marinčeka). U tome i jeste prednost parametra deformacije u odnosu na napon jer je u osnovi izražena jedinicom dužine, koja se može uvek utvrditi merenjem, sa manje ili više uspeha, pa je time i osnova eksperimentalnih istraživanja koja se koriste u oceni integriteta konstrukcija. Samim tim je deformaciju lakše definisati nego napon, kao skalarnu veličinu odnosom dužine promenljive pod dejstvom opterećenja i prvobitne dužine unapred usvojene veličine ili trenutne dužine. Kao i kod napona i kod deformacije su definisana sva tri vida: skalarni, vektorski i tenzoriski, što omogućava da se uspostavi direktna zavisnost napona i deformacija izražena u istom vidu. Linearna zavisnost napona i deformacija, svojstvena elastičnom ponašanju materijala, je osnova svih proračuna, pa time i numeričke analize. Ovaj pristup je u potpunosti primenljiv dok su deformacije elastične, a mateijal homogen, što se uzima kao polazna pretpostavka i pri oceni integriteta.

Prelaskom na nivo plastičnih deformacija, koje po veličini bitno premašuju deformacije elastičnog nivoa, situacija sa ocenom integriteta konstrukcija se suštinski menja. Pre svega zavisnost napona i deformacija se iskazuje nelinearnim zakonima, koje u mnogim slučajevima nije moguće kontrolisati, i zbog toga eksperimentalni podaci postaju dominantni u oceni integriteta konstrukcija. Poseban problem predstavljaju dve veličine koje se ravnopravno koriste za opisivanje plastičnog ponašanja materijala: plastičnost i duktilnost. Jedinica mere za oba oblika ponašanja je ista. Ostavlja se individualnoj oceni koja će od tih veličina biti pogodnija. Uobičajeno je da se za standardno opisivanje ponašanja materijala koriste veličine plastičnosti (pri popuštanju materijala na kraju linearne zavisnosti napona i deformacije), ali je ipak temperatura prelaska od plastičnog (duktilnog) ka krtom ponašanju inicijano nazvana "nultom duktilnošću" ("nil-ductility"), a lom pri izraženoj plastičnoj deformaciji se češće naziva duktilnim nego plastičnim. Postoje i druge nedoumice terminološkog, a možda i suštinskog karaktera, kao što je naziv odgovarajuće naučne discipline (teorija plastičnosti).

Pri oceni integriteta konstrukcija polazi se od osnovnog principa projektovanja da će se u komponenti u eksploataciji pod dejstvom opterećenja uspostaviti napon manji od napona loma materijala komponente. I sve dok je razmatrani materijal neizmenjenih polaznih osobina (1) i njegova strukture dovoljno homogena (2), a oblik komponente neoštećen (3), ocena integriteta predstavlja relativno jednostavan zadatak. Problemi nastaju kada je neki od tri navedena uslova poremećen. Tako se (1) kod mnogih konstukcijskih čelika osobine menjaju sa temperaturom i javlja se izraženo smanjena plastičnost na niskoj temperaturi, odnosno čelik se ponaša krto: nema plastičnih deformacija sve do pojave loma. Kao primer nedovoljne homogenosti materijala (2) navodi se zavareni spoj, koji kao posledicu postupka zavarivanja ima tri konstituenta različite strukture i mehaničkih osobina (osnovni metal, zona uticaja toplote i metal šava), a nehomogenost je još više izražena kod armiranog betona i kompozitnih materijala. Najznačajniji oblik oštećenja komponente (3) je prslina. Mehanika loma je pokazala značaj prsline uvođenjem novog parametra, faktora intenziteta napona (K) i njegov uticaj na integritet komponente iskazala preko prosečnog napona (s) i dužine prsline (a), uvažavajući geometrijski oblik komponente faktorom Y:

K = YsÖa, sa jasnom jedinicom mere PaÖm

Kritična veličina faktora intenziteta napona (K) je, ne slučajno, nazvana žilavost loma pri ravnoj deformaciji (K_Ic).

Treba uočiti da pojam žilavost podrazumeva u isto vreme i čvrstoću materijala i njegovo sposobnost da se pod spoljnjim opterećenjem deformiše.

Termin "žilavost" je uveden za veličinu koja se dobija pri ispitivanju udarom epruvete sa zarezom, od kojih je najveću primenu dobila Šarpi V epruveta. Prvobitno je uveden parametar "udarna žilavost" sa jedinicom mere energija loma / površina neto preseka, ali kako on nema fizičko značenje zamenjen je parametrom "energija udara". Ovaj termin se može koristiti samo za poređenje rezultata, jer se odnosi samo na ispitivanu epruvetu, materijal od koga je izrađena i naročito od uspostavljenog stanja napona u zavisnosti od oštrine zareza i faktora koncentracije napona. Kada su u pitanju krti materijali uspostavlja se linearna zavisnost između KIc i energije udara, što otvara mogućnost da se i udarno ispitivanje koristi u oceni integritetakonstrukcija. Nedostatak je u tome što ne postoji zavisnost između veličina energije udara i napona koja bi važila i za malu epruvetu i za komponentu konstrukcije.

Time su ujedno pobrojane teme kojima će u predavanju biti posvećena detaljna pažnja, kako je u naslovu predavanja i predviđeno.