Jdi na obsah Jdi na menu
 


Křehký lom a ochrana proti němu

12. 7. 2013

 

1. Materiálová křehkost

           Pevnostní vlastnosti materiálů se při snižování pracovní teploty nesnižují. U některých typů ocelí (např. nízkouhlíkových, nízkolegovaných apod.) dochází v tzv. přechodové teplotní oblasti k prudkému snížení plastických vlastností. Původně plastická ocel přechází, při snižování teploty, do křehkého stavu. Tím, za určitých podmínek, vzniká nebezpečí křehkého lomu.

Křehký lom je náhlý nestabilní lom, který nastává při nominálním napětí, které je nižší než makroskopická mez kluzu. Patří mezi mezní stavy konstrukce, kdy v důsledku nejrůznějších příčin ztrácí konstrukce plnit funkci, pro kterou je určena. Problematiku křehkého lomu řeší tzv. lomová mechanika.Výsledkem rozvoje lomové mechaniky jsou samostatné normy pro destruktivní zkoušení materiálů používaných pro výrobky, které pracují při nízkých teplotách, výrobkové normy pro taková nízkoteplotní zařízení, kryogenická potrubí.  Existují kriteria pro tři alternativní metody kontroly, jak pro základní materiály, tak i pro svarové spoje. Kriteria jsou založena na minimálních požadavcích na nárazovou práci (v J ), nebo vypočítanou vrubovou houževnatost (v J/cm2), při stanovených teplotách. Třetí metoda podle počítá s končepcí lineární lomové mechaniky. Vychází se ze skutečnosti, že pro vznik křehkého lomu je nutno splnit současně tři podmínky:

-        nadkritická velikost napětí od provozního zatížení kolmo na trhlinu

-        přítomnost vady typu trhliny

-        nízká hodnota lomové houževnatosti materiálu při dané teplotě.

Pokud některá z těchto podmínek není splněna, nedochází ke vzniku křehkého lomu svařovaného výrobku. První dvě podmínky jsou záležitostí pevnostního výpočtu a nedestruktivní kontroly výrobku. Třetí podmínka se zajišťuje destruktivními zkouškami základních materiálů, svarových kovů a svarových spojů.

Křehký lom se šíří kolmo na směr většího hlavního napětí, tedy u potrubí je to kolmo na směr obvodového napětí, tedy na stěně potrubí ve směru osy. Rychlost šíření křehkého lomu je rovná rychlosti šíření zvuku v daném materiálu, z kterého je potrubí vyrobeno. Protože rychlost poklesu tlaku v potrubí bývá nižší než rychlost šíření křehkého lomu, proto se křehký lom šíří až k nějaké překážce. Může tak zničit celé potrubí v jediném okamžiku.

Nebezpečí křehkého lomu eliminujeme např.výběrem materiálu. Volíme takovýto postup:

a)      Pro nízké teploty musí být prokázáno dodržení hodnoty vrubové houževnatosti stanovené harmonizovanou normou a provedené pro teplotu TS. Pokud podle jiných kritérií nejsou požadovány jiné hodnoty, které je nutné brát v úvahu, považuje se ocel za dostatečně tažnou, aby vyhověla hodnotám menším než 14 % a její nárazová práce při zkoušce rázem v ohybu měřená na zkušební tyči s V vrubem podle ISO není menší než 27 J při teplotě, která nepřekračuje 20 °C, avšak není vyšší než nejnižší předpokládaná pracovní teplota.

Harmonizovaná norma též uvádí druhy materiálů v závislosti na TS, kdy je možno nahradit stanovenou hodnotu vrubové houževnatosti provedenou při teplotě TS, hodnotou vrubové houževnatosti provedenou při teplotě 20 st.C.

V případě výběru materiálu a potrubní třídy s materiálem, kdy lze uvedenou vrubovou houževnatost takto prokázat, je možno dále provést klasický výpočet. Toto se týká materiálů přímo určených pro nízké teploty.

            b)         Jiná možnost, je využití zákonitostí lomové mechaniky a určit dovolené mechanické napětí, při němž se křehký lom pro daný materiál a danou teplotu TS nešíří. Dále je nutno výpočtem zkontrolovat, zda takto získané dovolené napětí není překročeno. V případě kladného výsledku je možno uvedený materiál akčeptovat.

 

2. Vodíková křehkost

Vodíková křehkost je křehkost vznikající podstatným zhoršením plastických vlastností ocelí vlivem v nich rozpuště ného vodíku. Vodík difunduje do oceli během tavení nebo při technol. zpracování (moření, pokovování). Poškození vodíkovou křehkostí je vratné a lze je odstranit dalším vhodným tepelným zpracováním.

Mechanizmus poškozování je teplotně a tlakově ovlivnitelný, proces namáhání také ovlivňuje přítomnost některých látek v prostředí (vodní pára a CO2 proces podporují a kyslík proces omezuje). V případě manipulace kapalného vodíku se nebezpečí vodíkového křehnutí zvyšuje. Nejspolehlivější ochrana proti vodíkovému křehnutí je správná volba konstrukčního materiálu. Pro určení mezních tlakových a teplotních podmínek pro oceli slouží tzv. Nelsonův diagram. Nelsonův diagram také může sloužit pro volbu materiálu podle provozního tlaku a teploty.

Kromě vodíkového křehnutí způsobuje vodík při nižších teplotách a vyšších tlacích i oduhličení oceli. Díky tomu se snižují pevnostní vlastnosti a houževnatost.

 

3.  Pevnostní výpočet

Nebezpečí křehkého lomu eliminujeme např.výběrem materiálu. Volíme takovýto postup:

a)      Pro nízké teploty musí být prokázáno dodržení hodnoty vrubové houževnatosti stanovené harmonizovanou normou a provedené pro teplotu TS. Pokud podle jiných kritérií nejsou požadovány jiné hodnoty, které je nutné brát v úvahu, považuje se ocel za dostatečně tažnou, aby vyhověla hodnotám menším než 14 % a její nárazová práce při zkoušce rázem v ohybu měřená na zkušební tyči s V vrubem podle ISO není menší než 27 J při teplotě, která nepřekračuje 20 °C, avšak není vyšší než nejnižší předpokládaná pracovní teplota.

Harmonizovaná norma též uvádí druhy materiálů v závislosti na TS, kdy je možno nahradit stanovenou hodnotu vrubové houževnatosti provedenou při teplotě TS, hodnotou vrubové houževnatosti provedenou při teplotě 20 st.C.

V případě výběru materiálu a potrubní třídy s materiálem, kdy lze uvedenou vrubovou houževnatost takto prokázat, je možno dále provést klasický výpočet. Toto se týká materiálů přímo určených pro nízké teploty.

            b)         Jiná možnost, je využití zákonitostí lomové mechaniky a určit dovolené mechanické napětí, při němž se křehký lom pro daný materiál a danou teplotu TS nešíří. Dále je nutno výpočtem zkontrolovat, zda takto získané dovolené napětí není překročeno. V případě kladného výsledku je možno uvedený materiál akčeptovat.

 

4. Životnostní výpočet

Křehký lom závisí na těchto vlastnostech: rychlosti zatěžování a na teplotě, kterou konstrukce má a která je pod hranicí křehnutí materiálu. Dále může záviset na mohutnosti konstrukce, která je v našem případě konstantní v čase. I ostatní možné vlivy berme pro jednoduchost úvahy jako konstantní v čase.

Jako provozní zátěž vězměme rychlost zatěžování v případě pod hranicí křehnutí materiálu. Náhodná provozní zátěž  již byla v této publikaci popsána.

Náhodné účinky zátěže „S“ je systémem transformovaná náhodná provozní zátěž do rizikového místa (nebo rizikových míst) systému. Udává se obvykle v MPa/s (rychlost změny mechanického napětí).Tato transformace je ovlivněna konkrétním návrhem všeobecného systému, a to hlavně způsobem převedení zátěže do rizikového místa. Náhodné účinky funkční zátěže mají též náhodný průběh v čase a lze ho statisticky zpracovat.

Náhodná odolnost systému „Ro“ Je ve stejných jednotkách jako účinky zátěže a je určená např.volbou materiálu systému, jeho dimenzováním a jeho tepelným a povrchovým zpracováním.Udává se obvykle v MPa/s (rychlost změny mechanického napětí).

V technických systémech je překročení maximální dovolené hodnoty ve zbylých příkladech jakkoli jsou malá, ochráněno těmito způsoby:

a)    konstrukčně:

- používání materiálů odolných proti křehkému lomu

- dimenzováním tak, aby nebyla překročena hranice mechanického napětí, pod kterou se již křehký lom nešíří

b)  provozně: nevystavování konstrukce teplotám pod hranicí křehnutí materiálu (je-li to možné)

 

 

5. Literatura a odkazy pro další a podrobnější informace 

ČSN EN 13458 Kryogenické nádoby - Stabilní vakuově izolované nádoby.

ČSN EN 13530 Kryogenické nádoby - Velké přepravní vakuově izolované nádoby

ČSN EN 13445-2 Netopené tlakové nádoby - Část 2: Materiály, příloha B Požadavky pro předcházení křehkému lomu