Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι. ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1.3. Ανάλυση αστοχίας μεταλλικών κατασκευών Δρ. Πανδώρα ΨΥΛΛΑΚΗ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ.

Παύση λειτουργίας Μη ικανοποιητική λειτουργία Μη ασφαλής λειτουργία Αντικατάσταση Επιδιόρθωση / Αντικατάσταση Βαθμός επικινδυνότητας αστοχίας 1.ΑΣΤΟΧΙΑ ΥΛΙΚΟΥ/ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Οδηγίες χρήσης Σχεδιασμός Επιλογή υλικού Μηχανολογική σχεδίαση Μεμονωμένα εξαρτήματα Συνολική κατασκευή Μορφοποίηση μερών Μηχανουργική κατεργασία μερών Συναρμολόγηση/ συναρμογή μερών Συντήρηση Λίπανση ΚατασκευήΧρήση Ψύξη Τελική Χρήση/ Περιβάλλον λειτουργίας* * Περιβάλλον λειτουργίας:- Μηχανική φόρτιση - Χημικοί παράγοντες - Επιφανειακή καταπόνηση - Θερμική Φόρτιση - Ακτινοβολία

Αστοχία φράγματος Αστοχία κτηρίων

Αστοχία αγωγών ρευστών

Αστοχία πτερυγίων στροβιλοκινητήρων σε εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

Αστοχία οδοντικού εμφυτεύματος

Αστοχία φορτηγίδας

2.ΕΥΡΕΣΗ ΑΙΤΙΟΥ ΑΣΤΟΧΙΑΣ - Γενική Μεθοδολογία Καταγραφή συνθηκών λειτουργίας τη στιγμή αστοχίας & ιστορικό τρόπου χρήσης Οπτικός έλεγχος για εντοπισμό μακροσκοπικών περιοχών αστοχίας & αποτύπωσή τους Χρήση μη καταστρεπτικών μεθόδων για τη «χαρτογράφηση» μη ορατών ασυνεχειών (ρωγμές, πόροι) σε υποεπιφανειακές / εσωτερικές περιοχές υλικού Επιλογή χαρακτηριστικών περιοχών αστοχίας & λήψη δοκιμίων για περαιτέρω εργαστηριακή διερεύνηση Σύγκριση ευρημάτων εργαστηριακής ανάλυσης με τα αναμενόμενα από τη χρήση «πρότυπων» υλικών Υπολογιστική προσομοίωση για αναπαραγωγή των συνθηκών λειτουργίας & τον προσδιορισμό της εξέλιξης της κατανομής εσωτερικών τάσεων Σύγκριση στοιχείων του φακέλλου σχεδιασμού με αυτά του φακέλλου κατασκευής ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ «ΛΑΘΟΥΣ»: Σχεδιασμός/ Κατασκευή/ Χρήση

2.1.Καταγραφή συνθηκών λειτουργίας τη στιγμή αστοχίας Ιδιαίτερες συνθήκες τη στιγμή της αστοχίας (αιφνίδια μηχανική φόρτιση, μεταβολές θερμοκρασίας/ υγρασίας, παρουσία διαβρωτικού μέσου) Συνεχής ή περιοδική χρήση εξαρτήματος/ αντικειμένου εκτός των προδιαγεγραμμένων από τον κατασκευαστή ορίων ασφαλούς λειτουργίας Χρονικό διάστημα μη ασφαλούς ασφαλούς λειτουργίας του εξαρτήματος Περιοδική λίπανση με κατάλληλο λιπαντικό μέσο Χρήση κατάλληλου ψυκτικού μέσου Περιοδική συντήρηση & σχολαστικός καθαρισμός του αντικειμένου Καταγραφή συμβάντων καθόλη τη διάρκεια ζωής Στιγμιαία απόκλιση από τα όρια ασφαλούς λειτουργίας Ενεργοποίηση μηχανισμών αστοχίας Τελική καταστροφική αστοχία εξαρτήματος

2.2. Οπτικός έλεγχος για εντοπισμό μακροσκοπικών περιοχών αστοχίας  Αρχική οπτική εξέταση, χωρίς καθαρισμό του αντικειμένου  Εντοπισμός μεταβολών στο χρωματισμό ή/ και την επιφανειακή μορφολογία του αντικειμένου  Μακροσκοπική εξέταση των επιφανειών που αστόχησαν, π.χ. με μεγεθυντικό φακό  Αποτύπωση των κρίσιμων περιοχών του αντικειμένου (ρέπλικα)  Στην περίπτωση καταστροφικής αστοχίας (κερματισμός αντικειμένου), επανασυναρμολόγηση των τεμαχίων προς ανακατασκευή του αρχικού σχήματος του αντικειμένου

2.3.Μη καταστρεπτικές μέδοδοι εντοπισμού ασυνεχειών δομής (ρωγμές, πόροι, εγκλείσματα) 1. Ελεγχος με μαγνητικά σωματίδια (για φερρομαγνητικά υλικά/ υποεπιφανειακές ασυνέχειες) Διασπορά λεπτομερών μαγνητικών σωματιδίων στην επιφάνεια του αντικειμένου Εφαρμογή μαγνητικού πεδίου Προσανατολισμός των μαγνητικών σωματιδίων με τις μαγνητικές γραμμές του εφαρμοζόμενου πεδίου Υπαρξη ασυνεχειών δομής =>  ιαρροή των προσανατολισμένων σωματιδίων

2. Ελεγχος με διεισδυτικά υγρά (για μη φερρομαγνητικά υλικά/ υποεπιφανειακές ασυνέχειες) Ψεκασμός της επιφάνειας με φωσφορίζοντα σωματίδια Υπαρξη ασυνεχειών δομής => Χρωματική διαφοροποίηση των σωματιδίων Διείσδυση των σωματιδίων μέσω τριχοειδών φαινομένων

Ελεγχος με χρήση διεισδυτικών υγρών

3. Ραδιογραφία ακτίνων Χ ή γ Εκθεση του εξεταζόμενου αντικειμένου σε ακτινοβολία πηγής ακτίνων Χ ή γ & ταυτόχρονη αποτύπωση του εσωτερικού του υλικού σε φιλμ

Υπαρξη ασυνεχειών δομής => Μεταβολή της πυκνότητας στο φιλμ

4. Ελεγχος με υπερήχους Τοποθέτηση πομπού υπερηχητικών κυμάτων στην επιφάνεια του αντικειμέ- νου και ανίχνευση των διαδιδόμενων ακουστικών κυμάτων

Υπαρξη ασυνεχειών δομής => Μεταβολή της λαμβανόμενης κυματομορφής Αντικείμενο χωρίς εσωτερική ασυνέχεια Αντικείμενο με εσωτερική ασυνέχεια

2.4. Εργαστηριακή διερεύνηση της συμπεριφοράς του υλικού  Λήψη δοκιμίων από χαρακτηριστικές περιοχές του αντικειμένου  Χημική ανάλυση υλικού & σύγκριση με τα προδιαγραφόμενα στους φακέλλους σχεδιασμού & κατασκευής του αντικειμένου  Σκληρομέτρηση υλικού, σύγκριση με τις απαιτήσεις σχεδιασμού & βιβλιογραφικές τιμές  Δοκιμή εφελκυσμού, σύγκριση με τις απαιτήσεις σχεδιασμού & βιβλιογραφικές τιμές  Δοκιμή κρούσης στη θερμοκρασία λειτουργίας του αντικειμένου, σύγκριση με απαιτήσεις σχεδιασμού & βιβλιογραφικές τιμές  Μεταλλογραφικός έλεγχος: μικροσκοπική παρατήρηση της δομής του υλικού  Δοκιμές κάμψης, σε περίπτωση αστοχίας σε περιοχές συγκόλλησης, για τον προσδιορισμό της ολκιμότητας

Μικροσκοπική παρατήρηση υλικών Μεγεθυντικός φακός Οπτικό μικροσκόπιο (ως  1000) Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (ως  )

1.1.ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ/ ΔΟΚΙΜΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Αντοχή σε εφελκυσμό Σκληρότητα Αντοχή σε θλίψη Αντοχή σε κάμψη Δυσθραυστότητα

1.1.1Αντοχή σε εφελκυσμό Μονοαξονική επιβολή εφελκυστικών φορτίων & ταυτόχρονη καταγραφή της ονομαστικής τάσης συναρτήσει της προκαλούμενης επιμήκυνσης Ισχύον πρότυπο για τη διενέργεια της δοκιμής: ΕΝ Μηχανή εφελκυσμούΓεωμετρία μεταλλικών δοκιμίων

Ψαθυρή θραύσηΟλκιμη θραύση Τυπικές καμπύλες εφελκυσμούΣυμβατικό όριο διαρροής (κράματα Al) Διπλό όριο διαρροής (κοινοί χάλυβες) Μετακίνηση διαταραχών (γραμμικών ατελειών) ==> Ταινίες Piobert-Lüders

Παράμετροι που επιδρούν στα μετρούμενα μεγέθη σε δοκιμή εφελκυσμού Μαλακός χάλυβας Επίδραση της ταχύ-τητας φόρτισης για μαλακό χάλυβα Επίδραση στοιχείων προσθήκης στο σ y του χαλκού

1.1.2Σκληρότητα μεταλλικών υλικών

1.1.3Αντοχή σε θλίψη Ιδιότητα σημαντική κυρίως για κεραμικά υλικά

1.1.4Αντοχή σε κάμψη Κάμψη τριών σημείωνΚάμψη τεσσάρων σημείων

1.1.5Δυσθραυστότητα Δυσθραυστότητα: ικανότητα απορρόφησης ενέργειας πριν τη θραύση Προσδιορισμός: (α) δοκιμή εφελκυσμού ή (β) δοκιμή κρούσης (α) Δοκιμή εφελκυσμού Δυσθραυστότητα: εμβαδόν κάτω από την καμπύλη σ=f(ε)

(β) Δοκιμή κρούσης (δοκιμή Charpy/ δοκιμή Izod) Αμεση μέτρηση ενέργειας που απορ- ροφάται από δοκίμιο δεδομένων διαστάσεων με εγκοπή τύπου V ή U Ισχύον πρότυπο για τη διενέργεια της δοκιμής: ΕΝ

Επίδραση της θερμοκρασίας στη δυσθραυστότητα Αδρανοποίηση συστημάτων ολίσθησης σε χαμηλή θερμοκρασία και μετάβαση από όλκιμη σε ψαθυρή συμπεριφορά Επίδραση των κραματικών στοιχείων στη δυσθραυστότητα χαλύβων

2.ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Θραύση: Ο διαχωρισμός ενός αντικειμένου σε περισσότερα τεμάχια, ως αποτέλεσμα της εφαρμογής μηχανικής φόρτισης (επιβολής εφελκυστικών, θλιπτικών, διατμητικών ή/ και στρεπτικών φορτίων) Θεωρητική αντοχή κρυσταλλικού στερεού Θεωρητική τιμή αντοχής Πραγματική τιμή αντοχής κρυσταλλικών στερεών << Θεωρητική τιμή αντοχής Υπαρξη δομικών ατελειών ή/ και πλαστική παραμόρφωση πριν τη θραύση Δομή ισορροπίας Διαταραχή ισορροπίας λόγω εφελκυσμού Διαχωρισμός στο επίπεδο θραύσης Ατομικό μοντέλο υλικού: ελαστική έκταση δεσμών πριν τη θραύση

2.1 Θεωρία Griffith (Θερμοδυναμική Θεωρία) / Ψαθυρή θραύση τύπου Ι Θραύση στερεού: μείωση ολικής ελεύθερης ενέργειας του συστήματος Ολική ενέργεια = Επιφανειακή ενέργεια (U s ) + Eλαστική ενέργεια (E el ) Ανάπτυξη ρωγμής κατά dα: Αύξηση επιφανειακής ενέργειας ανά μονάδα μήκους υλικού, λόγω δημιουργίας νέων επιφανειών Us = 4αγ (επιβράδυνση διάδοσης της ρωγμής) Αύξηση ελαστικής ενέργειας ανά μονάδα μήκους υλικού, λόγω χαλάρωσης ατομικών δεσμών πέριξ του επιπέδου θραύσης (επιτάχυνση διάδοσης της ρωγμής)

Συνολική μεταβολή ελεύθερης ενέργειας συστήματος: Κρίσιμο μήκος ρωγμής α*  Αυθόρμητη διάδοση ως τη θραύση Τάση θραύσης: σημείο μέγιστης τιμής της μεταβολής της ελεύθερης ενέργειας Εξίσωση Griffith Δυσθραυστότητα υλικού: G c = 2γ (από εξίσωση Griffith) ή G c = σρε (από την καμπύλη σ-ε του υλικού) Κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσης: (Υ: συντελεστής γεωμετρίας δοκιμίου και α*: κρίσιμο μήκος ρωγμής)

2.2. Ολκιμη θραύση Σημαντική πλαστική παραμόρφωση πλησίον της περιοχής θραύσης Κατά τη διάρκεια δοκιμής εφελκυσμού: σχηματισμός “λαιμού” πριν τη θραύση Συνένωση μικρο-κενών Τελικός αποχωρισμός Ινώδης μορφολογία επιφάνειας όλκιμης θραύσης

3.Κόπωση Κόπωση: Αστοχία υλικού υπό την επίδραση χρονικά μεταβαλλόμενων φορτίσεων/ μετατοπίσεων Λαμβάνει χώρα σε επίπεδα τάσεων σημαντικά χαμηλότερα του ορίου διαρροής σε στατική φόρτιση Εμφανίζεται μετά από μακρά περίοδο επαναλαμβανόμενων φορτίσεων ή παραμορφώσεων Αποτελεί τον κύριο λόγο αστοχίας των μεταλλικών κατασκευών Είναι καταστρεπτική και εμφανίζεται χωρίς “προειδοποίηση” Ομοιάζει με την ψαθυρή θραύση υπό στατική φόρτιση, ακόμη και σε όλκιμα υλικά Επιφάνεια θραύσης κάθετη στη διεύθυνση της εφαρμοζόμενης εφελκυστικής φόρτισης

Εναλλασσόμενη συμμετρικήΤυχαία μεταβαλλόμενη 3.1.Τύποι και μέτρα περιγραφής φόρτισης Μέση τάση (σ m ) :σ m = (σ max + σ min ) / 2 Πλάτος τάσεων (σ α ) :σ α = (σ max - σ min ) / 2 Εύρος τάσεων (σ r ) :σ r = (σ max - σ min ) Λόγος τάσεων (R) :R = σ min / σ max

3.2. Καμπύλη Wöhler [καμπύλη S-N ( : Stress - Number of cycles) ] σ α = f (N f ) ή σ α = f (logN f ) N f : ο αριθμός κύκλων εναλλασσόμενης φόρτισης ως τη θραύση για δεδομένο σ max ή σ α Χαρακτηριστικές μορφές καμπυλών S-N Σιδηρούχα κράματα και κράματα τιτανίου Oριο κόπωσης: μέγιστη τιμή κυμαινόμενης τάσης που δε θα οδηγήσει σε αστοχία μετά από άπειρο αριθμό κύκλων Κράματα χαλκού, αλουμινίου, μαγνησίου Αντοχή σε κόπωση: τιμή κυμαινόμενης τάσης που δε θα οδηγήσει σε αστοχία για συγκεκριμένο αριθμό κύκλων Διάρκεια ζωής σε κόπωση (Ν f ): αριθμός κύκλων που οδηγεί σε αστοχία για συγκεκριμένη τιμή τάσης.

3.3. Χαρακτηριστικές επιφάνειες θραύσης λόγω κόπωσης Σημείο έναρξης ρωγμής Βραδεία αστοχία με χαρακτηριστικές κυματοειδείς πτυχώσεις ανάλογες των περιόδων ανάπτυξης της ρωγμής

3.4. Παράμετροι που επηρεάζουν τη συμπεριφορά σε κόπωση Αύξηση της μέσης τάσης σ m ==> μείωση της διάρκειας ζωής σε κόπωση Γεωμετρία αντικειμένου, ύπαρξη οπών και μεταβολών διατομής Επιφανειακή κατεργασία υλικού

3.5. Υπολογισμός διάρκειας ζωής κατά το σχεδιασμό Ν f = K l.K d.K s.N i K l : Συντελεστής διόρθωσης για τις συνθήκες τάσης K d : Συντελεστής διόρθωσης για τις διαστάσεις K s : Συντελεστής διόρθωσης για την κατάσταση επιφάνειας N i : “Ιδανική” διάρκεια ζωής (βιβλιογραφικά)

4.Ερπυσμός Παραμόρφωση/ αστοχία υλικού υπό την επίδραση στατικών μηχανικών φορτίων σε υψηλές θερμοκρασίες, για σημαντικό χρονικό διάστημα. Εκδηλώνεται ως βραδεία και συνεχής παραμόρφωση: ε=f(σ, t, T) Εμφανίζεται ακόμη και σε τάσεις χαμηλότερες του στατικού ορίου διαρροής του υλικού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Ενεργοποιείται σε θερμοκρασίες υψηλότερες του ~40% της θερμοκρασίας τήξης του υλικού. 1.Ακαριαία ελαστική παραμόρφωση του υλικού, με την εφαρμογή φορτίου 2.Στάδιο πρωτογενούς ερπυσμού: μείωση του ρυθμού παραμόρφωσης (αύξηση της αντίστασης σε ερπυσμό) 3.Στάδιο δευτερογενούς ερπυσμού (ερπυσμός σταθερής κατάστασης): χρονικά γραμμική μεταβολή της παραμόρφωσης (σταθερός ρυθμός ερπυσμού) 4.Στάδιο τριτογενούς ερπυσμού: επιτάχυνση του ρυθμού παραμόρφωσης ως την τελική αστοχία ΣΤΑΔΙΑ ΕΡΠΥΣΜΟΥ

Συνήθως το στάδιο δευτερογενούς ερπυσμού έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια, καθορίζοντας τη συνολική «ζωή» του εξαρτήματος Η σταθερή τιμή του ρυθμού ερπυσμού αποδίδεται στην ισορροπία δυο ανταγωνιστικών δράσεων: ενδοτράχυνσης και εκτόνωσης εσωτερικής ενέργειας παραμόρφωσης λόγω ατομικής διάχυσης (ανάκτηση) 4.1.Στάδιο δευτερογενούς ερπυσμού Ρυθμός ερπυσμού σταθερής κατάστασης Κ 1, Κ 2 και n σταθερές του υλικού και Q c : ενέργεια ενεργοποίησης

4.2.Αντοχή βιομηχανικών κραμάτων σε ερπυσμό

Β. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ

ΑΣΤΟΧΙΑ ΕΝΣΦΑΙΡΩΝ ΤΡΙΒΕΩΝ ΛΟΓΩ ΜΗ ΛΙΠΑΝΣΗΣ Αγγελική Πιστόλη: «Ανάλυση αστοχίας μηχανολογικών εξαρτημάτων σε πετροχημική βιομηχανία», Διπλωματική Εργασία Μεταπτυχιακού, (2011) Ιωάννινα.

ΑΣΤΟΧΙΑ ΑΓΩΓΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΠΕΡΘΕΡΜΟΥ ΑΤΜΟΥ ΛΟΓΩ ΕΡΠΥΣΜΟΥ P. Psyllaki, G. Pantazopoulos and H. Lefakis: “Metallurgical evaluation of creep-failed superheater tubes”, Engineering Failure Analysis, 16(5) (2009)

ΑΣΤΟΧΙΑ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΟΥ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΟΣ ΛΟΓΩ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣ ΚΑΙ ΚΟΠΩΣΗΣ M. Manda, P.P. Psyllaki, D.N. Tsipas and P.T. Koidis: “Observations on an in-vivo failure of a titanium dental implant/ abutment screw system: A case report”, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 89B (1) (2009)

ΑΣΤΟΧΙΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΣΕ ΠΕΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΛΟΓΩ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΥΠΟ ΤΑΣΗ P.P. Psyllaki, G. Pantazopoulos, A. Pistoli: “Degradation of stainless steel grids in chemically aggressive environment”, Engineering Failure Analysis, 35 (2013)

ΑΣΤΟΧΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΜΠΛΕΞΗΣ ΟΧΗΜΑΤΟΣ P. Psyllaki, G. Pantazopoulos, P. Karaiskos: “Failure mechanisms of an automobile clutch assembly cast iron pressure plate”, Journal of Failure Analysis and Prevention, 12(1) (2012) 16-23

ΑΣΤΟΧΙΑ ΔΙΣΚΟΥ ΠΕΔΗΣΗΣ ΔΙΚΥΚΛΟΥ G. Pantazopoulos, A. Tsolakis, P. Psyllaki, A. Vazdrivanidis: «Wear and degradation modes in selected vehicle tribosystems», Tribology in Industry, 37(1) (2015) 72-80

ΑΛΛΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΠΟΥ ΑΝΑΛΥΘΗΚΑΝ C. Medrea, A. Kalfopoulos, D. Papageorgiou, I. Chicinas: “Metallographic examination of an AISI H11 mandrel of a bridge die used in hot extrusion: Case study”, International Journal of Structural Integrity, 6(5) (2015) D. Papageorgiou, C. Medrea, N. Kyriakou: “Failure analysis of H13 working die used in plastic injection moulding”, Engineering Failure Analysis, 35 (2013) Α. Maragiannis, D. Papageorgiou, C. Medrea, I. Chicinaş: “Microscopic examination of a tool used in tire waste recycling”, Engineering Failure Analysis, 35 (2013) C. Medrea, J. Sideris, I. Chicinaş, S. Ventouris: “Analysis of fracture and cracks of oldham's couplings used in anchor hoisting. Case study”, Engineering Failure Analysis, 35 (2013) D. Statharas, D. Papageorgiou, J. Sideris, C. Medrea: “Preliminary examination of the fracture surfaces of a cold working die”, International Journal of Material Forming, 1(1) (2008)