Odprężając inżynierię Understand article

Tłumaczenie Małgorzata Szmigielska. Darren Hughes naukowiec z Instytutu Laue-Langevin w Grenoble, wyjaśnia nam, czym są naprężenia. W jaki sposób inżynierowie wykorzystują je do zwiększenia bezpieczeństwa szyn kolejowych albo zwiększenia wydajności turbin wiatrowych? I jakie…

Wszyscy znamy to uczucie – napięcie w trakcie ciężkiego dnia, kiedy spada na nas nawał obowiązków. Cóż, czy wiedzieliście, że metale używane w konstrukcjach samolotów, budynków, samochodów i pociągów też poddawane są napięciom? Te napięcia nazywane są w tym przypadku naprężeniami i tak naprawdę dotyczą wszystkiego, co nas otacza.

Są one szczególnie ważne w tych elementach konstrukcji, które są kluczowe dla bezpieczeństwa, na przykład silniku samolotu albo torze kolejowym. Badania naprężeń różnych konstrukcji, mające na celu zwiększenie ich żywotności i niezawodności, są obecnie prowadzone w ośrodkach naukowych w Grenoble, we Francji.
 

Co to jest naprężenie?

Kiedy na przedmiot działa siła, w przedmiocie tym pojawiają się naprężenia. W rzeczywistości określają one reakcję przedmiotu na działającą siłę. W matematyce naprężenie definiuje się jako iloraz działającej siły i pola, na które ona oddziałuje. Jednostką naprężenia w układzie SI jest Newton przez metr do kwadratu (Nm-2). Czasem łatwo jest pomylić naprężenie z ciśnieniem, bo jego jednostką też jest Nm-2. Ważną różnicą jest to, że ciśnienie wyraża siłę zewnętrzną działającą na przedmiot, naprężenie natomiast siłę wewnętrzną.

 

Naprężenia, które w
naturalny sposób tworzą się
w drzewie w trakcie jego
wzrostu, po ścięciu pnia
mogą prowadzić do
powstawania pęknięć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Darren Hughes

Naprężenie jest obecne w elementach metalowych już od momentu ich produkcji. W inżynierii często występuje pojęcie naprężenia własnego (resztkowego) i zewnętrznego. Naprężenie własne powstaje w elemencie konstrukcyjnym podczas jego wytwarzania. Natomiast w trakcie eksploatacji element ten poddawany jest naprężeniom zewnętrznym – na przykład pociąg jest siłą powodującą naprężenie szyn. Naprężenie całkowite jest zatem sumą naprężeń własnych i zewnętrznych.

Naprężenie może być obojętne, dodatnie lub ujemne, zależnie od rodzaju działającej siły. Kiedy element konstrukcyjny ulega rozciąganiu, naprężenie jest najczęściej dodatnie i nosi nazwę rozciągającego. W odwrotnym przypadku, kiedy mamy do czynienia z siłą ściskającą, naprężenie jest ujemne i nosi nazwę ściskającego. Naprężenia własne zmieniają się pod wpływem naprężeń zewnętrznych, za każdym razem, kiedy element konstrukcyjny jest używany. Stopień tych zmian zależy od typu zużycia, długości użytkowania i działających sił zewnętrznych. Zużycie mechaniczne i naprężenia doprowadzają w końcu do uszkodzenia elementu.

Wpływ naprężenia na
szczelinę

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Darren Hughes

Czy wszystkie naprężenia mają negatywny wpływ na trwałość konstrukcji, czy może niektóre są dla niej korzystne? Owszem, za korzystne uważa się zazwyczaj naprężenie ściskające, odwrotnie do naprężenia rozciągającego. Dlaczego? Spójrzmy na rysunek poniżej, przedstawiający szczelinę powstałą na powierzchni elementu i działające na nią siły.

Pod wpływem sił rozciągających szczelina się powiększa. Nic takiego się natomiast nie dzieje w przypadku działania sił ściskających. Współczesne technologie produkcji umożliwiają wytwarzanie elementów ze ściskającym naprężeniem własnym, co pozwala wydłużyć żywotność konstrukcji i zwiększyć jej odporność na zużycie.

Jest to jednak bardziej skomplikowane niż mogłoby się wydawać. Element konstrukcyjny podlega prawom fizyki i w stanie spoczynku naprężenie całkowite jest równoważone – zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona. Jeśli więc w jednym miejscu występują naprężenia ściskające, w innym będą je równoważyły naprężenia rozciągające. Inżynierowie muszą zatem dokonywać pomiaru naprężenia własnego i na jego podstawie rozmieszczać naprężenia ściskające i rozciągające. Zasadniczo łatwo jest obliczyć naprężenia zewnętrzne (np. biorąc pod uwagę rozłożenie ciężkości pociągu na szynach). O wiele trudniej jest wyznaczyć naprężenia własne.

A to właśnie analiza naprężeń własnych ma coraz większe znaczenie w budowie obiektów o zwiększonej wytrzymałości, tańszych i mniej szkodliwych dla środowiska. Zastosowanie lżejszych materiałów w przemyśle transportowym może znacznie obniżyć koszty paliwa, najważniejsze jest tu jednak zachowanie odpowiednio długiej żywotności elementu konstrukcyjnego.

Inżynierowie i naukowcy pracujący w ośrodkach badawczych w Grenoble, mierzą naprężenia własne metodą dyfrakcji rentgenowskiej i neutronowej. Wiązka promieni kierowana jest na element konstrukcji i tworzy obraz występujących w nim naprężeń własnych (zob. ramka) Jedną z zalet tej nieniszczącej metody jest duża głębokość penetracji wiązek, dzięki której naprężenie własne może być badane bez konieczności przecinania elementu konstrukcyjnego. To, czy stosuje się neutrony, czy promienie rentgenowskie, zależy od rodzaju metalu, wielkości elementu i wymaganej rozdzielczości przestrzennej.
 

Naprężenia własne w główce szyny, wyznaczone metodą dyfrakcji rentgenowskiej
Zdjęcie dzięki uprzejmości Darren Hughes
 

Szczególnie ważnym obszarem badań są naprężenia własne powstające podczas spawania. Procesowi temu towarzyszy różnica temperatur prowadząca do tworzenia się naprężeń, które z kolei wpływają na wytrzymałość i trwałość zmęczeniową spoiny (zob. poniżej).

Wypadek kolejowy w Hatfield
Zdjęcie dzięki uprzejmości Rob
Welham; źródło: Wikimedia
Commons

Innym ważnym polem badań są naprężenia w szynach kolejowych. Wypadek kolejowy w Hatfield, w Wielkiej Brytanii, w październiku 2000 roku, jest przykładem tego, jak poważne w skutkach może być uszkodzenie metalu. W wyniku pęknięcia szyny doszło wówczas do wykolejenia pociągu. W wypadku zginęły cztery osoby, a ponad 100 zostało rannych. Pęknięcie szyny wiązało się wtedy ze współwystępującymi drobnymi pęknięciami powierzchniowymi i naprężeniami własnymi. Obraz na odwrocie strony, otrzymany przy użyciu promieni rentgenowskich, przedstawia pole naprężeń w główce szyny.

Czerwony kolor oznacza naprężenia rozciągające, niebieski – ściskające. Obszar, w którym naprężenie rozciągające zbliża się ku górze, jest bardziej narażony na powstawanie pęknięć powierzchniowych. Analiza zmian zachodzących w naprężeniach własnych szyn pod wpływem zużycia pozwala nie tylko na opracowanie lepszych materiałów do ich produkcji, ale także na ulepszenie konserwacji i minimalizację uszkodzeń.

Wszelkie uszkodzenia konstrukcji związane z naprężeniami nie zawsze stanowią zagrożenie dla życie, ale zdarza się, że przysparzają poważnych problemów w wielu gałęziach przemysłu. Przykładem mogą być turbiny wiatrowe – urządzenia coraz bardziej popularne ze względu na rosnące zainteresowanie alternatywnymi źródłami energii. Kluczowy element konstrukcji turbiny – łożysko główne wirnika (zob. zdjęcie powyżej) pozostaje pod działaniem zarówno naprężeń wewnętrznych, jaki i powierzchniowych.

Naprężenia własne w główce szyny, wyznaczone metodą dyfrakcji rentgenowskiej
Zdjęcie dzięki uprzejmości Darren Hughes
 

Tradycyjny sposób minimalizowania pęknięć powierzchniowych poprzez tworzenie naprężeń własnych ściskających, okazuje się w przypadku turbin nieskuteczny, prawdopodobnie ze względu na występujące w innych miejscach konstrukcji równoważące naprężenia rozciągające. Prowadzone obecnie analizy naprężeń własnych łożyska z wykorzystaniem metody dyfrakcji neutronowej, być może pozwolą zmodyfikować metodę produkcji łożyska i wydłużyć żywotność konstrukcji.

Badania naprężeń dają zatem szansę na produkcję bardziej wytrzymałych i bezpieczniejszych elementów konstrukcyjnych. Kończąc pozytywnym akcentem, jak widać nie wszystkie rodzaje napięć, z którymi mamy do czynienia na co dzień, są szkodliwe.
 

Neutrony i promienie rentgenowskie w analizie naprężeń

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Darren Hughes

Wiązka neutronów lub promieni rentgenowskich o określonej długości fali (λ), skierowana na próbkę metalu, odbija się pod pewnym kątem. Istnieje związek pomiędzy odstępami atomów w sieci krystalicznej metalu (d) a kątem odbicia wiązki (θ). Związek ten opisuje prawo Bragga.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Darren Hughes

Kiedy na próbkę metalu działa naprężenie – ściskające lub rozciągające – odstępy między atomami w sieci się zmieniają. Jak widać na rysunkach poniżej, w przypadku rozciągania odstępy się zwiększają (dtens) a w przypadku ściskania – zmniejszają (dcomp) Zgodnie z prawem Bragga, przy takiej samej długości fali zmianie ulegnie kąt θ odbicia wiązki. Wyznaczenie tego kąta daje możliwość oceny naprężeń rozciągających i ściskających w badanym materiale oraz ich siły.

Download

Download this article as a PDF

References

  • An introduction to the techniques described here can be found in: Withers PJ, Webster PJ (2001) Neutron and synchrotron X-ray strain scanning. Strain 37: 19-33
  • Strona internetowa Instytutu Laue-Langevin w Grenoble: www.ill.fr
  • Strona internetowa European Synchrotron Radiation Facility (Europejskiego Ośrodka Synchrotronu Atomowego) w Grenoble: www.esrf.fr
  • Obydwa ośrodki badawcze należą do grupy EIROforum, skupiającej siedem europejskich międzyrządowych organizacji naukowych, wydawcy Science in School. Zob: www.eiroforum.org

Institution

ILL

Review

Artykuł ten jest przeznaczony głównie dla uczniów chcących kontynuować naukę fizyki na poziomie uniwersyteckim i przyda im się w szczególności jeśli chodzi o zagadnienia takie jak właściwości materii i materiałoznawstwo. Ponieważ tekst dotyczy również krystalografii, może okazać się przydatny dla przyszłych studentów chemii. Artykuł da się też wykorzystać w bardziej interdyscyplinarny sposób, szukając powiązań między fizyką, chemią, technologią i inżynierią.

Informacje o dyfrakcji neutronowej i rentgenowskiej można wykorzystać do przeprowadzenia ćwiczeń sprawdzających zrozumienie. Nauczyciel może poprosić o wyjaśnienie prawa Bragga lub o wyjaśnienie wpływu ściskania i rozciągania na dyfrakcję.

Tematami do dyskusji mogą być: różnica pomiędzy nauką teoretyczną a stosowaną, własności fal lub problem odpowiedzialności za wypadki komunikacyjne. Do zajęć lekcyjnych można również wykorzystać przedstawione w artykule zdjęcia i rysunki.


Eric Deeson, Wielka Brytania




License

CC-BY-NC-ND