DEFECTIUNILE STRUCTURILOR MECANICE

DEFECTIUNILE STRUCTURILOR MECANICE

1. Introducere

In practica se utilizeaza notiunile de neconformitate si defectiune.

Neconformitatea este o abatere a unei caracteristici fata de prescriptii astfel incat produsul sa nu indeplineasca cerinta unei specificatii.

Defectiunea reprezinta o pierdere partiala sau totala a capacitatii de functionare a unei structuri, precum si orice modificare a valorilor parametrilor sai constructivi si functionali in afara limitelor prevazute de documentatie.

Conceptele de defect si de defectare sunt generale si au o arie de cuprindere practica foarte larga. Ca urmare, pentru o analiza completa a comportarii componentelor structurilor mecanice din perspectiva sigurantei lor in functionare este necesar sa se realizeze o cat mai corecta identificare a defectelor si a cauzelor acestora, sa se identifice dependentele cauzale si sa se delimiteze cauzele particulare de cele comune.

Defectele pot fi : fizice si functionale.

Un defect fizic apare in momentul in care o componenta (piesa) a structurii mecanice se defecteaza propriu - zis si nu mai este apta de functionare.

Un defect functional apare in momentul in care structura este operationala, dar nu isi realizeaza functia specifica. Majoritatea defectelor functionale apar datorita erorilor din faza de proiectare.

Termenul de "neconformitate" este folosit la controlul calitatii produselor, iar cel de "defect" in exploatare. De problemele defectelor componentelor structurilor mecanice se ocupa numeroase lucrari dintre care citez urmatoarele.

2. Defectarea componentelor structurilor mecanice

Studiile efectuate de Huber si Weibul asupra ruperii materialelor se bazeaza pe postulatul "Un punct de defect apare intr-un obiect perfect atunci cand energia inmagazinata dupa o anumita lege depaseste o valoare critica" enuntat de catre Beltrami: in cazul structurilor mecanice, energia se inmagazineaza de regula, sub forma de deformatii si / sau caldura. Trebuie presupus ca exista un timp limita necesar transformarii energiei dintr-o forma in alta.

In cazul obiectelor reale, datorita neomogenitatii lor interne, se poate considera ca acestea sunt formate din asamblarea unor mici obiecte perfecte ("verigi") avand caracteristici diferite. Rezistenta ( sarcina ) critica a unui obiect real este data de "veriga" cea mai slaba. Pentru sarcinile aplicate pe perioade extrem de lungi se definesc doua rezistente:

sarcina pe care un produs o poate suporta pe o perioada de timp infinita fara modificare sau deteriorare, aceasta fiind rezistenta teoretica;

sarcina pe care un produs o poate suporta pe o perioada de timp infinita cu modificari, dar fara defectare, aceasta fiind rezistenta limita reala.

Curbele Wohler - de rezistenta la oboseala - ale otelurilor constituie exemple ale acestor tipuri de rezistente.

Evolutia unui defect in timp poate fi importanta. In cazul unui produs in care un numar de verigi au cedat, sarcina pe verigile ramase creste cu fiecare veriga cazuta. Corespunzator, viteza de crestere a sarcinii este legata de inmultirea defectarii verigilor. Timpul necesar ca o veriga defecta sa o afecteze pe urmatoarea devine mai scurt, procesul de defectare se accelereaza conducand la "defectarea in avalansa". In figura 1 se prezinta ca exemplu de defect prin avalansa, propagarea fisurii intr-un arbore.

Fig. 1. Comportarea unui arbore la fisurare: σ - tensiunea de incercare; σ_D - tensiunea limita la oboseala.

In cazul unui obiect continand multe defecte mici, ipoteza ca acestea nu modifica repartitia de energie in obiect este aproape intotdeauna adevarata. Daca insa obiectul contine defecte mari, repartitia energiei inmagazinate se schimba esential, aparand fenomenul de concentrare a tensiunilor. Cazul se regaseste cand in material exista fisuri sau incluziuni, de asemenea cand sunt modificari importante de dimensiuni sau de forma.

Clasificarea defectelor se poate face dupa mai multe criterii:

dupa cauzele care le-au produs: - de proiectare, - de fabricare; de utilizare;

in fuctie de corelarea cu alte defectiuni: - primare; - secundare;

dupa viteza de aparitie: - bruste; - progresive (uzare, corodare, imbatranire etc.);

dupa frecventa aparitiei defectiunilor: - sporadice (<30%); -cronice (>30%);

dupa gradul de recuperare a capacitatii de functionare: - partiala; - totala;

dupa consecintele defectiunii; - minore ( nu impiedica functionarea); - majore (impiedica functionarea); - critice (pot provoca distrugerea de bunuri sau pierderea de vieti omenesti, vatamari corporale);

dupa volumul operatiilor de restabilire a starii tehnice initiale: - dereglari; - caderi (necesita remedierea sau inlocuirea unor pise); - avarii ( necesita interventii la nivelul intregii structuri);

dupa durata manifestarii: - temporare; - intermitente; - permanente, stabile;

dupa usurinta depistarii: - evidente; - ascunse;

dupa perioada din viata structurii in care se produc defectiunile: - initiale (precoce); - aleatoare; - de imbatranire.

Experienta arata ca defectiunile in timp se produc dupa urmatorul grafic(fig. 2).

Fig. 2. Variatia defectiunilor: I - defectiuni initiale; II - defectiuni aleatoare (viata utila); III - defectiuni de uzare (imbatranire).

In functie de conditiile concrete de functionare, duratele perioadelor mentionate pot varia in limite largi. Daca conditiile sunt nefavorabile, perioada a doua poate sa lipseasca.

Criteriile de clasificare a defectelor componentelor structurilor mecanice precum si criteriile de apreciere a capacitatii de functionare, dau o imagine asupra varietatii acestora ca si asupra multitudinii posibilelor puncte critice ale acestora (tab. 1).

Tabelul 1. Alte criteriile de clasificare a defectiunilor structurilor mecanice

Deosebit de importanta este clasificarea defectiunilor dupa consecintele acestora. Descrierea in documentatia de executie a clasificarii consecintelor nerespectarii fiecarei caracteristici, respectiv specificatii, permite proiectantilor de tehnologii, executantilor si controlului de calitate sa faca diferentierea intre elementele mai importante si mai putin importante,concentrand atentia asupra elementelor cheie, cu consecinte economice importante.

Aparitia defectiunilor in timp, ca urmare a solicitarilor, are loc cand valorile starii de tensiuni datorate solicitarii atinge valoarea rezistentei limita a materialului de constructie. Rezistenta materialului de constructie este o marime statistica care scade in timp (imbatranire). De asemenea solicitarea la randul ei este o marime statistica (fig. 3)

Fig. 3.

Suprapunerea curbelor solicitarilor si rezistentelor care poate fi intentionata - din ratiuni economice sau neintentionata - necunoasterea solicitarilor reale, proiectarea sau fabricarea defectuoase ne arata probabilitatea de aparitie a defectiunilor, de exemplu : datorate uzarii, imbatranirii.

3. Defecte de structura

Metalele si cele mai multe nemetale se gasesc sub forma cristalina, adica atomii constituenti sunt aranjati intr-un sablon ce se repeta periodic pe cele trei directii. Aranjamentul atomilor este numit structura cristalina. Structura cristalina a celor mai multe metale este una simpla, structurile cristaline cele mai des intalnite fiind: cub centrat, cub cu fete centrate si structuri hexagonale. Pe de alta parte structurile cristaline ale aliajelor si compusilor nemetalici sunt cel mai adesea complexe.

3.1 Clasificarea defectelor in cristale

Un cristal se caracterizeaza prin asezarea ordonata a particulelor constituente, adica printr-un aranjament geometric bine definit al acestora, care permite stabilirea unei periodicitati tridimensionale. In studiul cristalului se foloseste notiunea geometrica de retea cristalina, constand dintr-un numar infinit de puncte geometrice, numite noduri, care se suprapun prin anumite translatii dupa trei directii necoplanare. Existenta particulelor in noduri determina structura cristalului ideal.

Experimentele si teoria au aratat ca exista diferite tipuri de abateri fata de structura cristalina ideala. Asadar in fiecare cristal exista deci din acest punct de vedere defecte sau imperfectiuni.

a) Defecte datorate miscarii termice. Se stie ca particulele, atomii si ionii, dintr-un cristal efectueaza vibratii termice in jurul pozitiilor de echilibru, care coincid cu nodurile retelei cristaline. Astfel atomii nu se gasesc in general la un moment dat chiar in nodurile corespunzatoare, structura ideala a cristalului fiind permanent perturbata. Vibratiile termice se propaga in cristal sub forma unor unde elastice. In analogie cu dualismul unda-particula s-a dovedit utila asocierea acestor unde cu niste particule fictive, numite fotoni.

b) Defecte electronice. Electronii liberi, golurile si excitorii (excitorii = starea excitata a unui ion cristalin) pot fi priviti si ei ca defecte, deoarece constituie elemente care perturba starea perfecta a structurii cristaline si interactioneaza cu ionii retelei.

c) Defecte tranzitorii. O radiatie (fotoni, particule incarcate sau neutre), trecand printr-un cristal, are efecte temporare asupra structurii ideale, putand fi considerate ca un defect tranzitoriu.

d) Defecte structurale. Cristalele prezinta abateri de la ordinea perfecta si datorita unor neregularitati ce apar in arhitectura lor intima. Ele se numesc defecte structurale si se clasifica in functie de analogia lor cu notiunile geometrice de punct, linie si suprafata.

3.1.1 Defecte punctiforme sau zerodimensionale

Abaterile de la periodicitatea retelei cristaline care au dimensiuni atomice, se numesc defecte punctiforme sau zerodimensionale. Aceste defecte pot fi de mai multe feluri:

a) Vacante. Daca un nod al retelei cristaline ramane neocupat, in locul respective se formeaza un defect numit vacanta.

b) Interstitiali. Daca un atom ocupa in cristal o pozitie care nu este un nod al retelei, adica se afla intr-un loc ,,nepermis", unde in mod normal el nu ar trebui sa existe, atunci aici se naste un defect numit interstitial. Interstitialul poate fi un atom propriu sau un atom strain (de impuritate).

c) Atomi substituiti. Se poate intampla ca intr-un cristal format dintr-un anumit fel de atomi un nod sa fie ocupat de un atom de alta natura. In felul acesta atomul substituit formeaza un defect punctiform.

3.1.2 Defecte punctuale complexe

Atat prin interactiunea dintre defectele punctuale simple cat si ca efect al particulelor de inalta energie, in structura metalelor se pot forma defecte punctuale complexe.

Dintre defectele punctuale complexe, care apar frecvent in structura metalelor, se mentioneaza: bivacantele, trivacantele, complexe tetraedrice de vacante, colonii de vacante, colonii de interstitii, interstitial despicat, cluster de vacante, cluster de interstitiali.

4. Defectiuni generate de conceptia constructiva.

Cu toate ca metodele de proiectare si tehnologiile de fabricare si de supraveghere in exploatare au fost continuu perfectionate, iar exigenta normelor de control a crescut, un numar mare de accidente continua sa se produca. Studiul acestora a condus la concluzia ca distrugerea structurilor se produce datorita urmatoarelor doua cauze principale:

neglijenta in proiectare, fabricare sau in exploatare ;

aplicarea unor noi procedee de proiectare sau a unor materiale noi, insuficient studiate, care conduc la rezultate neasteptate.

Defectiunile de proiectare si tehnologice sunt defectiuni premature si apar accidental cu scoaterea din functiune a structurilor mecanice.

Alegerea unei solutii constructive neadecvate sau a unei scheme cinematice insuficient studiate poate compromite, inca din faza de tema sau proiect tehnic, fiabilitatea oricarei structuri. Cu consecinte asupra disponibilitatii se incadreaza proiectarea structurilor mecanice la care este neglijat accesul usor pentru intretinere, inspectie si reparare, in special pentru elementele vitale ale acestora (ex : proiectarea necorespunzatoare a sistemului de etansare de la dispozitivele de amestecare).

5. Defectiuni cauzate de uzare.

Defectiunile conditionate de procesul de uzare pot aparea ca urmare a:

solutiilor constructive ;

proceselor tehnologice de fabricare, asamblare si montare;

conditiilor de exploatare (abateri de la regimul de lucru) ;

mentenantei structurilor mecanice. (nerespectarea duratei de schimb a lubrifiantilor, timpului si tipului lubrifiantului de reungere).   

Efectele negative ale uzarii se pun in evidenta prin: scaderea randamentului, consumul de lubrifiant, cresterea nivelului de zgomot si vibratii, modificarea regimului termic si, in final, deteriorarea principalelor elemente ale structurilor mecanice fara posibilitate de reparare (blocari ca urmare a modificarii sectiunilor periculoase si cresterii sarcinilor dinamice etc.).

In afara criteriului tehnic si tehnologic, la aprecierea starii limita de functionare a structurilor mecanice si a componentelor acestora se utilizeaza si criteriile economice si de siguranta. Criteriul economic are in vedere faptul ca intre uzura si cost exista anumite legaturi care se manifesta prin scaderea randamentului, cresterea consumului de lubrifiant, in special ca urmare a degradarii mecanice si a pierderilor prin etansari. Sunt situatii cand o structura (sau o componenta a acesteia) se considera necorespunzatore, deci defect sub aspect functional pentru motive economice, desi din punct de vedere tehnic nu s-a atins inca nivelul limita de uzare. Criteriul de siguranta se aplica in special pentru organele de masini care echipeaza sisteme mecanice a caror defectare are implicatii deosebite pentru securitatea oamenilor (domeniul constructiilor aerospatiale, nucleare, instalatiilor chimice cu medii toxice etc.).

Modul de scoatere din functiune a unei componente depinde atat de caracteristicile geometrice si de material ale acesteia, cat si de conditiile de exploatare (sarcina,lubrifiantul, viteza etc.). In figura 4 se prezinta o sinteza a principalelor cauze si forme de deteriorare care conduc la aparitia uzarii.

Oboseala superficiala (ciupituri)

Fig. 2. Principalele cauze si forme de deteriorare a componentelor structurilor mecanice

cu miscare relativa.

Aparitia uneia sau alteia dintre formele de uzare, indicate in figura 2, este determinata de corelatia caracteristicilor mecanice ale materialelor celor doua elemente (ale cuplei) cu caracteristicile lubrifiantului si ale eventualelor particule ce se gasesc in lubrifiant (abrazivi, aditivi etc.) - si cu conditiile cinematice, geometrice si de incarcare.

6. Defectiuni cauzate de mediul ambiant.

Nesocotirea factorilor de mediu poate genera numeroase defectiuni, constituind deseori cauza defectiunilor primare. Ca tipuri de defectiuni trebuie incluse si acelea provocate de conservarea, ambalarea si transportul structurilor mecanice, componentelor acestora si pieselor de schimb. Principalii factori de mediu - temperatura, umiditate, nisip si praf etc. - dau o imagine asupra varietatii solicitarilor la care poate fi supus o structura mecanica. Neglijarea acestora conduce la defectari sistematice din categoria acelora de conceptie constructiva, impunand ca factorii de mediu sa fie definiti in tema de proiectare si specificati in notita tehnica sau alte materiale tehnice insotitoare.

7. Defectiuni cauzate de factorul uman.

Lipsa de cunoastere constituie sursa principalelor defectiuni provocate de factorul uman. La acestea se adauga cele rezultate din neglijarea considerentelor ergonomice. Defectiunile provocate de factorul uman apar cu precadere la transportul, montajul, exploatarea si intretinerea structurilor mecanice. Din aceasta cauza, aspectele mentenabilitatii sunt cel mai puternic afectate.

Prevenirea acestui tip de defectiuni se poate realiza cel mai eficient in etapa de proiectare. Transmiterea de informatii prin inscriptionari clare si greu de sters, manuale de mentenanta etc., au o deosebita importanta. Sistemele automate de supraveghere si alarma au un rol insemnat si prin prisma reducerii defectiunilor provocate de factorul uman.