POLITECHNIKA GDANSKA Data:99.03.17

WYDZIAL OCEANOTECHNIKI I OKRETOWNICTWA

S P R A W O Z D A N I E

AUTORZY: Filip Lubanski & Edward Konarzewski

Gr. B inz.

1. WSTEP

Celem cwiczenia, na badanie predkosci pekniec zmeczeniowych, jest zapoznanie się z podstawami teoretycznymi i metodyka badan pekniec zmeczeniowych oraz zbadanie predkosci rozwoju pekniecia i wyznaczenie krzywej propagacji pekniecia zmeczeniowego dla wybranego materialu.

Zmeczenie sa to zmiany, wystepujace w metalu, pod wplywem cyklicznie zmiennych naorezen, czy odksztalcen ujawniajace sie przez zmniejszenie jego wytrzymalosci, tewalosci albo przez zniszczenie w wyniku pekania. Dlatego tez konstrukcje oceanotechniczne i okretowe w trakcie eksploatacji sa poddawane dzialaniu obciazen zmiennych w czasie. Pod wplywem tych obciazen w metalu nastepuja zmiany. Pojawiaja sie, a nastepnie kumuluja odksztakcenia plastyczne w postaci poslizgow, którym toearzyszy dynamiczne oslabienie lub umocnienie sie materialu. Po pewnym czasie w pasmach poslizgow inicjuja sie pekniecia zmeczeniowe. Pekniecia inicjuja sie tez często w miejscach wtracen niemetalicznych na powierzchni metalu, zas jeśli w probce lub konstrukcji wystepuje karb geometryczny to niemal zawsze inicjuja sie w jego dnie. Jezeli naprezenie w konstrukcji jest dostatecznie duze, to zainicjowane pekniecie bedzie sie rozwijac ( propagowac ) az do calkowitego zniszczenia konstrukcji.

Cykl naprezen charakteryzuja:

- srednie naprezenie cyklu _m = _max + _min / 2

- amplituda cyklu naprezen _a = _max - _min /2

- wspolcznnik asymetrii cyklu R = _min / _max

gdzie:

_max- gorne naprezenie cyklu

_min- dolne naprezenie cyklu

Dodatkowe charakterystyki cyklu obciazenia to czestotliwosc zmian obciazenia przez ksztalt cyklu ( sinusoidalny, pilasty, trapezowy, nieregularny )

2. Metodyka badan

Maszyny do badan zmeczeniowych sa zroznicowane pod wieloma wzgledami. Istnieja maszyny o napedzie mechanicznym (np. tradycyjne maszyny do badan zmeczeniowych materialow ), wykorzystuje sie maszyne do statycznej proby rozciagania przy badaniu zmeczenia niskocyklowego N≤10⁴, maszyny rezonansowe, jednak najczesciej stosowane sa maszyny z pulsatorami hydraulicznym i silownikami. Maszyna, na ktorej zostalo wykonane cwiczenie, to maszyna o napedzie poziomym, przystosowana również do badan zmeczeniowych probek w srodowisku korozyjnym. Silownik zamocowany na korpusie spawanym, przekazuje obciazenie za posrednictwem ramy, ciagien na jedna lub dwie probki polaczone szeregowo. Silownik zasilany jest przez pompe olejem o stalym cisnieniu, zas pulsator powoduje, ze cisnienie jest sinosuidalne. Sila obciazajaca mierzona jest przez silomierz, którego dzialanie oparte jest na tensometrach oporowych.

W celu przeprowadzenia cwiczenia stosuje sie, wg normy, probki:

• zwarte rozciagane CT ( Compact Tension )

• z centralna szczelina CC( T ) ( Central Cracked in Tension )

• zginane z pojedynczym karbem krawedziowym SEN ( B )

• rozciagane z karbami na obydwu krawedziach DEN ( T )

Podczas proby rejestruje sie dlugosc pekniecia (a) oraz odpowiadajaca jej liczbe cykli obciazenia ( N ). Badania nalezy przeprowadzic przy stalej czestotliwosci obciazenia wykonujac co najmniej trzy proby. Gdy proba zostala zrealizowana dostatecznie dokladnie, dopuszcza sie zbadanie tylko jednej probki dlawyznaczenia charakterystyki predkosci propagacjii. Badania wykazuja, ze charakterystyka ta tylko nieznacznie rozni sie od wyznaczonej dla trzech probek. Przed zasadniczymi badaniami probke z karbem poddaje sie wstepnym obciazeniom zmiennym w celu wywolania w niej wstepnego pekniecia zmeczeniowego. Probe wykonano na probce CT stali kategorii E, zwyczajnej wytrzymalosci, o grubosci B = 14mm i szerokosci W = 40mm.

Proba zmeczenia metalipolega na wielokrotnym obciazeniu wywolujacym zmienny stan naprezen. Zmiany obciazenia podczas proby powinny wystepowac cyklicznie w sposób kontrolowany, przy utrzymaniu stalosci naprezenia ( lub odksztalcenia ).

Do badan zmeczenia norma zaleca stosowanie probek zwartych rozciaganych po angielsku: compact tension, oraz probek centralna szczelina. Dopuszcza sie jednak stosowanie dowolnej innej probki, pod warunkiem okreslenia dla niej wspolczynnika.

Maszyny do badan zmeczeniowych sa bardzo zroznicowane zarówno pod względem sposobu wymierzania obciazenia zmeczeniowego jak i rodzaju obciazenia jego czestotliwosci, ksztaltu cyklu, zakresu obciazenia. Niektóre maszyny maja naped mechaniczny - maszyny do badan zmeczenia materialow. Najczesciej stosowane sa jednak maszyny z pulsatorami hydrauliczynymi i silownikami. Dla probek badanych przy cyklach podobnych, gdy wspolczynnik asymetrii cyklu jest staly R = const lub przy stalym minimalnym naprezeniu _max = const. Badania prowadzi sie zwykle przy kilku, przewaznie pieciu poziomach naprezenia, zaczynajac od najwyzszego, przy którym zniszczenie probki nastapi po około 10⁴ cykli obciazenia, a nastepnie kolejno obnizajac poziomy obciazenia. Przy malejacych poziomach obciazenia krzywa Wohlera asymptotycznie do pewnej lini poziomej rownoleglej do osi liczby cykli N. Oznacza to ze metal jest w stanie przeniesc niskocyklowa liczbe naprezen, których wartosc nie przekracz Z, okreslajace polozenie tej asymptoty. Wartosc Z nazywa sie wytrzymaloscia na zmeczenie.

Predkosc propagacji pekniecia zmeczeniowego, okreslonego wzorem:

f( k ) = da/dn

Prawo parisa liczymy ze wzoru:

da/dn = c( k )^m

N cykle	a mm
110000	13,35
128000	14,12
137500	14,85
145000	15,67
152000	16,52
158500	17,35
165000	18,25
170000	19,05
174500	19,96
178000	20,90
180000	21,60
182000	22,50
184400	23,85

4. WNIOSKI

1. Próba zmeczenia metali polega na wielokrotnym obciazeniu próbki wywolujacym zmienny stan naprezen. Zmiany obciazenia podczas próby powinny wystepowac cyklicznie w sposób kontrolowany, przy utrzymaniu stalosci naprezenia (lub odksztalcenia).

2. Przy próbie plaskiego zginania próbke nalezy zmocowac w uchwytach maszyny wytrzymalosciowej osiowo w ten sposób, aby moment zginajacy dzialal w plaszczyznie symetrii próbki.

3. Próbki z jednej serii nalezy badac na jednym typie maszyny wytrzymalosciowej, przy tej samej czestotliwosci zmian obciazenia. Czestotliwosc zmian obciazenia powinna wynosic f=5-100H_z. W uzasadnionych przypadkach badania przeprowadza sie przy mniejszej czestotliwosci np. f=0,1H_z przy badaniach skutecznosci obciazen dzialajacych fal przy burzliwym morzu. Wówczas otrzymuje sie mniejsze wartosci wytrzymalosci na zmeczenie anizeli przy f=100H_z.

4. Próbe prowadzi sie az do zniszczenia próbki lub do osiagniecia przez próbke tzw. bazowej liczby cykli zmian naprezenia, przy której wyznacza sie wytrzymalosc badanego materialu na zmeczenie.

5. Wyniki badan serii próbek przedstawia sie graficznie w postaci wykresu Wohlera.

6. Wykresu sporzadza sie dla próbek badanych przy jednakowym srednim naprezeniu δ_m= constans, dla próbek badanych przy cyklach podobnych, gdy wspólczynnik asymetrii cyklu jest staly R= constans lub przy stalym minimalnym naprezeniu δ_m= constans.

7. Podstawa próby zmeczeniowej N_G (umowna liczba cykli N) zalezy od materialu próbek.

8. Przy badaniach stali stosuje sie podstawe 10⁷ cykli, a dla metali niezelaznych 2⋅10⁷- 10⋅10⁷ cykli. W badaniach porównawczych stali stosuje sie baze 2⋅10⁶ cykli, a w badaniach porównawczych metali niezelaznych 5⋅10⁶ cykli.

9. Przy wyznaczaniu wytrzymalosci metalu na zmeczenie nalezy przeprowadzic badanie jednakowych próbek przy kilku poziomach naprezen. Badania zaczyna sie od najwyzszego poziomu naprezen, przy którym wystapi zniszczenie próbek po około 10⁴ cyklach, a nastepnie kolejno obniza sie poziom naprezen, az do momentu, w którym badane próbki nie ulegna zniszczeniu przy N_G cyklach odpowiadajacych przyjetej postawie próby zmeczenia.

10. Na poziomie naprezen odpowiadajacym wytrzymalosci na zmeczenie nalezy zbadac co najmniej trzy próbki. Liczba poziomów naprezen do sporzadzania krzywej Wohlera dla wyznaczenia wytrzymalosci na zmeczenie nie moze byc mniejsza od pieciu. Zwiekszenie liczby próbek badanych na jednym poziomie naprezen zwieksza dokladnosc wyznaczenia charakterystyk zmeczenia metali.

---