Czynniki wpływające na wytrzymałość zmęczeniową

Zmęczenie materiału to zmiany występujące w materiale pod wpływem okresowo zmiennych naprężeń lub odkształceń, które mogą do-prowadzić do zniszczenia materiału.

Charakterystyczną cechą zniszczenia zmęczeniowego materiału jest to, że występuje ono przy maksymalnych naprężeniach znacznie niż-szych od wytrzymałości doraźnej Rm, a nawet od granicy plastyczności Re lub R 0,2 . Pęknięcia zmęczeniowe mają charakter pęknięć kruchych. Są one szczególnie niebezpieczne, ponieważ powstanie szczeliny zmęczeniowej pozostaje zwykle niezauważone, a ostateczne zniszczenie części następuje nagle i niespodziewanie prowadząc zwykle do niebezpiecznych awarii. Badania wykazały, że około 80 % wszystkich pęknięć w maszynach spowodowanych jest zmęczeniem materiału, a tylko 20% przeciążeniem statycznym

Odporność elementów maszyn na zmęczenie zależy od:

• rodzaju i własności materiału

• kształtu elementu

• rodzaju obróbki powierzchniowej i gładkości powierzchni

• zakresu zmienności naprężeń w materiale

• przebieg obciążeń

Badania wytrzymałości zmęczeniowej możemy podzielić na:

• badania próbek materiału ( z uwzględnieniem sposobu obróbki i gładkości powierzchni)

• badania gotowych elementów technicznych ( posiadających skomplikowane kształty)

Niekiedy badaniom zmęczeniowym poddaje się całe zespoły konstrukcyjne a nawet gotowe urządzenia.

Charakterystyka naprężeń zmęczeniowych

Zmienność naprężeń w próbie zmęczeniowej charakteryzuje się cyklem naprężeń, okresem zmian T lub częstotliwością zmian f oraz za-kresem zmian naprężeń, które można rozpatrywać jako wynik nałożenia składowej statycznej sm (naprężenie średnie) i wahadłowo zmieniającej się dynamicznej o amplitudzie sa.

Cykl naprężeń to okresowo zmienne naprężenie o wartościach zmieniających się w sposób ciągły w czasie jednego okresu. Okresowo zmienne naprężenia występujące w próbach zmęczeniowych mają najczęściej charakter sinusoidalny. Współczynnik asymetrii cyklu (R), to stosunek najmniejszego naprężenia cyklu smin do największego naprężenia cyklu smax:••. Między współczynnikami c i R zachodzi następująca zależność: . Cykl w którym smin i smax mają taki sam znak nazywa się cyklem jednostronnym, cykl w którym naprężenia zmieniają znak nazywamy cyklem dwustronnym ( przemiennym). Cykl w którym sm = 0, nazywa się cyklem wahadłowym ( symetrycznym). Cykl, w którym jedno ze skrajnych naprężeń głównych jest równe zeru nazywa się cyklem tętniącym. Dla określenia dowolnego naprężenia okresowo zmiennego wystarczą dwie wartości np.: smax i smin, lub sa i sm.

Proces zmęczenia zależy w decydującym stopniu od doboru wartości smax i smin. Przyjmuje się, że podstawowe próby zmęczeniowe wykonuje się przy naprężeniach zmieniających się wg cyklu wahadłowego. Dla takiego przypadku obciążenia, wytrzymałość zmęczeniowa ma wartość najmniejszą.

Wielkością określającą wytrzymałość zmęczeniową elementu jest ilość cykli obciążeń zmiennych, przy której następuje zniszczenie elementu. Badania zmęczeniowe wykonuje się na serii jednakowych próbek, wykonanych z tego samego materiału. Próbki te poddaje się obciążeniom zmęczeniowym w określonym prostym, lub złożonym stanie naprężenia: rozciągania i ściskania, zginania, skręcania, lub dowolnej kombinacji tych obciążeń.

Cykle symetryczne

Jedną z pierwszych metod określania wytrzymałości zmęczeniowej materiałów była próba symetrycznego zginania obrotowego próbek obciążonych siłami skupionymi. Siły te przyłożone są w taki sposób, aby w środkowej części próbki powstał stan czystego zginania - stała wartość momentu zginającego. Jeśli promień przejścia z części chwytowej do części pomiarowej próbki będzie bardzo łagodny to przełom zmęczeniowy powstanie w miejscu najbardziej osłabionym, - ponieważ wpływ karbu zostanie zminimalizowany. Zrealizowany w ten sposób cykl obciążeń jest cyklem symetrycznym oscylującym. W trakcie próby mierzona jest ilość cykli obciążenia do momentu zniszczenia próbki. Wykreślając zależność naprężenia od liczby cykli uzyskuje się wykres zwany krzywą Wöhlera.

Wraz ze spadkiem naprężenia krzywa dąży asymptotycznie do pewnej granicznej wartości naprężenia - oznacza to, że materiał jest w stanie przenieść takie naprężenie nieskończoną liczbę cykli bez zniszczenia. Jest to właśnie wytrzymałość zmęczeniowa materiału Z. W praktyce wartość wytrzymałości zmęczeniowej podaje się przez podanie wartości naprężenia odpowiadającej umownej liczbie cykli NG. Umowna liczba cykli wynosi:

• Dla stopów żelaza - 10*106 cykli

• Dla stopów metali nieżelaznych - 100*106 cykli

Zniszczenie próbki może nastąpić przy liczbie cykli mniejszej

• Przedwczesne zniszczenie zmęczeniowe - przedział b,

• Przełom okresowego przeciążenia - przedział c.

Wytrzymałość zmęczeniową oznacza się literą Zz dwoma wskaźnikami. Pierwszy oznacza rodzaj obciążenia (zginanie, skręcanie, roz-ciąganie, itp.), drugi oznacza charakter cyklu (jednostronny, obustronny).

Obciążenia zmienne o charakterze ustalonym lub nieustalonym są bardzo często przenoszone przez elementy maszyn i konstrukcji. W przypadku obciążeń często przenoszone przez elementy maszyn i konstrukcji. W przypadku obciążeń zmiennych ustalonych stany naprężeń w elementach zmieniają się w stałych odstępach czasu (okresach) i ich skutki są łatwiejsze do przewidzenia i zapobieżenia. Obciążenia zmienne nieustalone zmieniają się w sposób nieregularny stąd ich skutki są trudniejsze do oszacowania.

Cykliczna zmiana obciążenia wpływa negatywnie na trwałość materiału i, podobnie jak w przypadku np. udarności, charakterystyki materiału otrzymane z prób statycznych nie są wystarczające do oszacowania zagrożenia.

1. Cykl - zmiana naprężenia od pewnej określonej wartości do najbliżej położonej tej samej wartości.

2. Okres cyklu T - czas między dwoma najbliższymi punktami o tej samej wartości naprężenia, mierzony w sekundach [s].

3. Częstotliwość cyklu f - ilość cykli w jednostce czasu, mierzona w hercach (Hz)

4. Amplituda - wartość bezwzględna największego naprężenia (dodatniego lub ujemnego) w czasie cyklu

5. Wartość średnia

6. Współczynnik stałości obciążenia k - stosunek naprężenia średniego do amplitudy naprężenia

7. Współczynnik amplitudy cyklu R - stosunek najmniejszej wartości naprężenia do największej

Wytrzymałość zmęczeniowa. Jeżeli na materiał działają siły zmieniające swą wartość okresowo w czasie, to mogą w nim powstać pęknięcia, chociaż naprężenia określone w stosunku do początkowego przekroju próbki nie osiągnęły nigdy wartości, które przy stałym obciążeniu mogłyby spowodować zniszcze­nie materiału. Pęknięcia są zazwyczaj spowodowane w mniejszym lub w większym stopniu działaniem karbu.

F

Wykres naprężeń w prób­ce z karbem

Zjawi­sko karbu powstaje w konstrukcjach, w których wystę­pują ostre pęknięcia lub wycięcia. Np. na rysunku powyżej płaska próbka mająca po bokach wycięcia, poddana próbie roz­ciągania, wykazuje nierównomierny rozkład naprężeń w najmniejszym przekroju. Największe naprężenie wy­stępuje tutaj na dnie wycięcia. Wobec tego jest zrozu­miałe, że jakiekolwiek ostre zmiany przekroju, np. ry­sy lub miejscowe wady materiału, działają podobnie jak wycięcie.

Pęknięcia zaczynają się w pewnym punkcie A prze­kroju (rys. poniżej), zwykle przy powierzchni, i z wolna postępują w głąb ma­teriału. Skoro przekrój zostanie w ten sposób dostatecznie osłabiony, na­stępuje nagłe pęknięcie obciążonego elementu.

Schemat powstawa­nia przełomu

Pęknięcia wywołane naprężeniami zmęczenio­wymi mają charakterystyczny przełom. Jedna część przełomu ma wygląd muszlowy gładki (1), a druga krystaliczny (2). Obciążenia występujące w elementach kon­strukcyjnych mogą się zmieniać w pewnych granicach (rys. poniżej ).

Określenie wytrzymałości zmęczeniowej od­bywa się na znormalizowanych próbkach pod­dawanych okresowo zmiennym obciążeniom.

Charakter naprężeń przy obciążeniach okresowo zmien­nych:

a) obciążenie zmienne (jednostronne),

b) obciążenie powta­rzalne (jednostronne),

c) obciążenie przemienne (obustronne)

Uczeni badając wielokrotnie zginanie obracającej się próbki przy róż­nych naprężeniach a, doszli do wniosku, że liczba cykli obciążenia do chwili pęknięcia próbki jest tym mniejsza, im większe zastosowano na­prężenia..

Wytrzymałością na zmęczenie można nazywać naprężenie δ, przy którym liczba cykli poprzedzająca pęknięcie próbki przekroczy war­tość Nc.

Dla stali konstrukcyjnej za normalną granicę wytrzymałości na zmę­czenie przyjęto uważać naprężenie, które przy 10 milionach zmian obcią­żenia nie powoduje jeszcze złamania próbki, lecz niewielki wzrost naprę­żeń powoduje już zniszczenie próbki przy tej liczbie zmian obciążenia.

1

---