1. Cel ćwiczenia
Zmęczeniem materiału nazywa sie zmiany występujące w materiale pod wpływem
okresowo zmiennych naprężeń lub odkształceń, które mogą doprowadzić do zniszczenia
materiału.
Charakterystyczna cecha zniszczenia zmęczeniowego materiału jest to, że występuje ono
przy maksymalnych napreżeniach znacznie niższych od wytrzymałości doraźnej Rm, a nawet od granicy plastyczności Re lub R0,2. Pęknięcia zmęczeniowe maja charakter pęknięć kruchych. Są one szczególnie niebezpieczne z tego względu, że powstanie szczeliny zmęczeniowej pozostaje często nie zauważone, a ostateczne zniszczenie części następuje nagle i niespodziewanie, i prowadzi zwykle do niebezpiecznych awarii. Badania wykazały, że ok. 80% wszystkich pęknięć w maszynach spowodowanych jest zmęczeniem materiału, a tylko ok. 20% - przeciążeniem statycznym.
Wykonanie ćwiczenia polega na przeprowadzeniu zmęczeniowej próby zginania,
zbadaniu zachowania sie materiału w warunkach okresowo zmiennych naprężeń wywołanych
zginaniem obrotowym oraz wyznaczeniu wytrzymałości na zmęczenie.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami doświadczalnych badań wytrzymałości zmęczeniowej materiału, stosowanymi próbkami oraz urządzeniami stosowanymi do tych badań. Wykonanie ćwiczenia polega na przeprowadzeniu próby zmęczeniowej dla stali przy zginaniu obrotowym i wyznaczeniu wytrzymałości zmęczeniowej ograniczonej.
3. Próbki
Przy obciążeniu momentem stałym stosuje się próbki cylindryczne o stałym przekroju. Dla tych próbek przedstawionych na rysunku 1 średnica d = 5,0; 7,5; 10,0; 12,0 [mm], natomiast R = d.
Rys. 1. Schemat próbki cylindrycznej o stałym przekroju
Rys. 2. Schemat próbki cylindrycznej o zmiennym przekroju
4. Przebieg ćwiczenia
Próby zmęczeniowe są bardzo czasochłonne. Aby uzyskać N=10·106 cykli naprężeń przy n=5000 obr/min potrzeba $\frac{N}{n}$=$\frac{10 10^{6}}{5000}$ minut pracy maszyny zmęczeniowej. Dlatego ćwiczenie będzie miało charakter poglądowy. Będzie przeprowadzona próba zmęczeniowa dla próbki z karbem, silnie obciążona, aby uzyskać możliwie szybko złom zmęczeniowy w zakresie wytrzymałości niskocyklowej (ograniczonej).
5. Charakterystyka naprężeń zmęczeniowych
Zmianę naprężenia podczas jednego okresu nazywamy cyklem naprężeń. Cykle naprężeń mają zazwyczaj charakter losowy, wynikający z eksploatacji urządzenia. Na przykład na kadłub statku wpływają fale morza, drgania silnika, rozkład ładunku i manewrowanie podczas pływania. W próbach zmęczeniowych stosuje się cykle sinusoidalne jako najłatwiejsze do zrealizowania. Cykl taki przedstawiony jest na rysunku 3.
Rys. 3. Sinusoidalny cykl naprężeń
W cyklu naprężeń zmiennych sinusoidalnie wyróżniamy:
1) naprężenie maksymalne cyklu , σmax
2) naprężenie minimalne cyklu , σmin
3) amplitudę naprężenia cyklu , σa=$\frac{\sigma\max - \sigma\min}{2}$ (5.1)
4) naprężenie średnie cyklu , σm=$\frac{\sigma max + \sigma\min}{2}$ (5.2)
5) okres zmiany naprężeń T,
6) zakres zmiany naprężeń Δσ=2·σ=σmax-σmin (5.3)
Niesymetryczność cyklu opisuje współczynnik asymetrii cyklu R:
R=$\frac{\sigma\min}{\sigma\max}$ (5.4)
W obliczeniach konstrukcyjnych i badaniach zmęczeniowych używa się także współczynnika stałości obciążenia H:
H=$\frac{\sigma m}{\sigma a}$ (5.5)
Rys 4. Rodzaje sinusoidalnych cykli naprężeń
6. Czynniki wpływające na wytrzymałość zmęczeniową
Badania wytrzymałości zmęczeniowej materiałów przeprowadza się na polerowanych próbkach o stałym przekroju. Wytrzymałość ta zależy w głównej mierze od trzech czynników:
a) materiału,
b) rodzaju obciążenia,
c) cyklu naprężeń.
Wytrzymałość zmęczeniowa rzeczywistego elementu konstrukcyjnego zależy dodatkowo od wielu innych czynników, takich jak kształt elementu, stan powierzchni, wymiary. Wpływ tych czynników ujmowany jest powszechnie w obliczeniach zmęczeniowych przez wprowadzenie następujących współczynników:
a) współczynnik kształtu
αk=$\frac{\text{σmax}}{\text{σn}}$ (5.6)
σmax – naprężenia maksymalne lokalne związane z istnieniem zmian kształtu,
σn– naprężenia nominalne obliczone z konwencjonalnych wzorów wytrzymałościowych.
b) współczynnik działania karbu
βk =$\frac{\text{Zbk}}{\text{Zk}}$ (5.7)
Zbk - wytrzymałość zmęczeniowa próbek gładkich bez karbu
Zk - wytrzymałości zmęczeniowej próbek gładkich z karbem
c) współczynnik stanu powierzchni
βp =$\frac{\text{Zg}l}{\text{Zp}}$ (5.8)
Zgł - wytrzymałość zmęczeniowa próbki polerowanej
Zp - wytrzymałość zmęczeniowa próbki o danym stanie powierzchni
d) zmęczeniowy współczynnik spiętrzenia naprężeń
β= $\frac{Z}{\text{Zkp}}$ (5.9)
Z - wytrzymałość zmęczeniowa próbki laboratoryjnej Z (bez karbu, wypolerowanej, o średnicy od 7 - 10 mm)
Zkp - wytrzymałość zmęczeniowa próbki (z karbem o danym stanie powierzchni)
e) współczynnik wielkości przedmiotu
γ=$\frac{Z}{\text{Zw}}$ (5.10)
Z - wytrzymałość zmęczeniowa próbki laboratoryjnej Z (bez karbu, wypolerowanej, o średnicy od 7 - 10 mm)
Zw - wytrzymałość zmęczeniowa próbki (o dużych rozmiarach)
7. Opis badań zmęczeniowych
Badania zmęczeniowe możemy podzielić na:
1) badania elementów konstrukcyjnych lub całej konstrukcji przeprowadzone na specjalnie zbudowanych w tym celu stanowiskach lub bezpośrednio w warunkach eksploatacyjnych,
2) badania odpowiednio przygotowanych (znormalizowanych) próbek.
Do badań zmęczeniowych próbek stosuje się maszyny o specjalnej konstrukcji zwane zmęczeniówkami. Najczęściej przeprowadza się próby na maszynach, które realizują:
– osiowe ściskanie rozciąganie (tzw. pulsatory),
– zginanie o cyklu symetrycznym sinusoidalnym, realizowane przez ruch obrotowy próbki, przy stałym kierunku obciążenia,
– skręcanie o cyklu symetrycznym sinusoidalnym, realizowane w postaci skrętnych drgań wymuszonych.
8. Złomy zmęczeniowe
Zjawisko zmęczenia nie jest w pełni poznane i opracowane. Obciążenie zmienne elementów wywołuje w materiale niezwykle złożone procesy. Istnieje wiele hipotez i teorii dotyczących przyczyn powstawania pęknięć zmęczeniowych. Nowoczesna technika pozwala na coraz bardziej wnikliwe poznanie tego zjawiska. Jedna z teorii dowodzi, że punktem wyjścia zjawiska zmęczeniowego jest anizotropia i nieregularne ułożenie ziaren materiału. W początkowej fazie występują lokalne odkształcenia plastyczne, których odznaką są pasma poślizgów widoczne pod mikroskopem na wypolerowanych powierzchniach jako ciemne pasma w obrębie ziarna. Rozwijają się one w miarę zwiększania się liczby cykli, tworząc skupienia i wiązki co powoduje powstawanie pęknięć i ich łączenie się. Pęknięcia te tworzą się z reguły na powierzchni i w warstwie wierzchniej elementów. Zniszczenie zmęczeniowe ma charakter lokalny.
Złom zmęczeniowy ma bardzo charakterystyczny wygląd. Można wydzielić w nim dwie strefy:
- strefę zniszczenia zmęczeniowego – która ma wygładzoną powierzchnię, często o kształtach muszlowych, z widocznymi niekiedy liniami frontu, świadczącymi o nierównomiernym, skokowym pogłębianiu się szczeliny. Strefa ta jest tym większa i gładsza im mniejsze działały naprężenia,
- strefę zniszczenia doraźnego (strefa resztkowa) – która ma powierzchnię wizualnie bardziej gruboziarnistą i powstaje nagle w ostatnim okresie pracy elementu (złom doraźny, podobny do wyglądu przełomu przy obciążeniu statycznym).
9. Literatura uzupełniająca
1. Dyląg Z., Orłoś Z., Wytrzymałość zmęczeniowa materiałów, Warszawa, WNT, 1962.
2. Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M., Badanie własności mechanicznych metali,
Warszawa, WNT, 1967.