Próba wytrzymałości zmęczeniowej

1.Ogólna charakterystyka

Konstrukcje metalowe, narażone na działanie obciążeń zmiennych w czasie, często ulegają zniszczeniu przejawiającemu się w postaci niespodziewanego pęknięcia, następującego po określonej liczbie zmian obciążenia. Takiego rodzaju wyczerpanie się nośności materiału obciążonego silami okresowo zmiennymi nazywa się zmęczeniem materiału.

Próby wytrzymałości zmęczeniowej przeprowadza się w warunkach określonych normami. Do najczęściej przeprowadzanych należą próby: rozciągania - ściskania, zginania lub skręcania próbek gładkich względnie z karbem. Prowadzone są również badania wytrzymałości zmęczeniowo-kształtowej gotowych elementów. [4]

2.Próbki

Rodzaje i wymiary próbek stosowanych do badań zmęczeniowych ustala się w zależności od warunków badań i określonych wskaźników.

Wytrzymałość zmęczeniowa zależy między innymi od stanu powierzchni próbek, w większości przypadków pęknięcia rozwijają się właśnie od ich powierzchni. Próbki do badań wymagają więc bardzo starannego wykonania, szczególnie ważne jest uzyskanie jednakowych własności, struktury i stanu powierzchni.

Tablica 2.3. Rodzaje próbek do badań zmęczeniowych

Rodzaj próbki	Zastosowanie do badań
Próbka okrągła o stałym przekroju	tętniące rozciąganie oraz wahadłowe rozciąganie-ściskanie	zginanie płaskie i zginanie obrotowe
Próbka okrągła o zmiennym przekroju
Próbka okrągła z karbem obrączkowym w kształcie litery V			tętniące rozciąganie, wahadłowe rozciąganie-ściskanie, tętniące ściskanie
Próbka okrągła z karbem obrączkowym w kształcie literyU
Próbka płaska z karbem w kształcie litery V				zginanie płaskie
Próbka plaska z karbem-otworem
Próbka płaska o stałym przekroju			tętniące rozciąganie oraz wahadłowe rozciąganie-ściskanie
Próbka płaska o zmiennym przekroju

Obróbka mechaniczna musi być staranna, jednakowa dla serii próbek i winna zabezpieczyć uzyskanie chropowatości według PN. Sposób pobierania próbek jak i ich przygotowania jest podany w normie PN. Liczba próbek w jednej serii może być różna w zależności od rodzaju informacji, które maja być wynikiem przeprowadzonej próby.

Rys. 2.33. Część robocza próbki okrągłej o przekroju: a) stałym, h) zmiennym

Rys. 2.34. Część robocza próbki płaskiej o przekroju: a) stałym, b) zmiennym

Rys. 2.35, Część robocza próbki okrągłej z karbem: a) obrączkowym V, b) obrączkowym U

Rys. 2.36. Część robocza próbki płaskiej a: a) karbem V, b) karbem - otworem

Rodzaje stosowanych próbek pokazano na rysunkach 2.33 + 2.36, a ich przeznaczenie podano w tablicy 2.3. Wymiary próbek podają PN dla próby zginania i próby giętno-obrotowej oraz dla próby osiowego rozciągania-ściskania.

Wszystkie próbki w jednej serii badań powinny mieć jednakowe wymiary. Dopuszczalne odchyłki wymiarowe dla części pomiarowej próbki nie powinny przekraczać ±0,05 mm. Największa dopuszczalna różnica zmierzonej średnicy lub grubości i szerokości jednej próbki nie może przekraczać 0,02 mm. W celu zapewnienia osiowości próbki, część pomiarową i chwytową próbki należy wykonać z jednego zamocowania. Maksymalne bicie

promieniowe próbki nie powinno przekraczać połowy dopuszczalnej odchyłki wymiarowej dla części pomiarowej. Średnicę lub grubość i szerokość próbek należy mierzyć z dokładnością co najmniej 0,01 mm.

Część pomiarową próbki należy chronić przed dotknięciem ręką podczas mocowania w uchwytach maszyny, przez nałożenie osłonki z papieru inhibitorowego. [4]

3.OBCIĄŻENIE ZMIENNE.

Wykres zmienności obciążenia (widmo obciążenia), którym podlegają elementy konstrukcyjne ma złożony charakter. Okresowo zmienne naprężenie o wartościach zmieniających się w sposób ciągły w czasie jednego okresu zmiany nazywamy cyklem naprężeń.

W zależności od typowych stanów naprężeń wywołanych przez obciążenie zmienne rozróżniamy próby zmęczeniowe przy:

a) rozciąganiu-ściskaniu,

b) obrotowym zginaniu,

c) skręcaniu,

d) ścinaniu,

lub innych kombinacjach wymienionych obciążeń.

W przypadku jednoosiowego równomiernego stanu naprężenia zmienność naprężeń głównych w próbce można przedstawić w postaci:

(1)

gdzie:

-średnie naprężenie cyklu

-amplituda cyklu naprężenia

-częstość kołowa

T -okres zmian wartości naprężenia

Ze wzoru (1) wynika że maksymalne naprężenie cyklu

(2)

zaś minimalne naprężenie cyklu:

(3)

Znając
i
naprężenie
i
wyliczamy ze wzorów:

(4)

(5)

Iloraz najmniejszego naprężenia
i maksymalnego
, który charakteryzuje asymetrią cyklu nazywamy współczynnikiem amplitudy cyklu.

(6)

zaś iloraz naprężenia średniego
i amplitudy cyklu naprężenia
nazywamy współczynnikiem stałości obciążenia

(7)

Rozróżniamy następujące rodzaje cykli:

1.Cykl wahadłowy - cykl, dla którego maksymalne i minimalne naprężenia równe są co do wartości i różne co do znaku.

2.Cykl niesymetryczny - cykl, dla którego minimalne i maksymalne naprężenia różnią się co do wartości.

3. Jednostronny cykl naprężeń - cykl, w którym
i
mają ten sam znak.

4. Odzerowo tętniący cykl naprężeń - cykl, dla którego jeno z naprężeń
jest równe zeru

. Mogą zaistnieć tu dwa przypadki: tętniące ściskanie
, bądź tętniące rozciąganie
.

5. Podobne cykle naprężeń - cykle posiadające jednakowe współczynniki amplitudy cyklu R.

W zagadnieniach technicznych szczególną rolę odgrywają naprężenia stałe, naprężenia o cyklu odzerowo tętniącym oraz naprężenia o cyklu wahadłowym.

[1]

4. Wykres Wöhlera.

Liczbę cykli naprężeń N, które wytrzyma próbka do chwili jej zniszczenia nazywamy żywotnością próbki (trwałością zmęczeniową). Zmieniając wartość amplitudy cyklu naprężeń przy ustalonej wartości naprężenia średniego
można znaleźć taką liczbę cykli N, którą próbki wytrzymują nie ulegając zniszczeniu. Umowną graniczną liczbę cykli N przyjętą jako podstawę dla próbek, które nie ulegają zniszczeniu nazywamy podstawą próby zmęczeniowej (bazą próby zmęczeniowej).

Dobierając wielkość naprężeń
przy
const możemy uzyskać ciąg przyporządkowanych wartości
, które naniesione w układzie współrzędnych
skupiają się w pobliżu pewnej linii. Linię tę nazywamy krzywą zmęczeniową albo wykresem Wöhlera.

Wykres Wöhlera stosuje się wówczas, gdy są przeprowadzane badania, mające na celu wyznaczenie wytrzymałości zmęczeniowej w warunkach określonego cyklu obciążenia. Krzywą Wöhlera można także wykonać dla serii próbek badanych przy jednakowym średnim naprężeniu σm=const czy też w wyniku badań próbek przy cyklach, dla których współczynnik asymetrii cyklu jest wielkością stałą R=const lub przy stałym minimalnym naprężeniu σmin=const.

Rys. 1. Wykres Wöhlera.

Wykres Wöhlera przedstawia w sposób graficzny wyniki badań zmęczeniowych dla wybranego cyklu obciążeń. Wykonując szereg prób zmęczeniowych dla różnych cykli obciążeń otrzymuje odpowiednio wytrzymałość zmęczeniową próbki dla określonego cyklu obciążeń. [2]

5.Przyspieszone badania zmęczeniowe.

Czasochłonność i bardzo duże koszty prowadzenia badań zmęczeniowych zmusiły do poszukiwania metod przyspieszonych służących doświadczalnemu wyznaczeniu wytrzymałości zmęczeniowej. Opracowano szereg metod badań przyspieszonych, ale nie istnieje dotychczas żadna całkowicie pewna metoda umożliwiająca uzyskanie pełnej krzywej Wöhlera.

Najczęściej spotyka się następujące metody przyspieszone:

Metoda Lehra - wykorzystuje zjawisko polegające na tym, że po przekroczeniu wartości amplitudy naprężeń zmiennych, bliskiej wytrzymałości zmęczeniowej, w badanych próbkach występuje wyraźny wzrost temperatury, odkształcenia oraz rozpraszanie energii. Istotą tej metody jest zastosowanie zmiennego obciążenia o amplitudach rosnących i dokonywanie jednoczesnych pomiarów, na przykład zmian temperatury bądź też odkształceń badanej próbki, a także zmian momentu obrotowego. W efekcie uzyskuje się dane pozwalające sporządzić szereg wykresów zależności tych wielkości od wzrastającej amplitudy naprężenia. Okazuje się, że przy małych wartościach amplitudy - zależności te są liniowe, natomiast gdy amplituda naprężeń zmiennych przekroczy wartość wytrzymałości na zmęczenie, wykresy zakrzywiają się odchylając od pierwotnych linii prostych.

Metoda Prot - w tej metodzie stosuje się obciążenia zmienne o narastającej w sposób ciągły amplitudzie aż do zniszczenia próbki. Wzrost wartości amplitudy obciążenia odbywa się ze stałą prędkością. Zwykle do badań przyjmuje się 3 różne prędkości narastania amplitudy. W wyniku badań uzyskuje się trzy punkty krzywej Prot leżące nad krzywą Wöhlera. Można to wyjaśnić w ten sposób, że określonej liczbie cykli zmian obciążenia odpowiada punkt krzywej Wöhlera przedstawiający wartość amplitudy, która stale oddziaływała na daną próbkę, natomiast odpowiadający tej liczbie cykli punkt krzywej Prot przedstawia wartość końcową wzrastającej amplitudy. Zatem próba badania metodą Prot jako słabiej obciążona, w czasie swej pracy, jest w końcowym okresie w stanie przenieść naprężenia zmienne o większej wartości amplitudy.

Metoda Locati - metoda ta pozwala oszacować wartość wytrzymałości na zmęczenie przez schodowe narastanie (aż do zniszczenia) amplitudy naprężeń cyklu.

Do przeprowadzenia badań metodą Locati należy znać przebieg krzywej Wöhlera dla analizowanego przypadku zmęczenia oraz dodatkowo rozrzut wyników badań doświadczalnych, które posłużyły do jego sporządzenia.

[5]

6. Maszyny do badań zmęczeniowych.

Do badań zmęczeniowych służą maszyny wytrzymałościowe zwane pulsatorami. Ze względu na zasadę uzyskiwania zmiennych obciążeń można rozróżnić maszyny :

a) wykorzystujące mechanizm korbowy lub krzywkowy

b) z zastosowaniem elektromagnesu,

c) z zastosowaniem napędu hydraulicznego,

d) z zastosowaniem niezrównoważonych mas wirujących,

e) wykorzystujące zjawisko rezonansu.

[5]

6. BIBLIOGRAFIA

1. Banasiak M.,  Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów   PWN 2000r

2. Niezgodziński M., Niezgodziński T., Wytrzymałość materiałów

3. Kowalewski Zbigniew L., Popielski Paweł Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów

4. Stanisław Wolny - Wytrzymałość Materiałów Część IV - Eksperyment w wytrzymałości materiałów - ĆWICZENIA LABORATORYJNE

5. www.studentsite.pl

6. www.konstrukcje.net.pl

str. 2

---