image116

114 4. Badanie podstawowych właściwości mechanicznych

4.9. Badanie wytrzymałości zmęczeniowej

4.9.1. Pojęcia podstawowe

Zmęczeniem materiału nazywa się proces zmian występujących pod wpływem okresowo zmiennych naprężeń i odkształceń, które mogą doprowadzić do jego zniszczenia. Nawet niewielkie zmiany naprężeń lub odkształceń, powtarzające się cyklicznie odpowiednio długo, osłabiają wytrzymałość tworzywa sztucznego.

W celu zbadania wytrzymałości zmęczeniowej próbki bez karbu lub z karbem poddaje się okresowo zmiennym naprężeniom rozciągającym, ściskającym, zginającym lub skręcającym. Charakterystykę zmienności w próbach zmęczeniowych przedstawiono przykładowo na rys. 4.48. Krzywa taka może mieć również zupełnie inny kształt, obrazujący powtarzające się zmiany, może np. przedstawiać tętniący cykl naprężeń, może być niesymetryczna, ale pojedynczy cykl pokazuje rodzaj zmęczenia.

Rys. 4.48. Krzywa obrazująca przebieg naprężeń podczas badania zmęczeniowego T - czas zmiany cyklu, a - amplituda naprężenia dynamicznego

Rodzaj stosowanego naprężenia zależy od warunków, w jakich tworzywo będzie pracować. Każdą próbkę poddaje się określonym zmianom i rejestruje liczbę cykli N, po której próbka uległa zniszczeniu. Znając naprężenia niszczące po różnych liczbach cykli N, nanosi się je na układ współrzędnych a = J{N) lub dogodniej cr = ./(lg N). Otrzymuje się w ten sposób krzywą Wohlera, będącą podstawą do oznaczania wytrzymałości zmęczeniowej Z (rys. 4.49).

Naprężenie ó

Liczba cykli N

Rys. 4.49. Krzywa zmęczeniowa Wohlera Zc - wytrzymałość zmęczeniowa

Pod pojęciem wytrzymałości zmęczeniowej Z należy rozumieć największe naprężenie, jakie może wytrzymywać próbka wykonana z danego materiału, nie ulegając zniszczeniu po N_c cyklach obciążeń lub odkształceń.

Specyfika badań zmęczeniowych. Podczas badań wytrzymałości zmęczeniowej tworzyw sztucznych, zarówno w warunkach założonej stałej amplitudy naprężeń, jak i odkształceń, zmianie ulega moduł sprężystości. Powodem tego jest nagrzewanie się próbek w czasie badania. Spadek wytrzymałości zmęczeniowej wskutek nagrzewania się występuje zarówno u tworzyw zbrojonych włóknami szklanymi, węglowymi lub poliamidowymi, jak i u sztywnych tworzyw termoplastycznych. Sztywne tworzywa termoplastyczne nagrzewają się znacznie ze wzrostem częstotliwości. Stwierdzono jednak, że częstotliwość 10-50 Hz nie powoduje znacznego nagrzewania się próbek z tworzyw termoutwardzalnych oraz z tworzyw o module Younga E < 1000 MPa.

Te wszystkie czynniki łącznie z jakością powierzchni przygotowywanych próbek decydują o tym, że w większości przypadków przebieg krzywej Wohlera dla tworzyw sztucznych jest inny niż dla metali. Przeważnie nie obserwuje się wyprostowania krzywej, jak na rys. 4.49. Krzywa opada nieznacznie nadal. Nie można mówić zatem o nieograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej przy nieokreślonej liczbie cykli. Liczbę tę różni autorzy oceniają na 10⁶— 10^S cykli. Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych ulegają wyraźnym zmianom w zależności od temperatury, dlatego też badania zmęczeniowe należy prowadzić nie tylko w temperaturze pokojowej.

4.9.2. Oznaczanie wytrzymałości zmęczeniowej przy wielokrotnym zginaniu

Na rysunku 4.50 przedstawiono schemat maszyny zmęczeniowej dla typowego zginania. Wybiera się spodziewane dla badanego tworzywa naprężenie zginające i rozpoczyna obciążanie cykliczne z wybraną częstotliwością. Jeżeli próbka uległa złamaniu po zbyt małej liczbie cykli, to zmniejsza się naprężenie i powtarza doświadczenie. Kolejne zmniejszenie naprężenia powoduje zwiększenie się liczby cykli N, jakie jeszcze wytrzymuje dane tworzywo. Wyniki nanosi się w układzie a = flgN) aż do zaobserwowania wytrzymałości zmęczeniowej.

Jeśli wykreślona krzywa Wohlera nie zaczyna zbliżać się do prostej równoległej do osi czasu i nadal nieznacznie opada, to można przyjąć wytrzymałość zmęczeniową dla 10⁷ cykli.

Na rysunku 4.51 przedstawiono schemat układu dla zginania obrotowo-giętego oraz rozkład naprężeń w próbce.