Zmęczenie metalu: krzywe S, N, inicjacja pęknięć i zapobieganie to badanie postępującego, zlokalizowanego pękania elementu poddanego zmiennym naprężeniom na poziomach znacznie poniżej jego granicy wytrzymałości na rozciąganie.
Wał, spaw czy wspornik, które przy obciążeniu statycznym wytrzymałyby w nieskończoność, mogą mimo to zawieść po wystarczającej liczbie cykli obciążenia, ponieważ każdy cykl nieco posuwa mikropęknięcie naprzód. Zmęczenie jest dominującym trybem awarii w maszynach obrotowych i posuwisto-zwrotnych, a jego zrozumienie to różnica między planowanym przeglądem a nieplanowanym katastrofalnym pęknięciem.
Uszkodzenia zmęczeniowe kumulują się pod obciążeniami cyklicznymi nawet wtedy, gdy naprężenie maksymalne pozostaje komfortowo w zakresie sprężystym. Kluczowy punkt jest taki, że naprężenie powodujące złamanie po milionach cykli może stanowić tylko ułamek granicy plastyczności. Ponieważ uszkodzenie jest zlokalizowane na powierzchni i przy cechach geometrycznych, część może wyglądać na całkowicie nienaruszoną aż do momentu złamania. Źródła obciążeń obejmują zginanie obrotowe, odwrócenia skrętne, pulsacje ciśnienia, cykle termiczne i drgania.
Pęknięcie zmęczeniowe niemal zawsze rozwija się w trzech odrębnych etapach:
Odczytywanie tych cech na złamanym elemencie pozwala określić miejsce początkania, kierunek wzrostu i to, czy obciążenie było w stosunku do przekroju wysokie czy niskie.
Klasyczną charakterystyką zmęczeniową jest krzywa S, N, po raz pierwszy wyznaczona przez Wöhlera. Przedstawia ona amplitudę naprężenia (S) w funkcji liczby cykli do zniszczenia (N) na skali logarytmicznej. Wyższe naprężenie oznacza mniejszą liczbę cykli do zniszczenia. Dla wielu stopów żelaznych krzywa spłaszcza się do poziomej asymptoty: poniżej pewnego naprężenia, nazywanego granicą trwałości (lub granicą zmęczeniową), element przetrwa w praktyce nieskończoną liczbę cykli. Wiele stopów nieżelaznych, zwłaszcza aluminium, nie wykazuje takiego plateau; ich krzywa nadal opada, więc inżynierowie podają zamiast tego wytrzymałość zmęczeniową dla określonej liczby cykli.
| Klasa materiału | Czy występuje prawdziwa granica trwałości? | Przybliżony współczynnik zmęczeniowy (Se/UTS) | Orientacyjna liczba cykli |
|---|---|---|---|
| Stale przerabiane plastycznie | Tak | ~0,5 (ograniczone do około 700 MPa) | 10^6 do 10^7 cykli |
| Żeliwo | Tak | ~0,4 | 10^6 do 10^7 cykli |
| Stopy tytanu | Tak | ~0,45, 0,6 | 10^7 cykli |
| Stopy aluminiumu | Nie | ~0,3, 0,4 | podawane przy 5×10^8 cykli |
| Stopy miedzi | Nie | ~0,3 | podawane przy 10^8 cykli |
Powyższe współczynniki to inżynierskie przybliżenia dla wypolerowanych próbek laboratoryjnych; rzeczywiste elementy wymagają czynników korekcyjnych.
Trzy czynniki obniżają rzeczywistą wytrzymałość zmęczeniową części w porównaniu z wartością podręcznikową:
Zmęczenie dzieli się na dwa reżimy. Zmęczenie wielocykliczne (w przybliżeniu powyżej 10^3, 10^4 cykli) jest kontrolowane przez naprężenie, materiał pozostaje w dużej mierze sprężysty, a do projektowania stosuje się krzywą S, N.
Zmęczenie jednocykliczne (poniżej tego zakresu) wiąże się z dużym odkształceniem plastycznym w każdym cyklu, jak przy przejściowych zmianach temperatury czy okazjonalnych przeciążeniach; tutaj zamiast metody stress-life stosuje się podejście strain-life (Coffin, Manson). Wiedza, w którym reżimie pracuje element, decyduje, czy projektować przeciwko amplitudzie naprężeń, czy przeciwko zakresowi odkształceń plastycznych.
Ponieważ inicjacja dominuje nad żywotnością zmęczeniową, zapobieganie koncentruje się na powierzchni i geometrii:
Pęknięcia zmęczeniowe przebijające powierzchnię znajduje się badaniami nieniszczącymi. Badania penetracyjne ujawniają pęknięcia w każdym materiale nieporowatym, podczas gdy badania magnetyczno‑proszkowe są szybsze dla części ferromagnetycznych i wychwytują nieco podpowierzchniowe wskazania. W przypadku urządzenia obracającego się analiza trendów drgań często sygnalizuje rosnące pęknięcie zanim przerwie ono powierzchnię.
Wprowadzenie wyników BNT, interwałów inspekcji i historii wzrostu pęknięć do systemu CMMS pozwala gromadzić dowody w jednym miejscu; zespoły korzystające z Fabrico planują cykliczne inspekcje i dołączają wyniki do karty obiektu, aby narastający trend uruchamiał działania zamiast zaskakującej awarii. Umów demo Fabrico , aby zobaczyć ten przebieg inspekcji.
Ponieważ zmęczenie się kumuluje. Każdy cykl obciążeń posuwa mikropęknięcie o niewielką ilość, więc przy dostatecznej liczbie cykli naprężenie znacznie niższe niż wytrzymałość statyczna może spowodować wzrost pęknięcia do rozmiaru krytycznego i nagłe złamanie.
Nie. Większość stali, żeliw i stopów tytanu wykazuje prawdziwą granicę trwałości, poniżej której żywotność jest w praktyce nieskończona. Aluminium i wiele innych stopów nieżelaznych jej nie mają, dlatego dla nich podaje się wytrzymałość zmęczeniową przy określonej liczbie cykli.
Oba są śladami na powierzchni łamania pozostawionymi przez wzrost pęknięcia. Beach marks to makroskopowe pasma widoczne gołym okiem, odzwierciedlające zmiany w obciążeniu. Striacje to mikroskopijne grzbiety, mniej więcej jedna na cykl, widoczne jedynie w mikroskopie elektronowym.
Plastycznie odkształca warstwę powierzchniową, pozostawiając ją w rezydualnym stanie ściskania. Ponieważ pęknięcia zmęczeniowe zaczynają się przy rozciąganiu na powierzchni, tę warstwę ściskającą trzeba najpierw pokonać, co opóźnia inicjację i podnosi wytrzymałość zmęczeniową.
Zaloguj
Blog
