Únava materiálu. únavového zatěžování. 1) Úvod. 2) Základní charakteristiky. 3) Křivka únavového života. 4) Etapy únavového života

Transkript

1 Únava materiálu 1) Úvod 2) Základní charakteristiky únavového zatěžování 3) Křivka únavového života 4) Etapy únavového života 5) Klíčové vlivy na únavový život 1

2 Degradace vlastností materiálu za provozu 1828 W.A.J. Albert - řetězy těžt ěžních věžv ěží (cyklické zatěž ěžování) ) NěmeckoN 1839 poprvé se objevuje termín únava nava v knize o mechanice od J.V. Poncelet - Francie 1850 Augustín Wöhler únavová životnost Gerber, Goodman vliv středn edního napětí 1945 Miner teorie lineárn rní kumulace poškozen kození (1968 Endo teorie stékaj kajícího deště) 1950 studium fyzikáln lní podstaty vzniku únavového porušen ení 2

3 Hladká součást st (bezpečný život / safe live) Měkké zatěž ěžování vysokocyklová únava Tři oblasti únavy Tvrdé zatěž ěžování nízkocyklová únava Wöhler, Basqin Manson, Coffin - železnice, auto, - tlaková nádoba, podvozek letadla rotor turbiny Součást s trhlinou (bezpečný lom / failure safe) Parisův v vztah; podmínky šířen ení únavové trhliny; měkkm kké zatěž ěžování (drak letadla, most) 3

4 Základní charakteristiky cyklického zatěžování σ σ σ m max min = střední napětí = maximální napětí = minimální napětí σ a = amplitudanapětí σ = rozkmit napětí 4

5 Základní charakteristiky cyklického zatěžování Zátěžný cyklus střídavý σ m < σ a σ m = 0 souměrný (symetrický) σ m 0 nesouměrný pulzující σ m σ a σ m = σ a míjivý σ m > σ a pulzující 5

6 Základní charakteristiky cyklického zatěžování Popis cyklu na základě součinitele (parametru) asymetrie cyklu Napěťový součinitel R σ R = min σ max R R R R = 1statické zatížení = zápornéčíslo střídavý = kladné číslo pulzující = 0 míjivý 6

7 Základní charakteristiky cyklického zatěžování Popis cyklu na základě součinitele (parametru) asymetrie cyklu Amplitudový součinitel P P = σ σ a m P = 0 statické zatížení P má znaménko podle σ m P > 1 střídavý P 1 pulzující ( = míjivý) 7

8 Základní charakteristiky cyklického zatěžování Křivka únavového života o Únavový proces má kumulativní charakter o Poškození roste s počtem zátěžných cyklů o Pro každou amplitudu zatížení σ a (stejná frekvence, teplota, rozměry ry tělesa) t existuje určitý počet cyklů N f do porušen ení o Závislost amplituda napětí počet cyklů do porušen ení (S-N křivka) 8

9 Křivka únavového života Smluvní mez únavy Al slitiny N Mg slitiny N f f = 5.10 = Log σ a (S) σ c = ( 0,3 0,5 ) R m Log N 9

10 Křivka únavového života oblast A - B o bod A - amplituda odpovídá hodnotě meze pevnosti R m - k lomu dojde v prvním, případně po několika málo cyklech o lom, který vznikne nemá charakter únavového lomu proto označení kvazistatický lom. o v případě míjivého zatěžovacího cyklu dochází k cyklickému tečení (creepu). 10

11 Křivka únavového života o o oblast B - C oblast NCÚ namáhání napětími většími než mez kluzu, servohydraulické zkušební stroje, cyklická hysterezní smyčka, vliv vrubů Manson-Coffin Low-Cycle Cycle-Fatigue relationship Mansonova Coffinova závislost pro NCÚ: ε a pl = ε, f ( 2N ) f c ε, f součinitel únavové tažnosti c exponent únavové životnosti 11

12 Křivka únavového života o o Oblast VCÚ namáhání napětími menšími než mez kluzu, oceli časová mez únavy, mez únavy (asi 1/3 až 1/2 meze pevnosti u ocelí), neželezné kovy smluvní -mez únavy Pro souměrný cyklus σ = σ ( 2N ) b BASQIN, ar f f... oblast C, σ f b součinitel únavové pevnosti exponent únavové životnosti ( ) B N WOHLER σ ar = A f... 12

13 Vliv středního napětí Křivka únavového života 13

14 Vliv středního napětí Křivka únavového života 14

15 Křivka únavového života Vliv středního napětí na únavovou životnost Goodman Gerber σ σ a ar + σ R m m = 1 σ σ a ar + σ R m m 2 = 1 σ, σ a m amplituda a střední napětí obecného cyklu σ ar R m amplituda souměrného cyklu, při kterém dojde k porušení po stejném počtu cyklů, jako v případě s amplitudou σ a a středním napětím σ m mez pevnosti 15

16 Křivka únavového života Vliv středního napětí na únavovou životnost σ a σ = 1 R m m A ( ) N b f Systém S-N S N křivek obecného tvaru 16

17 Vliv: vrubu kvality povrchu (zpevnění, povlaky apod.) frekvence zatěžování prostředí (koroze, zavíraní trhliny) pevnosti mikrostruktury a zbytkových napětí teploty Křivka únavového života 17

18 Reálná konstrukce Kumulace poškození - zdroje cyklického zatěžování - změna amplitudy zatěžování Čep řízení motorového vozidla 18

19 Reálná konstrukce - zdroje cyklického zatěžování - změna amplitudy zatěžování Kumulace poškození Závěs křídla letadla během provozu 19

20 Reálná konstrukce - zdroje cyklického zatěžování - změna amplitudy zatěžování vliv cyklování různou amplitudou napětí (MINER) teorie lineární kumulace poškození při každém cyklu nastane jisté, vždy stejné poškození, které se během cyklování sčítá (hromadí); Při amplitudě σ a dojde k porušení po N f cyklech Kumulace poškození 1. cyklus. poškození je n 1 /N f (poměrné poškození) 2. cyklus. poškození je n 2 /N f i- tý cyklus.. poškození je n i /N f N f -tý cyklus... poškození je n f /N f =1 20

21 Kumulace poškození Palmgrenova - Minerova hypotéza K lomu dojde, Zátěžný blok ( n B B n N 1 1 f = + jestliže n = 2 N n N 1 1 f f 1 n N 2 2 f 1 +,N n N 1 f 3 3 f j= 1 ;n n N,N 2 f počet zátěžných bloků, k 2 j j f = 1 ;n 3,N 3 f ) které součást vydrží 21

22 Kumulace poškození Teorie stékajícího deště (Endo( 1968) Zatěžování probíhá v nepravidelných cyklech (teorie pagod) = co je a coc není zátěžný cyklus 22

23 Kumulace poškození Teorie stékajícího deště (Endo( 1968) ASTM E 1049 kovy; ASTM D671 - plasty 23

24 1) Stádium změn mechanických vlastností 2) Stádium iniciace únavových trhlin 3) Stádium šíření únavové trhliny Etapy únavového života 24

25 Stádium změn mechanických vlastností Etapy únavového života a) materiál cyklicky zpevňuje b) materiál cyklicky změkčuje 25

26 Stádium změn mechanických vlastností Etapy únavového života Monotónní a cyklická křivka napětí deformace oceli

27 Stádium iniciace únavové trhliny Etapy únavového života Únavový lom vzniká vždy od povrchu součásti / zkušebního tělesa 27

28 Stádium iniciace únavové trhliny Etapy únavového života 28

29 Stádium iniciace únavové trhliny Etapy únavového života 29

30 Stádium Persistentní iniciace skluzové únavové pásmo (Persistent trhliny Slip Bend) Etapy únavového života 30

31 Stádium šíření únavových trhlin Etapy únavového života striace 31

32 Etapy únavového života Stádium šíření únavových trhlin striace 32

33 1) Stádium změn mechanických vlastností 2) Stádium iniciace únavových trhlin 3) Stádium šíření únavové trhliny Etapy únavového života 33

34 Stádium šíření únavových trhlin da dn R Ω K = I = = K K f ( K,R, Ω ) ( K K ) min max I max min = závislost na struktuře Etapy únavového života 34

35 Stádium šíření únavových trhlin Etapy únavového života Parisův-Erdoganův vztah da dn dn = = C C Formanův ( K ) da I ( K ) I m m vztah N = a a 2 1 C σ a Y da a W πa m da dn = C 2 K m I 2 ( 1 R) Kc K I 35

36 Základní únavové zkoušky Zkušební tělesa - stanovení křivky únavového života σ a σ = 1 R m m A ( N ) b f 36

37 Elektromagnetické a mechanické buzení Základní únavové zkoušky 37

38 Základní únavové zkoušky Zkušební tělesa - stanovení křivky rychlosti šíření trhliny da dn = C ( ) m K I 38

39 Základní únavové zkoušky - použití dat 39

40 Vliv: vrubu kvality povrchu (zpevnění, povlaky) frekvence zatěžování prostředí (koroze, zavírání trhliny) pevnosti Křivka únavového života mikrostruktury a zbytkových napětí σ a σ = 1 R m m A ( N ) b f 40

41 Vliv vrubu na únavovou životnost Křivka únavového života 41

42 Vliv vrubu na únavovou životnost Křivka únavového života 42

43 k f = Křivka únavového života Vliv vrubu na únavovou životnost podmínky iniciace ( střední hodnota σ v intervalu 0 < x < δ) y S a σ e = S a 43

44 Křivka únavového života Vliv vrubu na podmínky iniciace 44

45 Křivka únavového života Vliv vrubu na podmínky iniciace 45

46 Křivka únavového života Vliv kvality povrchu na únavovou životnost 46

47 Křivka únavového života Vliv mikrostruktury na únavovou životnost 47

48 Vliv pevnosti na únavovou životnost Křivka únavového života 48

49 Křivka únavového života Vliv frekvence zatěžování na únavovou životnost 49

50 Vliv prostředí na únavovou životnost Křivka únavového života 50