12. Únavové šíření trhliny. Únava a lomová mechanika Pavel Hutař, Luboš Náhlík

Transkript

1 Únava a lomová mechanika

2 Proces únavového porušení Iniciace únavové trhliny v krystalu Cu ( cyklů při 20 C) (převzato z [Suresh 2006])

3 Proces únavového porušení Jednotlivé stádia únavového poškození: 1. Stádium : iniciace únavové trhliny (formace skluzových pásů, iniciace mikrotrhlin) 2. Stádium : šíření mikrostrukturálně krátké trhliny (I fáze šíření - rychlost a směr šíření trhliny je silně ovlivňován mikrostrukturou daného materiálu) 3. Stádium : šíření (stabilní) únavové trhliny (II fáze šíření šíření magistrální trhliny- lze použít popis pomocí mechaniky kontinua) 4. Stádium : nestabilní šíření trhliny lom tělesa poškozená kliková hřídel (převzato z [Norton 2006])

4 Proces únavového porušení únavově poškozený čep (převzato z [

5 Parametry popisující zatěžující cyklus max min rozkmit napětí (stress range) a max 2 min amplituda napětí (stress amplitude) m max 2 min střední napětí (mean stress) Souměrně střídavý cyklus: R = -1 A = min R max A a m parametr asymetrie cyklu (stress ratio) amplitudový poměr (amplitude ratio) Míjivý cyklus: R = 0 A = 1

6 Popis napětí před čelem únavové trhliny velikost cyklické plastické zóny je zhruba 4x menší než monotónní plastická zóna a dá se odhadnout ze vztahu: r cyc 1 K pro podmínku rovinné napjatosti pro podmínku rovinné deformace protože je zatěžování během šíření únavové trhliny většinou poměrně malé, předpoklady lineární elastické lomové mechaniky jsou splněny a pro popis trhliny se nejčastěji používá hodnota faktoru intenzity napětí.

7 Popis rychlosti šíření únavové trhliny oblast a) oblast nízkých rychlostí šíření trhliny, která končí prahovou hodnotou rozkmitu faktoru intenzity napětí. oblast b) tuto lineární oblast v logaritmických souřadnicích lze popsat mocninným vztahem ve tvaru: da C dn K kde C a m jsou materiálové charakteristiky, které se určují experimentálně. oblast c) oblast počátku nestabilního šíření trhliny. m existuje velké množství popisů křivky da/dn vs. K. Některé popisují jednou rovnicí všechny oblasti, některé jenom dvě z nich. V praxi se ale většinou využívá popis střední části nebo jeho modifikace na prahovou oblast např.: da dn m m C K Kth [Dowling 1999]

8 Stanovení zbytkové únavové životnosti předpokládáme harmonický cyklus s konstantním rozkmitem napětí stanovíme počáteční délku trhliny a 0 stanovíme kritickou délku trhliny a c nejčastěji základě podmínky stability trhliny (např. K I (a c )=K IC ) stanovíme analyticky (numericky) hodnotu faktoru intenzity napětí pro danou geometrii a zatížení na intervalu délek trhlin (a 0 -a c ). zjistíme experimentálně materiálové charakteristiky popisující rychlost šíření únavové trhliny (C a m) integrací Parisova vztahu získáme počet cyklů potřebných k nárůstu únavové trhliny z délky a 0 na délku a c. da C K m dn Na ( 0 ac ) a CK( a) a c 0 da m

9 Měření rychlosti šíření Zkouška rychlosti šíření trhliny [Dowling 1999]

10 Měření rychlosti šíření

11 Parisova křivka [Dowling 1999]

12 Prahové hodnoty faktoru intenzity napětí [Dowling 1999]

13 Prahové hodnoty faktoru intenzity napětí- vliv mikrostruktury [Dowling 1999]

14 Rychlosti šíření různých kovových materiálů [Dowling 1999]

15 Palmgren-Minerova hypotéza Kumulace poškození Pro 1 zátěžný blok:. [Dowling 1999]

16 Kumulace poškození. [Dowling 1999] jeden zátěžný blok Pro B f zátěžných bloků:

17 Použitá literatura: -Dowling, E. N., Mechanical behavior of materials, Simon & Schuster Comp., New Jersey, Norton, R. L., Machine design An integrated approach, Pearson, New Jersey, Kunz, J., Základy lomové mechaniky, skripta ČVUT, Vlk, M., Mezní stavy a spolehlivost, skripta VUT, Ondráček, E., Vrbka, J., Janíček, P., Mechanika těles pružnost a pevnost II, skripta VUT, 1991