Nauka o materiálu Přednáška č.6 Únava materiálu
Cyklické namáhání a životnost součástí Většina lomů v technické praxi je způsobena proměnlivým zatížením, přičemž největší napětí v součásti často nepřesáhne mez kluzu (při jednoosém namáhání). Kmitové zatížení může vést k tzv. únavovému poškození konstrukce či součásti. Dle charakteru dělíme proměnlivé zatížení na 1. Stochastické (náhodné) charakteristika 2. Deterministické cyklu Neperiodické Periodické: - harmonické - jinak periodické 2 Přednáška č.6 Únava materiálu
Charakteristiky napěťového cyklu horní napětí (perioda) dolní napětí střední napětí R amplituda napětí rozkmit napětí součinitel nesymetrie cyklu 2 a 3 Přednáška č.6 Únava materiálu
Fáze únavového poškození 1. Nukleace mikrotrhlin 2. Iniciace trhliny 3. Šíření trhliny 4. Lom povrch iniciace propagace lom 4 Přednáška č.6 Únava materiálu
Vznik mikrotrhlin Únavová trhlina se nejčastěji iniciuje na povrchu. Nejprve vzniknou intruze a extruze, které se formují do perzistetních skluzových pásů. Intruze pak tvoří zárodek krátkých únavových trhlin. intruze 5 Přednáška č.6 Únava materiálu
Iniciace únavové trhliny Okamžik iniciace odpovídá hranici vlivu mikrostruktury. Z inženýrského pohledu odpovídá okamžik iniciace trhliny defektu o velikosti odpovídající 3-5 násobku průměrné velikosti zrna materiálu. (do iniciace) (do lomu) 6 Přednáška č.6 Únava materiálu
Krátké trhliny Šíření únavové trhliny Rychlost šíření trhliny se vyjadřuje přírůstkem délky trhliny vztaženém k přírůstku počtu cyklů a je funkcí rozkmitu faktoru intenzity napětí K I. platnost Parisova zákona prahová hodnota faktoru intenzity napětí lomová houževnatost 7 Přednáška č.6 Únava materiálu
kvazistatická pevnost Wőhlerova křivka Vliv cyklického zatěžování byl poprvé zkoumán v druhé polovině 19. století Augustem Wőhlerem (ohyb za rotace). Nejstarší podklad pro hodnocení únavy je tzv. Wőhlerova křivka (závislost amplitudy napětí na počtu cyklů do lomu S-N křivka) únavová pevnost časovaná pevnost 8 Přednáška č.6 Únava materiálu
Výsledky zkoušek podle Wőhlera vykazují značný rozptyl. S-N křivka se získá ze sady experimentů. Na každé hladině zatížení se zkouší několik vzorků a je zvykem u každé křivky udávat její spolehlivost (pravděpodobnost porušení). Mez únavy c lze definovat jako největší napětí, které nevede k lomu ani po překonání smluvní hranice 10 7 cyklů (u ocelí). Mez únavy Pro konstrukční oceli s mezí pevnosti R m =(500 1500) MPa lze mez únavy hladkých těles odhadnout takto: Tah-tlak c = 0,36R m +13 Míjivý tah c = 0,59R m +38 Krut c = 0,21R m +39 Míjivý krut c = 0,1R m +485 Ohyb za rotace c = 0,36R m +44 9 Přednáška č.6 Únava materiálu
Faktory ovlivňující mez únavy Zejména se uplatňuje vliv: a) Velikosti tělesa - mez únavy s rostoucím rozměrem vzorku klesá (větší pravděpodobnost existence vad, odlišnost povrchu a jádra). Dle Němce a Puchnera: b) Gradientu napětí - při ohybu a krutu (napětí roste se vzdáleností od osy), proto je např. mez únavy v ohybu větší než mez únavy v tahu, a to tím více, čím je menší průměr zkušebního vzorku (uplatňuje se jen do průměru 50mm). c) Kvality povrchu, protože k nukleaci trhlin dochází zpravidla v povrchové vrstvě. d) Teploty s rostoucí teplotou klesá mez únavy. e) Konstrukčních vrubů koncentrace napětí 10 Přednáška č.6 Únava materiálu
Vliv gradientu napětí Celkový součinitel velikosti součásti, namáhané střídavým ohybem v σ (krutem v ), je závislý na součiniteli gradientu napětí v g a součiniteli velikosti v, tedy v g d [mm] 11 Přednáška č.6 Únava materiálu
Vliv kvality povrchu Tento vliv je ve výpočtech zohledněn součinitelem jakosti povrchu p, který je definován jako podíl meze únavy součástí s daným povrchem k mezi únavy součástí s povrchem leštěným. Mez únavy hladké části: - v tahu/tlaku či ohybu p - v krutu, 12 Přednáška č.6 Únava materiálu R m [MPa]
Vliv středního napětí na mez únavy Haighův diagram náhrada: a) Goodmanovou přímkou b) Gerberovou parabolou 13 Přednáška č.6 Únava materiálu
Vliv středního napětí na mez únavy Smithův diagram 14 Přednáška č.6 Únava materiálu
Stanovení bezpečnosti vůči mezi únavy Jestliže je amplituda napětí a střední napětí a meznímu stavu odpovídá v Haighově diagramu bod Q, pak: 15 Přednáška č.6 Únava materiálu
Chování materiálu při cyklickém namáhání - může být: 1. dokonale pružné - nedojde k porušení. 2. elastické přizpůsobení - po několika cyklech je chování pružné. 3. plastické přizpůsobení - vznikne uzavřená hysterezní smyčka. 4. cyklické tečení (ratcheting) - s každým cyklem narůstá deformace. 16 Přednáška č.6 Únava materiálu
Napěťově-deformační chování Tvrdé zatěžování (deformačně řízené zkoušky) Cyklické zpevňování Cyklické změkčování Tvrdé materiály cyklicky změkčují, kdežto měkké materiály cyklicky zpevňují. 17 Přednáška č.6 Únava materiálu
Cyklická deformační křivka Po jistém počtu cyklů dojde ke stabilizaci odezvy (ukončení 1.fáze - změny mech. vlastností). Dohodou je však stanoveno, že za směrodatnou se bere hysterezní smyčka v polovině životnosti. Cyklická deformační křivka 18 Přednáška č.6 Únava materiálu
Nízkocyklová únava - křivky životnosti (e-n křivky) se stanovují z deformačně řízených zkoušek. 19 Přednáška č.6 Únava materiálu
Nízkocyklová únava Cyklickou deformační křivku lze popsat vztahem součinitel cyklické pevnosti exponent cyklického zpevnění Křivku životnosti pak Coffin-Mansonovým vztahem únavová pevnost materiálu b exponent únavové pevnosti únavová tažnost materiálu c exponent únavové tažnosti Máme tedy 6 parametrů, přičemž jen 4 jsou nezávislé:,,,,, 20 Přednáška č.6 Únava materiálu
Vliv středního napětí Smith, Watson, Topfer (SWT) 21 Přednáška č.6 Únava materiálu
Kumulace poškození Často se v praxi vyskytuje také sekvenční (blokové) zatěžování, kdy se realizuje vždy jisté množství cyklů s odlišnou amplitudou napětí či lišícím se středním napětím. Minerova hypotéza lineární kumulace poškození. Lze vyjádřit dílčí poškození Celkové poškození v okamžiku iniciace trhliny 22 Přednáška č.6 Únava materiálu