Únava 1. Úvod Mezním stavem únava je definován stav, kdy v důsledku působení časově proměnných zatížení dojde k poruše funkční způsobilosti konstrukce či jejího elementu. Charakteristické pro tento proces je to, že maximální hladina kmitavého napětí je mnohem nižší než činí statická pevnost daného dílu. Výzkum začal vlivem zdánlivě nevysvětlitelných poruch náprav železničních vozů. V provozu se totiž nápravy železničních vozů porušovaly při zatíženích, která byla mnohem nižší než zatížení při statických poruchách (počátek 19. stol.) Namáhání osy nápravy Hmotnost vozu zatěžující nápravu se ji snaží ohnout způsobem, že kov se na horním povrchu protahuje a na dolním zkracuje. Během 1. otáčky nápravy projde bod na jejím povrchu cyklem: tahové napětí - bez napětí - tlakové - napětí - bez napětí tahové napětí. Systematický výzkum započal až německý železniční inženýr August Wöhler (1819-1914)- Zformuloval empirické závěry mající obecnou platnost dodnes: - pro lom součástí, který vzniká v důsledku opakovaného zatížené, je rozhodující počet změn zatížení a nikoli doba provozu; Wöhlerova křivka (uhlíkové oceli výrazná mez únavy) - poškození materiálu závisí na rozdílu max. a min. napětí v nebezpečném místě, absolutní velikost napětí má až druhořadý vliv; 1
- výsledky zkoušek lze znázornit křivkami v souřadnicích napětí počet kmitů (Wöhlerovy křivky) - z experimentálních výsledků lze stanovit takové mezní napětí, pod nímž k únavovým lomům nedochází; - geometrické vruby snižují ůnavovou pevnost o hodnotu závislou na tvaru vrubu a druhu materiálu. Tvary Wöhlerových křivek Ze zkušenosti víme, že se dovolená střídavá složka pro nekonečnou životnost snižuje se zvyšováním konstantního napětí tak, jak ukazuje předcházející obrázek. V mnoha případech je požadavek, aby materiál odolával střídavému napětí superponovaném na konstantní napětí, ne jenom střídání tahu a tlaku. Únava se rozděluje z hlediska počtu cyklů na tři typické oblasti: a) oblast kvazistatického lomu k poruše dojede již při prvním výkmitu zatížení nebo max. po několika desítkách cyklů, nejedná se o únavový proces; b) oblast nízkocyklové únavy 2
spadá do životnosti v rozmězí 10 2 až max 10 5 kmitu, únavový lom má hrubší strukturu, rozhodující je makroplastická deformace c) oblast vysokocyklové únavy zahrnuje životnost vyšší než 5 10 4 kmitů, únavový lom má hladký až hedvábný lom, dochází k mikroplastické deformaci ve struktuře (na hranicích zrn) Členění oblastí únavy 2. Časový průběh únavy Životnost má dvě fáze Definuje se celkovým počtem kmitů do lomu. Experimentální výsledky se znázorňují: a) závislostí výkmitu plastické deformace na počtu cyklů nízkocyklová únava, nebo b) závislostí výkmitu napětí na počtu cyklů (Wöhlerova křivka). vysokocyklická únava. Opět zde hraje důležitou roli amplituda faktoru intenzity napětí K. Podle P.C.Parise je rychlost stabilního růstu trhliny vyjádřená vzorcem da n v = = AK 2a délka trhliny a dn N počet cyklů A, n materiálové konstanty Ve vzorci n = 4 vysokocyklická únava n = 2 nízkocyklická únava Parisův vzorec je upraven pro vysokocyklickou únavu da 4 4 va = = A( K K p ) dn kde K - faktor, který odpovídá prahovému napětí, pod kterým zárodek trhliny nevzniká. p 3
Ke konci šíření trhliny se dosáhne kritické hodnoty faktoru K = KC. Lze tudíž vypočítat počet cyklů, které budou provázet šíření únavové trhliny do lomu. Při zjišťování únavové životnosti se uplatňuje energetické kriterium, tzn. k únavovému lomu dojde, když nevratná energie absorbovaná tělesem dosáhne pro daný materiál kritické (specifické hodnoty). Graf zahrnuje nejistoty týkající se šíření magistrální trhliny, tak její kritické délky V počáteční fázi (iniciace trhliny) rozhoduje struktura materiálu, zejména v povrchových částech tělesa, kde trhliny vznikají. Ze začátku procesu, kdy se uplatňuje poškozený stav materiálu na čele trhliny, je rozptyl značný. Kritická délka trhliny a c s dobou provozu klesá. Vlivem provozního stárnutí se totiž snižuje lomová houževnatost materiálu. Navíc dochází ke složitým změnám materiálu, takže i rozptyl a c s časem (počtu cyklů) se zvětšuje. Křivka závislosti a = a( N ) by se měla brát jako schema, neboť ve skutečnosti se jedná o lomenou čáru, protože trhlina se šíří ve velkém množství skoků. 3. Dimenzování na únavu Výzkum Zjišťujeme únavovou odezvu součásti charakterizované svými únavovými vlastnostmi při kmitavém zatěžování. Konstruktér se zajímá o promítnutí únavové odezvy součásti do Schema konstruování na únavu 4
požadavků na jejich únavovou pevnost a životnost a také stanovení bezpečnosti součásti proti porušení. Dimenzování součástí na únavu: 1. Dimenzování pod mez únavy, tj. na trvalou pevnost (neomezenou životnost). Nejstarší a nejužívanější postup. Výpočet je pokryt součinitelem bezpečnosti K C, který je větší než při statické bezpečnosti z důvodů většího rozptylu únavových dat. Výsledkem dimenzování je poměrně robustní konstrukce, nízký měrný výkon a efektivnost. Zaručuje však provozní způsobilost součástí během celé fyzické životnosti zařízení. 2. Dimenzování na časovanou pevnost (omezená životnost). Tento způsob konstruování vyžaduje znalostí podstatně většího souboru únavových vlastností konstrukčních celků a součástí a časového mechanizmu jejich únavového poškozování. Jsou 2 přístupy: a) Konstrukce s bezpečným životem (safe-life) starší způsob. U žádné ze součástí soustavy není dovolen vznik únavového defektu během přípustné doby provozu. Po vyčerpání přípustné životnosti (menší ze životností) musí být daná součást vyměněna. Konstrukce bezpečných únavových křivek Bezpečné Wöhlerovy křivky jsou posunuty 1) volenou bezpečností ( k σ = 1,5... 2 ) 2) volenou bezpečností ( k N = 4... 6 ) Přípustná životnost při amplitudě kmitů σ a je pak dána nižším počtem kmitů z dvojice N, N. Dimenzování safe-life je typické pro velmi namáhané součásti a konstrukce staticky určité. b) Konstrukce bezpečné i při poruše (fail-safe) protože v podstatě každý materiál je defektní a vlivem technologie výroby se další defekty vytvářejí vliv svařované, lité konstrukce. V širším pojetí se nazývá konstrukce s přípustným poškozením (damage-toleration). Tento přístup k dimenzování zahrnuje celý systém zkoušek a sběru informací o chování tak, aby bylo možno navrhnout takovou staticky neurčitou konstrukci, u níž by při poškození některé součásti přenášely zatížení po dobu nezbytně nutnou ostatní prvky konstrukce. Včasná identifikace takových poruch je podmíněna komplexem preventivních kontrolních prohlídek. 5
Doba periodických prohlídek 6