BUM - 7 Únava materiálu Jméno: St. skupina: Datum cvičení: Autor cvičení: Doc. Ing. Stanislav Věchet, CSc., Ing. Petr Liškutín, Ing. Martin Petrenec, Úkoly k řešení 1. Vysvětlete stručně co je únava materiálu. 2. Popište a graficky znázorněte tři stádia únavového procesu. 3. Nakreslete a popište průběh základních charakteristických zatěžovacích cyklů při namáhání tahem a tlakem. Definujte parametry asymetrie P a R. 4. Uveďte nejdůležitější činitele, které ovlivňují únavové vlastnosti materiálu. 5. Pro ocel na odlitky ČSN 42 2661 a tvárnou litinu ČSN 42 2306 stanovte z naměřených hodnot životnosti (tab.2) Wöhlerovu křivku a určete mez únavy σ C. Pro vyhodnocení použijte metodu grafické aproximace v semilogaritmickém souřadném systému σ a log N. 6. Nakreslete zjednodušený Smithův diagram (závislost amplitudy napětí na středním napětí cyklu je lineární) pro ocel _. _ při zatěžování tahem-tlakem a ohybem. Hodnoty mechanických vlastností jsou uvedeny v tab.1. Literatura 1. Základní podklady dodané ve cvičení 2. Münsterová, E. a kol.: Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu, edice VUT Brno, 1989, Brno 3. Pluhař, J.-Koritta, J.: Strojírenské materiály, SNTL/ALFA, 1977, Praha 4. Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I, CERM akademické nakladatelství s.r.o, Brno, 2001 Tab.1 Mechanické vlastnosti vybraných ocelí pro stanovení Smithových diagramů Materiál R p 0,2 R m R eo R mo σ C σ oc 12 030.6 12 060.6 14 140.7 14 331.7 15 241.7 425 555 859 953 1067 573 723 984 1139 1185 632 881 1322 1421 1520 1181 1663 2133 2320 2471 210 307 362 384 437 290 350 398 457 477 BUM - 7 1/2
Tab. 2 Hodnoty životnosti při zatěžování symetrickým cyklem tah-tlak Ocel na odlitky ČSN 42 2661 σ a N Pozn. σ a 280 2,2.10 5 380 260 3,4.10 5 350 240 4,1.10 5 320 240 7,5.10 5 320 220 8,4.10 5 270 220 1,2.10 6 270 210 2,4.10 6 250 210 4,8.10 6 250 210 1,0.10 7 nepraskl 240 200 1,0.10 7 nepraskl 240 200 1,0.10 7 nepraskl 230 190 1,0.10 7 nepraskl 220 Tvárná litina ČSN 42 2306 N Pozn. 3,1.10 4 7,2.10 4 1,1.10 5 2,0.10 5 7,5.10 5 9,9.10 5 1,5.10 6 5,2.10 6 1,8.10 6 1,0.10 7 nepraskl 1,0.10 7 nepraskl 1,0.10 7 nepraskl 400 Rastr pro sestrojení Wöhlerových křivek σ a 350 300 250 200 150 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 N BUM - 7 2/2
Řešení 1) Vysvětlete stručně co je únava materiálu. Únava materiálu je proces změn strukturního stavu materiálu a jeho vlastností vyvolaný kmitavým (cyklickým) zatěžováním, přičemž nejvyšší napětí je menší než mez pevnosti R m a ve většině případů i menší než mez kluzu R e. V důsledku něhož dochází v materiálu k hromadění poškození, které se v závěru procesu projeví růstem makroskopické trhliny a únavovým lomem. 2) Popište a graficky znázorněte tři stádia únavového procesu. 1. Stádium změn mechanických vlastností V důsledku kumulace plastické deformace se mění rozložení a hustota dislokací v materiálu. Materiál mění svoje mechanické vlastnosti, cyklicky změkčuje nebo zpevňuje. 2. Stádium vzniku únavových trhlin V důsledku pokračujících kumulace plastické deformace dochází na povrchu vzorku ke koncentraci napětí a deformace v okolí koncentrátorů napětí a ke vzniku prvých mikrotrhlin v těchto místech. 3. Stádium šíření únavových trhlin V předchozím stádium vzniklé mikrotrhliny neustále rostou, přičemž z důvodu nerovnoměrného rozložení napětí a deformace se z některé z nich stane trhlina řídící. Tato trhlina pak proroste značnou část vzorku, zatímco u ostatních trhlin je růst potlačen. Při překročení kritického napětí ve zbylé části vzorku dojde k závěrečnému dolomení. Třetí stádium je tedy ukončeno únavovým lomem součásti obr.1. Obr.1. Schéma únavového lomu [3] BUM - 7 3/2
3) Nakreslete a popište průběh základních charakteristických zatěžovacích cyklů při namáhání tahem a tlakem. Definujte parametry asymetrie P a R. Součásti v praxi jsou namáhány různými druhy napětí, proto je snaha o co nejvěrnější napodobení zatěžovacího cyklu praxi. Proto se v praxi používá více druhů zatěžovacích cyklů. Stroje řízené počítačem můžou v průběhu zkoušky měnit amplitudu zátěže. Mezi základní charakteristiky zkoušky patří maximální a minimální hodnota cyklického napětí (óh, ón). Při zkoušce volíme z následujících cyklů: - pulsující cyklus součást je namáhána pouze jedním druhem napětí (tahem nebo tlakem) - míjivý cyklus součást se při namáhání dostává do klidového stavu. Namáhání součásti je pouze jedním druhem napětí (tahem nebo tlakem) - symetrický cyklus součást je střídavě namáhána tahem a tlakem v případě, že se střední napětí cyklu rovná 0, jedná se o symetrický cyklus. Pokud tomu tak není, je tento cyklus charakterizován jako asymetrický. Pro posouzení asymetričnosti byly zavedeny tyto vztahy : 4. Uveďte nejdůležitější činitele, které ovlivňují únavové vlastnosti materiálu Druh zatěžování (tah, tlak, krut, ohyb) Mezi různými druhy napětí a mezí kluzu existuje přibližné vyjádření BUM - 7 4/2
Velikostní faktor Při různých velikostech vzorku se mění i mez únavy. Pro vyhodnocení zkoušky je potřeba znát jejich vztahy, které jsou vyjádřeny součinitelem velikosti Kd. Vliv vrubů Vruby jsou veškeré zásahy do povrchu materiálu (drážky, díry ), které snižují mez únavy materiálu. Vrub je charakterizován svou velikostí a tvarem. Stav povrchu Stav povrchu má významný vliv na mez únavy. I při nejlepším broušení vznikají drobné trhlinky, které v počátcích působí jako mikrokoncentrátory napětí. Vliv povrchu na napětí se vyjadřuje koeficientem Kp. Chemicko-teplené zpracování Zlepšuje nejen odolnost povrchu proti opotřebení, ale i zvyšuje mez únavy materiálu. Pnutí v povrchové vrstvě Vzniká při plastické deformaci a zvyšuje únavovou pevnost 5. Pro ocel na odlitky ČSN 42 2661 a tvárnou litinu ČSN 42 2306 stanovte z naměřených hodnot životnosti (tab.2) Wöhlerovu křivku a určete mez únavy óc. Pro vyhodnocení použijte metodu grafické aproximace v semilogaritmickém souřadném systému óa log N. BUM - 7 5/2
6. Nakreslete zjednodušený Smithův diagram (závislost amplitudy napětí na středním napětí cyklu je lineární) pro ocel 14140.7 při zatěžování tahem-tlakem a ohybem. Hodnoty mechanických vlastností jsou uvedeny v tab.1. BUM - 7 6/2