Únava materiálu 1) 2)
3) 4) 5)
Úvod Základní charakteristiky únavového zatěžování Křivka únavového života Etapy únavového života Klíčové vlivy na únavový život 1
Degradace vlastností materiálu za provozu 1828 W.A.J. Albert - řetězy těžn ích věží (cyklické zatěžován í) Německo 1839 poprvé se objevuje term ín „únava“ v knize o mechanice od J.V. Poncelet - Francie 1850 Augustín Wöhler – únavová životnost Gerber, Goodman – vliv středn ího napětí 1945 Miner – teorie lineárn í kumulace poškozen í (1968 Endo – teorie stékajícího deště) 1950 studium fyzikáln í podstaty vzniku únavového porušen í
2
Tři oblasti únavy
Hladká součást (bezpečný život / safe live)
Měkké zatěžování vysokocyklová únava Wöhler, Basqin - železnice, auto, podvozek letadla
Tvrdé zatěžování nízkocyklová únava Manson, Coffin - tlaková nádoba, rotor turbiny
Součást s trhlinou (bezpečný lom / failure safe)
Parisův vztah; podmínky šíření únavové trhliny; měkké zatěžování (drak letadla, most) 3
Základní charakteristiky cyklického zatěžování
σ m = střední napětí
σ a = amplituda napětí
σ max = maximální napětí
∆σ = rozkmit napětí
σ min = min imá ln í napětí 4
Základní charakteristiky cyklického zatěžování Zátěžný cyklus střídavý σ m < σ a
pulzující σ m ≥ σ a
σm = 0 souměrný (symetrický) |σm| ≠ 0 nesouměrný
σm = σa míjivý |σm| > σa pulzující
5
Základní charakteristiky cyklického zatěžování Popis cyklu na základě součinitele (parametru) asymetrie cyklu
Napěťový součinitel R σ min R= σ max
R = 1 statické zatížení R = záporné číslo ⇒ střídavý R = kladné číslo ⇒ pulzující R = 0 ⇒ míjivý 6
Základní charakteristiky cyklického zatěžování Popis cyklu na základě součinitele (parametru) asymetrie cyklu
Amplitudový součinitel P σa P= σm
P = 0 statické zatížení P má znaménko podle σ m P > 1 ⇒ střídavý P ≤ 1 ⇒ pulzující (= míjivý) 7
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 σa (stejná frekvence, teplota, rozměry tělesa) existuje určitý počet cyklů Nf do porušení o Závislost amplituda napětí ∼ počet cyklů do
porušení (S-N křivka) 8
Křivka únavového života Smluvní mez únavy Al slitiny Nf = 5.10 8
Log σa (S)
Mg slitiny Nf = 10 8
σ c = (0,3 ≈ 0,5 )Rm
Log N 9
Křivka únavového života
oblast A - B bod A - amplituda odpovídá hodnotě meze pevnosti Rm - 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). o
10
Křivka únavového života
oblast B - C o
o
oblast NCÚ – namáhání napětími většími než mez kluzu, servohydraulické zkušební stroje, cyklická hysterezní smyčka, vliv vrubů Manson-Coffin Low-Cycle-Fatigue relationship Mansonova – Coffinova závislost pro NCÚ: ε a pl
(
)
, c = ε f 2N f
ε ,f ≡ součinitel únavové tažnosti c ≡ exponent únavové životnosti
11
Křivka únavového života o
o
oblast C
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 ar = σ ,f (2 N f ) b......BASQIN
σ ,f
⇒ součinitel únavové pevnosti
b
⇒ exponent únavové životnosti
σ ar = A(N f ) ..........WOHLER B
12
Křivka únavového života Vliv středního napětí
13
Křivka únavového života Vliv středního napětí
14
Křivka únavového života Vliv středního napětí na únavovou životnost Goodman
σa σ m + =1 σ ar Rm
Gerber 2
σa σ m = 1 + σ ar Rm
σ a , σ m ⇒ amplituda a střední napětí obecného cyklu
σ ar
⇒ amplituda souměrného cyklu, při kterém dojde k porušení po stejném počtu cyklů, jako v případě s amplitudou σa a středním napětím σm
Rm
⇒ mez pevnosti 15
Křivka únavového života Vliv středního napětí na únavovou životnost
( )
σm b A N f σ a = 1 − Rm Systém S-N křivek obecného tvaru 16
Křivka únavového života Vliv:
vrubu
kvality povrchu (zpevnění, povlaky apod.)
frekvence zatěžování
prostředí (koroze, zavíraní trhliny)
pevnosti
mikrostruktury a zbytkových napětí
teploty 17
Kumulace poškození Reálná konstrukce - zdroje cyklického zatěžování - změna amplitudy zatěžování Čep řízení motorového vozidla
18
Kumulace poškození Reálná konstrukce - zdroje cyklického zatěžování - změna amplitudy zatěžování Závěs křídla letadla během provozu
19
Kumulace poškození 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 σa dojde k porušení po Nf cyklech 1. cyklus…………. poškození je n1/Nf 2. cyklus…………. poškození je n2/Nf i- tý cyklus……….. poškození je ni/ Nf
(poměrné poškození)
Nf -tý cyklus…….... poškození je nf/Nf =1 20
Kumulace poškození Palmgrenova - Minerova hypotéza K lomu dojde, jestliže k n j + + ........ = =1 1 2 j Nf Nf j =1 N f
n1
n2
∑
Zátěžný blok (n1,N 1f ;n2 ,N 2f ;n3 ,N 3f ) B=
n1 N 1f
+
1 n2 N 2f
+
n3 N 3f
B ⇒ počet zátěžných bloků, které součást vydrží 21
Kumulace poškození Teorie stékajícího deště (Endo 1968) Zatěžování probíhá v nepravidelných cyklech (teorie pagod) = co je a co není zátěžný cyklus
22
Kumulace poškození Teorie stékajícího deště (Endo 1968)
ASTM E 1049 – kovy; ASTM D671 - plasty
23
Etapy únavového života 1) Stádium změn mechanických vlastností 2) Stádium iniciace únavových trhlin 3) Stádium šíření únavové trhliny
24
Etapy únavového života Stádium změn mechanických vlastností
a) materiál cyklicky zpevňuje
b) materiál cyklicky změkčuje 25
Etapy únavového života Stádium změn mechanických vlastností
Monotónní a cyklická křivka napětí – deformace oceli 4340
26
Etapy únavového života Stádium iniciace únavové trhliny
Únavový lom vzniká vždy od povrchu součásti / zkušebního tělesa
27
Etapy únavového života Stádium iniciace únavové trhliny
28
Etapy únavového života Stádium iniciace únavové trhliny
29
Etapy únavového života Persistentní skluzové pásmo (Persistent Stádium iniciace únavové trhliny Slip Bend)
30
Etapy únavového života Stádium šíření únavových trhlin
striace 31
Etapy únavového života Stádium šíření únavových trhlin striace
32
Etapy únavového života 1) Stádium změn mechanických vlastností 2) Stádium iniciace únavových trhlin 3) Stádium šíření únavové trhliny
33
Etapy únavového života Stádium šíření únavových trhlin
da = f (∆K I , R , Ω ) dN ∆K I = (K max − K min ) K min R= K max
Ω = závislost na struktuře 34
Etapy únavového života Stádium šíření únavových trhlin Parisův-Erdoganův vztah da = C (∆K I )m dN dN =
da C (∆K I )
m
⇒N=
a2
∫
a1
da a C σ a Y πa W
m
Formanův vztah da C2∆K I m2 = dN (1 − R )K c − ∆K I 35
Základní únavové zkoušky Zkušební tělesa - stanovení křivky únavového života
( )
σm A N f b σ a = 1 − Rm
36
Základní únavové zkoušky Elektromagnetické a mechanické buzení
37
Základní únavové zkoušky Zkušební tělesa - stanovení křivky rychlosti šíření trhliny
da m = C (∆K I ) dN 38
Základní únavové zkoušky
- použití dat 39
Křivka únavového života
( )
Vliv:
σm A N f b σ a = 1 − Rm
vrubu
kvality povrchu (zpevnění, povlaky)
frekvence zatěžování
prostředí (koroze, zavírání trhliny)
pevnosti
mikrostruktury a zbytkových napětí 40
Křivka únavového života Vliv vrubu na únavovou životnost
41
Křivka únavového života Vliv vrubu na únavovou životnost
42
Křivka únavového života Vliv vrubu na únavovou životnost – podmínky iniciace kf
( střední hodnota =
σ y v intervalu 0 < x < δ ) σ e = Sa Sa
43
Křivka únavového života
Vliv vrubu na podmínky iniciace
44
Křivka únavového života
Vliv vrubu na podmínky iniciace
45
Křivka únavového života Vliv kvality povrchu na únavovou životnost
46
Křivka únavového života Vliv mikrostruktury na únavovou životnost
47
Křivka únavového života Vliv pevnosti na únavovou životnost
48
Křivka únavového života Vliv frekvence zatěžování na únavovou životnost
49
Křivka únavového života Vliv prostředí na únavovou životnost
50
