Badania metali na zmęczenie

Zmęczeniem nazywa się zniszczenie metalu spowodowane cyklicznie zmiennymi naprężeniami, znacznie mniejszymi od niszczącego naprężenia statycznego. Cykl naprężeń charakteryzują;

• średnie naprężenie cyklu:

• amplituda cyklu naprężeń:

• współczynnik asymetrii cyklu:

gdzie: smax - górne naprężenie cyklu, s^min - dolne naprężenie cyklu.

Rozróżnia się następujące rodzaje cykli:

a) symetryczny (wahadłowy), dla którego smax - smin, sm = 0, ss = smax, R = - l,

b) dwustronny (niesymetryczny), dla którego ss > sm, fm ≠ 0, 0 > R > 1 lub - ∞ < R < - 1 ,

c) jednostronny (tętniący), dla którego sm > sa', sm > 0,1 > R > 0 lub 1 < R < + ∞,

d) odzerowo tętniący, dla którego smax = 0 lub smin = 0, (sm) = sa', s^m = s^min/2 lub s^m = s^max/2, R = 0 lub R = ±oo.

Rodzaje cykli naprężeń przedstawiono na rys. 6.11.

Rys. 6.11. Rodzaje cykli naprężeń zależnie od współczynnika asymetrii cyklu

130

Do badań zmęczenia metali stosuje się próbki cylindryczne lub płaskie, o stałym lub zmiennym przekroju, bez karbu lub z karbem typu V lub U.

Kształt i wymiary próbek do prób zmęczenia przy zginaniu podaje PN-76/H-04326, a próbek do prób zmęczenia przy osiowym rozciąga-niu-ściskaniu - PN-74/H-04327. Najczęściej stosowane kształty części robo-czej próbek pokazano na rys. 6.12. Średnica próbek cylindrycznych wynosi 5 — 12 mm, a grubość próbek płaskich sięga do 10 mm. Wymiary są ograni-czone zakresem obciążeń maszyn wytrzymałościowych stosowanych do prób zmęczenia.

Obróbka mechaniczna próbek gładkich powinna zapewnić uzyskanie chropowatości powierzchni do Ra = 1,25 Δ·÷μm dla próbek szlifowanych i do Ra = 0,05 μm dla próbek polerowanych. W przypadku próbek z karbem wymagania dotyczące chropowatości odnoszą się tylko do powierzchni karbu, natomiast pozostałe powierzchnie mogą być wykonane w 5 klasie chropowato-ści.

Kształt i wymiary próbek do prób zmęczenia żeliwa i staliwa podaje norma PN-84/H-04662. Próbki pobiera się z wlewków, a części pomiarowe próbek są tylko cylindryczne. Chropowatość części pomiarowej próbki, wyra-żona parametrem Ra powinna wynosić 0,32÷0,16 μm.

Próba zmęczenia metali polega na wielokrotnym obciążeniu próbki wywołującym zmienny stan naprężeń. Zmiany obciążenia podczas próby powinny występować cyklicznie w sposób kontrolowany, przy utrzymaniu stałości naprężenia (lub odkształcenia). Próby osiowego rozciągania-ściskania wg PN-74/H-04327 przeprowadza się za pomocą maszyn działających siłą rozciągającą, rozciągająco-ściskąjącą lub ściskającą. Wg PN-76/H-04326 prze-prowadza się próby zginania obrotowego lub płaskiego. Dla żeliwa i staliwa przeprowadza się próby zginania obrotowego lub płaskiego, rozciąga-nia-ściskania oraz skręcania wg PN-84/H-04662.

Przy zginaniu obrotowym próbki mocuje się współosiowo w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Podczas próby próbka obraca się, a moment zginający działa stale w jednej płaszczyźnie przechodzącej przez oś próbki.

Przy próbie płaskiego zginania próbkę należy zamocować w uchwytach maszyny wytrzymałościowej osiowo w ten sposób, aby moment zginający działał w płaszczyźnie symetrii próbki.

Próbki z jednej serii należy badać na jednym typie maszyny wytrzymałoś-ciowej, przy tej samej częstotliwości zmian obciążenia. Częstotliwość zmian obciążenia powinna wynosić 5—100 Hz. Próbę prowadzi się aż do zniszczenia próbki (wystąpienia pęknięcia) lub do osiągnięcia przez próbkę tzw. bazowej liczby cykli zmian naprężenia NG, przy której wyznacza się wytrzymałość badanego metalu na zmęczenie.

Wyniki badań serii próbek przedstawia się graficznie w postaci wykresów Wöhlera. Wykres Wöhlera sporządza się w sposób następujący: na osi

Rys. 6.12. Rodzaje próbek do prób zmęczenia: a) próbka okrągła o stałym przekroju, b) próbka okrągła o zmiennym przekroju, c) próbka okrągła z karbem U, d) próbka płaska o stałym przekroju, e) próbka płaska o zmiennym przekroju, f) próbka płaska z karbem V: R — promień przejścia części roboczej w część uchwytową próbki, r — promień karbu, l - długość części roboczej równa 4d dla próbek okrągłych i 4a dla próbek płaskich do prób osiowego roz-ciągania-ściskania oraz 5d dla próbek okrągłych i 5,65 √s·b dla próbek płaskich do prób zginania, D — średnica próbki, d — średnica przekroju roboczego próbki, B - szerokość próbki, b - szerokość przekroju roboczego próbki, a - grubość próbki, t - głębokość karbu,

Ε - kąt rozwarcia karbu

rzędnych odkłada się naprężenie (σmax, σa) w skali proporcjonalnej, a na osi odciętych odkłada się w skali logarytmicznej liczbę cykli do zniszczenia próbki lub przerwana próby. Wykresy sporządza się dla próbek badanych przy jednakowym średnim naprężeniu σm = const, dla próbek badanych przy cyklach podobnych, gdy współczynnik asymetrii cyklu jest stały R = const lub przy stałym minimalnym naprężeniu σ^min = const. Dla przykładu na rys. 6.13 pokazano wykres Wöhlera dla serii próbek w przypadku obciążenia wahadłowego.

132

Rys. 6.13. Wykres Wöhlera. Naprężenia odłożono w skali proporcjonalnej, natomiast liczbę cykli w skali logarytmicznej. Kółko ze strzałką oznacza próbkę nie złamaną, a kółko bez strzałki

oznacza próbkę złamaną w czasie próby

Podstawową charakterystyką zmęczeniową metalu jest wytrzymałość na zmęczenie czyli naprężenia σmax, σa, które nie doprowadza do zniszczenia próbki przy określonej podstawie próby zmęczeniowej (bazie). Podstawa próby zmęczeniowej NG (umowna liczba cykli N) zależy od materiału próbek. Przy badaniach stali, staliwa i żeliwa stosuje się podstawę 107 cykli, a dla metali nieżelaznych 2·107÷10·107 cykli. W badaniach porównawczych stali stosuje się bazę 2·106 cykli, a w badaniach porównawczych metali nieżelaznych 5·106 cykli.

Przy wyznaczaniu wytrzymałości metalu na zmęczenie należy przeprowa-dzić badanie jednakowych próbek przy kilku poziomach naprężeń. Badania zaczyna się od najwyższego poziomu naprężeń, przy którym wystąpi znisz-czenie próbek po około 104 cyklach, a następnie kolejno obniża się poziom naprężeń, aż do momentu, w którym badane próbki nie ulegną zniszczeniu przy NG cyklach odpowiadających przyjętej podstawie próby zmęczenia.

Wyniki badań nanosi się na wykres Wöhlera w skali półlogarytmicznej (rys. 6.13). Poziomy lub lekko nachylony odcinek krzywej Wöhllera wyznacza wartość wytrzymałości metalu na zmęczenie.

Na poziomie naprężeń odpowiadającym wytrzymałości na zmęczenie należy zbadać co najmniej trzy próbki. Liczba poziomów naprężeń do sporządzenia krzywej Wöhlera dla wyznaczenia wytrzymałości na zmęczenie nie może być mniejsza od pięciu. Zwiększenie liczby próbek badanych na jednym poziomie naprężeń zwiększa dokładność wyznaczenia charakterystyk zmęczenia metali.

Zjawiska zmęczeniowe występujące w materiale próbki poddanej jedno-osiowemu przemiennemu rozciąganiu-ściskaniu (cykle odkształceń lub na-prężeń), które prowadzą do zniszczenia próbki przy liczbie cykli nie większej niż 104, wyznacza się w badaniach niskocyklowego zmęczenia metali wg PN-84/H-04334. Stosuje się próbki o cylindycznej części pomiarowej, bez karbu, o chropowatości Ra = 0,32 μm. Próby prowadzi się na serii próbek

przy sterowaniu naprężeniem lub odkształceniem, dla co najmniej pięciu wartości amplitudy zmiennej sterującej, przy częstotliwości f = 0,20 Hz.

W czasie próby rejestruje się w sposób ciągły liczbę cykli oraz okresowo szczytowe dodatnie wartości zmiennej zależnej (σ^max, ε^max) i pętlę histerezy (co najmniej 15 pętli). W ten sposób uzyskuje się informacje o przebiegu cyklicznej stabilości, umacniania i osłabiania materiału, aż do zniszczenia próbki.

Wyniki badań opracowuje się statystycznie i przedstawia najczęściej graficznie we współrzędnych logarytmicznych w postaci krzywej cyklicznego odkształcenia lub wykresu trwałości zmęczeniowej.