Podsumowanie przeglądu literatury

W metodzie obliczeń trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych bazującej na analizie lokalnych naprężeń i odkształceń wykorzystywane są dane materiałowe, określane podczas niskocyklowych badań zmęczeniowych z tzw.

okresu stabilizacji. Na podstawie analizy danych literaturowych można stwier-dzić, że w przypadku wielu materiałów metalowych w warunkach obciążeń stałoamplitudowych nie występuje wyraźny okres stabilizacji, a zachodzące osłabienie czy umocnienie materiału zależy od szeregu czynników związanych z materiałem i przebiegiem obciążenia. Powoduje to, że wartości danych mate-riałowych wykorzystywanych podczas obliczeń trwałości zmęczeniowej zależą w sposób istotny zarówno od okresu trwałości, w którym zostają określone, jak i poziomu odkształcenia przyjętego podczas badań.

Przebieg zmian własności cyklicznych mogą w istotny sposób zmienić np.

odkształcenia wstępne, przerwy w przebiegu obciążenia czy występujące prze-ciążenia. Podobnie jak w warunkach obciążeń stałoamplitudowych, w warun-kach występowania krótkotrwałych przeciążeń występujących w trakcie obcią-żenia stałoamplitudowego, nie obserwowano wyraźnego okresu stabilizacji.

Muszą zatem budzić wątpliwości wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej ele-mentów konstrukcyjnych, uzyskane przy założeniu istnienia okresu stabilizacji.

Na podstawie dokonanego przeglądu literatury można stwierdzić, że wy-stępujące w metalach podczas badań stałoamplitudowych procesy cyklicznego osłabienia czy umocnienia mogą w pewnych warunkach (np. zmian temperatury, częstotliwości itp.) spotęgować się lub ulec zanikowi. Znaczna liczba czynni-ków mających wpływ na proces stabilizacji własności cyklicznych powoduje, że stopień weryfikacji poszczególnych jednostkowych propozycji jest wysoce niezadowalający. Z tego powodu trudno wskazać jedną metodę postępowania dla dużej grupy materiałów i warunków obciążenia. Można wyróżnić pewne ob-szary badań, w których poddaje się weryfikacji wpływ na własności cykliczne jednego lub kilku czynników, np. tylko temperatury, temperatury i częstotliwo-ści, odkształcenia i temperatury, itp. Dla tak zdefiniowanych warunków propo-nuje się modyfikacje istniejących modeli opisujących własności cykliczne metali.

Do oceny przebiegu procesu stabilizacji wykorzystuje się obecnie różne opisy i wielkości kryterialne. Najstarszym jest opis naprężeniowy. Wielkością kryterialną w nim wykorzystywaną jest łatwy do obliczeń, w przypadku znajo-mości przebiegów czasowych obciążenia, przebieg zmienny naprężenia nomi-nalnego. Podstawową wadą są trudności interpretacji tego parametru w obsza-rze odkształceń sprężysto-plastycznych.

Wraz z rozwojem aparatury badawczej, szczególnie techniki komputerowej i instrumentarium do pomiaru podczas badań bardzo małych odkształceń, poja-wiła się możliwość opisu przebiegu stabilizacji w ujęciu odkształceniowym.

Podstawową zaletą tego opisu jest fakt, że odkształcenie jako wielkość kryte-rialna wykorzystywana do budowy wykresu zmęczeniowego (wartość odkształ-cenia całkowitego, plastycznego lub sprężystego) zostaje określona podczas bezpośrednich pomiarów realizowanych w trakcie badań, przy wykorzystaniu różnych technik (tensometrii, interferometrii czy techniki laserowej). Przepro-wadzone analizy przebiegu stabilizacji własności cyklicznych w karbach geo-metrycznych wskazują, że w nich również nie występuje okres stabilizacji, a przebieg zmian własności cyklicznych, podobnie jak podczas badań z wyko-rzystaniem próbek gładkich, zależy między innymi od przebiegu obciążenia i samego materiału.

Duże nadzieje na poprawę skuteczności obliczeń trwałości zmęczeniowej wiązane są z opisem energetycznym zmęczenia, który uwzględnia wzajemne interakcje odkształceń i naprężeń. Przyjęcie energii jako wielkości kryterialnej pozwoliło na uzyskanie nowych możliwości opisu procesu zmęczenia. Wielko-ściami kryterialnymi dla opisu energetycznego mogą być energia odkształcenia całkowitego ∆Wc lub jej składowe (energia odkształcenia plastycznego ∆Wpl, czy sprężystego ∆Ws). Pomimo swoich zalet opis energetyczny ma również wady.

Wymaga bowiem wcześniejszego wyznaczenia podstawowych danych materia-łowych podczas obciążenia stałoamplitudowego oraz obliczeń iteracyjnych wielkości kryterialnej w trakcie sumowania uszkodzeń zmęczeniowych. Powo-duje to niejednokrotnie, że skuteczność obliczeń trwałości zależy od dokładno-ści odwzorowania parametru energetycznego, np. pola pętli. Ponadto na podsta-wie doniesień literaturowych można stpodsta-wierdzić, że energetyczne podsta-wielkości kry-terialne cechuje również brak stabilizacji własności cyklicznych w warunkach obciążenia stałoamplitudowego.

Pomimo przyjęcia do obliczeń nowych wielkości kryterialnych, nie popra-wiły one zgodności wyników trwałości uzyskanych z obliczeń i badań. Główną przyczyną jest, jak się wydaje, fakt, że obecnie wśród parametrów wykorzysty-wanych do opisu zmęczenia oraz obliczeń trwałości, brak wielkości charaktery-zujących się nieczułością na zjawiska cyklicznego osłabienia czy umocnienia.

Podstawową charakterystyką opisującą własności cykliczne metali w ob-szarze niskocyklowego zmęczenia jest zależność potęgowa pomiędzy σa a εap. Ze względu na wpływ poziomu odkształcenia na wielkość umocnienia czy osła-bienia i związane z tym trudności opisu tą zależnością całego zakresu

niskocy-40

klowego zmęczenia, pojawiły się propozycje dzielenia obszaru niskocyklowego zmęczenia na odrębne przedziały i niezależnego opisywania w nich własności cyklicznych tymi samymi modelami.

Na podstawie dokonanego przeglądu danych literaturowych można stwier-dzić, że najczęściej stosowanym modelem analitycznym do opisu własności cyklicznych dla stanów ustalonych jest model Ramberga-Osgooda. Wykorzy-stywane są w nim dane materiałowe wyznaczane podczas badań zmęczenio-wych z okresu stabilizacji oraz moduł Younga określany w trakcie prób statycz-nych. Doświadczalna weryfikacja modelu pozwala zauważyć jego zadowalającą zgodność z wynikami badań zarówno w przypadku stanów ustalonych, jak rów-nież nieustalonych oraz wpływu na proces zmęczenia dodatkowych czynników, np. temperatury czy częstotliwości.

Poprawa zgodności wyników trwałości zmęczeniowej uzyskanych z badań i obliczeń to z jednej strony doskonalenie modeli opisujących zachowanie mate-riału w warunkach odkształceń sprężysto-plastycznych, a z drugiej problem po-szukiwań odpowiedniej hipotezy sumowania uszkodzeń. Wraz z rozwojem nauki o zmęczeniu materiałów i przyjmowaniem nowych wielkości kryterialnych za-obserwować można okresowe powroty do wcześniejszych hipotez, które poddaje się kolejnym modyfikacjom i uzupełnieniom, co w niewielkim jednak stopniu przyczyniło się do poprawy skuteczności obliczeń trwałości zmęczeniowej.

Zupełnie naturalnym stało się przenoszenie na obszar niskocyklowego zmęcze-nia hipotez sumowazmęcze-nia uszkodzeń zmęczeniowych, w znacznym zakresie roz-poznanych i zweryfikowanych w obszarze wysokocyklowego zmęczenia. Naj-szerszy zakres weryfikacji doświadczalnej w obszarze niskocyklowego zmęcze-nia ma obecnie hipoteza Palmgrena-Minera.

Pomimo opracowania nowych hipotez sumowania uszkodzeń, niezmienne pozostają nadal modele analityczne opisujące zachowanie materiału w karbach konstrukcyjnych. W większości nie uwzględniają one nadal zmian własności cyklicznych materiału w tych obszarach, skutkiem czego wyniki obliczeń wiel-kości kryterialnych mają jedynie charakter przybliżony. Iteracyjny charakter ob-liczeń trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych powoduje, że nawet niewielkie błędy w ocenie wielkości kryterialnej są kumulowane wielokrotnie i mogą prowadzić do znacznego zróżnicowania wyników obliczeń i badań. Po-twierdzają to wyniki doświadczalnej weryfikacji hipotezy Palmgrena-Minera wskazujące, że największym zróżnicowaniem w stosunku do wyników badań doświadczalnych charakteryzują się wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej w obszarze zbliżonym do granicy zmęczenia.

Na podstawie przeprowadzonej analizy danych literaturowych można stwierdzić, że jednym z kierunków poprawy zgodności wyników trwałości, uzyskanych z badań i obliczeń prowadzonych przy wykorzystaniu hipotez su-mowania uszkodzeń, jest między innymi przystosowanie ich do uwzględniania zmian własności cyklicznych podczas obciążeń zmiennych.