POWRÓT

Nauka o materiałach

Zmęczenie materiałów inżynierskich, Źródło - siedemnaste seminarium, Zakopane, 8 - 11 marca 2011


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Wiadomości podstawowe
Miejsca występowania zjawiska zmęczenia i jego efekty
Badanie procesu zmęczenia materiałów inżynierskich
Wybrane przykłady współczesnych badań zmęczeniowych

 

Wiadomości podstawowe

   

   Zmęczenie materiału jest procesem powstawania i rozwoju uszkodzeń w materiale na skutek wielokrotnych zmiennych (cyklicznych) obciążeń.

   Proces zmęczenia rozwijający się w materiałach konstrukcyjnych pod wpływem długotrwałych obciążeń cyklicznych jest ciągle istotnym problemem współczesnej techniki. Naprężenia zmieniające się oscylacyjnie powodują skrócenie czasu eksploatacji elementów konstrukcyjnych, ponieważ ich zniszczenie moSe nastąpić przy naprężeniach o wartościach znacznie niższych od statycznej wytrzymałości materiału, z którego są wykonane. Takie obniżenie wytrzymałości materiału nazywane jest ogólnie wytrzymałością zmęczeniową.
   Zmęczenie jest powszechną przyczyną przedwczesnego zniszczenia konstrukcji i w związku z tym termin ten oznacza w praktyce skończoną liczbę cykli obciążenia jaką dany materiał jest w stanie przenieść. Istnieje wiele czynników, które mają bezpośredni wpływ na ten limit cykli. Należą do nich między innymi;

  • charakter obciążeń,
  • sekwencja obciążeń,
  • czas trwania obciążeń.
 

Miejsca występowania zjawiska zmęczenia i jego efekty

   

   Z procesem zmęczenia można spotkać się zawsze tam, gdzie występują obciążenia o charakterze cyklicznym. Typowe działy przemysłu, w których naleSy uwzględniać procesy zmęczeniowe to:

  • lotnictwo (elementy uskrzydlenia i sterowania samolotów, elementy turbin silników),
  • transport samochodowy (zawieszenie, elementy silnika),
  • dział maszynowy (narzędzia skrawające),
  • energetyka (łopatki turbin, kotły, rurociągi),
  • inne działy techniki.

   Obciążenia zmęczeniowe prowadzą zarówno do zmian właściwości mechanicznych materiałów konstrukcyjnych, jak również do zmian całej konstrukcji. Do głównych efektów wywoływanych procesem zmęczenia należy zatem zaliczyć;

  • zmiany geometryczne danej części konstrukcji,
  • zmiany właściwości fizycznych materiału,
  • powstanie pęknięć, które mogą doprowadzić do katastroficznego zniszczenia konstrukcji,
  • lokalne odkształcenie plastyczne z pasmami poślizgu i bliźniakami oraz ekstruzjami (wyciśnięciami) i intruzjami (wciśnięciami),
  • cykliczne umocnienie i osłabienie,
  • zarodkowanie, rozwój i łączenie się mikropęknięc zmęczeniowych.

   Zjawisko to można podzielić na następujące etapy:

  • zarodkowanie pęknięcia zmęczeniowego,
  • wzrost pęknięcia zmęczeniowego,
  • zniszczenie materiału.

   W trakcie cyklicznego obciążania materiału dochodzi do odkształceń o charakterze mikroplastycznym. W pewnych obszarach przekroju obciążanego elementu, lokalne naprężenia przekraczają granicę plastyczności materiału, co w konsekwencji powoduje zarodkowanie mikropęknięć zmęczeniowych, a następnie ich propagację aż do całkowitego zniszczenia materiału.

 

Badanie procesu zmęczenia materiałów inżynierskich

   

   W ostatnich latach obserwuje się zwiększone zainteresowanie problemami zmęczeniowymi i jednocześnie ogromny postęp w tej dziedzinie. Wynika to głównie z faktu wzrostu wartości obciążeń i zwiększenia stopnia ich złożoności w wielu eksploatowanych urządzeniach. Wystarczy tylko wymienić postęp w dziedzinie lotnictwa związany ze wzrostem prędkości samolotów i ich masy, czy teS postęp w energetyce mierzony na przykład wzrostem temperatury urządzeń produkujących energię elektryczną.
   Obserwowany postęp techniczny wymusza prowadzenie badań zmęczeniowych na coraz wyższym poziomie, gdyż wielokrotnie od efektów tych badań uzależnione jest bezpieczeństwo ludzi. Współczesne samoloty pasażerskie latają tak długo, jak długo prowadzone są równolegle symulacyjne badania zmęczeniowe, których wyniki pozwalają na bezpieczną eksploatację wykorzystywanych aktualnie maszyn. Wśród badań zjawiska zmęczenia wyraźnie można wyróżnić dwa podstawowe kierunki:

  • badania prowadzone przez metalurgów i fizyków materiałowych koncentrujące się na próbie poznania mechanizmów rządzących procesem zmęczenia, oraz
  • badania teoretyczne i doświadczalne w celu stworzenia teorii fenomenologicznych umożliwiających ilościowy opis zjawiska.

Zadania badań procesu zmęczenia

   Gruntowne poznanie procesu zmęczenia materiałów wymaga wzajemnego sprzężenia analizy teoretycznej i badań doświadczalnych. Oba aspekty analizy wymagają rozwiązania wielu zadań. Od strony praktycznej głównymi zadaniami są:

  • określenie istoty mechanizmu inicjacji i propagacji pęknięć zmęczeniowych w skali mikro aż do wystąpienia zniszczenia elementu,
  • ustalenie parametrów zniszczenia oraz opracowanie kryteriów zniszczenia,
  • zbadanie trwałości materiału, a następnie opracowanie metod zmęczeniowego obliczania konstrukcji,
  • opracowanie metod oceny uszkodzenia materiału.

Badania zmęczenia materiałów polegają na:

  • polegają na wielokrotnym obciążaniu próbki wywołującym zmienny stan naprężeń,
  • zmienność w czasie t wyraża się częstotliwością, wielkością i rodzjem naprężeń oraz współczynnikiem asymetrii cyklu R = σminmaks, gdzie; σmin - naprężenia minimalne cyklu, σmaks - naprężenia maksymalne cyklu,
  • średnie naprężenie σm = (σmin + σmaks)/2


 

Wybrane przykłady współczesnych badań zmęczeniowych

   

   Dobrze określona miara uszkodzeń struktury materiału wywołanych cyklicznymi obciążeniami eksploatacyjnymi ma kluczowe znaczenie dla monitorowania tego procesu w badaniach laboratoryjnych i w warunkach eksploatacyjnych, umożliwiając dostatecznie wczesne wykrywanie niebezpiecznych stanów materiału. Mierzalna miara uszkodzeń gwarantuje obserwację zachowania się materiałów konstrukcyjnych pod wpływem obciążeń cyklicznych, dzięki czemu możliwe jest doskonalenie przewidywania trwałości zmęczeniowej i zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacyjnego.

   Odporność elementów maszyn na zmęczenie zależy od:

  • rodzaju i właściwości materiału,
  • kształtu elementu,
  • rodzaju obróbki powierzchniowej - gładkości powierzchni,
  • zakresu zmienności naprężeń w materiale.

   W związku z tym badania wytrzymałości zmęczeniowej dzielą się wyraźnie na badania próbek materiału z uwzględnieniem sposobu obróbki i gładkości powierzchni oraz badania wytrzymałości zmęczeniowej kształtowej, tzn. badania gotowych elementów technicznych, posiadających skomplikowane kształty, jak np. wały korbowe, połączenia gwintowe itp. Do drugiej grupy należy także zaliczyć badania próbek z wykonanymi na nich różnego rodzaju karbami, zmierzające do ustalenia wpływu spiętrzania się naprężeń w karbach na obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej. Niekiedy specjalnym badaniom zmęczeniowym poddaje się całe zespoły konstrukcyjne a nawet gotowe urządzenia.
   Ostatnie dziesięciolecia spowodowały intensywny wzrost badań diagnostycznych zarówno elektrycznych jak i mechanicznych elementów maszyn elektrycznych. Z tego względu nastąpił rozwój metod pozyskiwania informacji z badań diagnostycznych, w celu oceny stanu technicznego urządzenia i umożliwienia na tej podstawie podejmowania działań dla zwiększenia jego trwałości, niezawodności i efektywności działania. Bardzo mocno rozwinięty został aparat matematyczny do obróbki i metody analizy pozyskanych sygnałów. Wśród metod funkcjonalnej diagnozy w diagnostyce maszyn, a w szczególności w diagnostyce maszyn wirnikowych, podstawowe znaczenie mają metody wibroakustyczne oraz metody polegające na analizie prądu stojana. Jeśli chodzi o diagnostykę elementów mechanicznych maszyn, bazujemy na metodach nieniszczących.

Rodzaje badań nieniszczacych

   Badania nieniszczące urządzeń i konstrukcji (badania NDT–Non Destructive Testing) stanowią grupę metod badawczych, które dostarczają informacji o własnościach materiału obiektu, nie wpływających w istotny sposób na jego właściwości strukturalne i powierzchniowe. Nadrzędnym celem prowadzenia badań nieniszczących jest przede wszystkim wykrywanie oraz ocena wad mających charakter nieciągłości materiału. Zastosowanie badań nieniszczących uzasadniają głównie względy bezpieczeństwa oraz aspekt ekonomiczny wystąpienia nieprzewidzianej awarii. Im bardziej odpowiedzialny jest obiekt tym bardziej dotkliwe są skutki jego nagłego uszkodzenia. Badania najczęściej wykonywane są przy naprawach oraz modernizacji urządzeń, podlegających dozorowi technicznemu.
   Wyróżniamy następujące rodzaje metod badań nieniszczących elementów maszyn:

  • badania wizualne (VT), czyli oględziny zewnętrzne,
  • badania endoskopowe,
  • badania penetracyjne (PT),
  • badania magnetyczno-proszkowe (MT),
  • badania ultradźwiękowe (UT),
  • badania prądami wirowymi (ET),
  • radiografia przemysłowa (RT).
   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved