Úvod do únavového poškozování

Transkript

Únava a lomová mechanika
Pavel Hutař, Luboš Náhlík
Historie
1923 Palmgren
Kumulativní
poškození
1949 Irwin
1957 Irwin
K-koncepce
Historie
r. 1843
Rankine hovoří o „krystalizaci“ materiálu
během opakovaného zatěžování, díky
níž se materiál stává křehkým.
Historie
r. 1850 F. Braithwaite – pojem „únava kovů“
Historie
po r. 1850 Wöhler
• Ocel se poruší při zatížení nižším než je její
elastický limit (mez kluzu) při dostatečném
množství zatěžovacích cyklů.
• Existuje mezní hodnota rozkmitu napětí pod
jejíž úrovní součást vydrží neomezený počet
zátěžných cyklů (mez únavové pevnosti).
• Rozkmit napětí, více než maximální zatížení,
určuje počet cyklů do lomu.
• Se zvyšujícím se maximálním zatížením tato
mezní hodnota klesá.
Historie
S – n křivka (Wöhler)
Mez únavy
Historie
r. 1903 Ewing a Humphray
Popis podstaty únavového porušování (vyvrácení předchozích mylných představ Rankina).
The Fracture of Metals under Repeated Alterations of Stress
“The course of breakdown was as follows: ... slip lines on some of the crystals ... they changed into
comparatively wide bands ... broadening continued, and some parts of the surface became almost
covered with dark markings ... it was found that some of the crystals had cracked... they were first seen on
a single crystal (grain), but soon they joined up from crystal to crystal, until finally a long continuous crack
was developed across the surface of the specimen”.
Lom kovů při opakované změně zatížení
“Proces porušení byl následovný: ... skluzové čáry v některých krystalech ... se
přeměnily v poměrně široké pásy ... postupně se dále rozšiřovaly a části povrchu se
pokryly tmavými čarami ... to byly znaky, že došlo k porušení (lomu) některých
krystalů... nejdříve se jednalo pouze o jednotlivé osamocené krystaly (zrna), ale
později takových zrn přibývalo, až nakonec na povrchu zkušebního tělesa vznikla
dlouhá trhlina”.
Proces únavového porušení
Zatížení
Odlehčení
1. Fáze : iniciace
únavové trhliny
2. Fáze : šíření (stabilní)
únavové trhliny
3. Fáze : nestabilní šíření
trhliny – lom tělesa
striace a skluz.
pásma
1 A°
°
102 A
vzdálenost
atomů
vytváření
mikrotrhlinek
1µ
vznik
makrotrhlin
102 µ
1 mm
růst makrotrhlin
102 mm
velikost zrna
austenitu
Kvazikřeký
dolom
Únavový lom
Převzato z prezentace prof. M. Růžičky
Únava materiálu: pojednává o vzniku trhlin a jejich šíření díky cyklickému zatěžování.
Únavová životnost = Počet zatěžovacích
+ Počet zatěžovacích
cyklů do iniciace trhliny
cyklů do lomu tělesa
Únavové porušení - příklad
Letadlo Comet I - 1952
Let 243 Aloha Airlines, Boeing 737-200, 28.4.1988.
Přepočet mezi SI a anglosaskými jednotkami
Metody predikce životnosti
1. Stress-life (S-n) přístup
2. Strain-life (εε-n) přístup
3. Lineární elastická lomová mechanika (LELM)
S – N koncepce
S – N koncepce
≈ 386 MPa
≈ 593 MPa
≈ 793 MPa
≈ 965 MPa
≈ 1310 MPa
S – N koncepce
Parametry popisující zatěžující cyklus
∆σ = σ max − σ min
σa =
σm =
σ max − σ min
2
σ max + σ min
2
R=
Souměrně střídavý
cyklus:
R = -1
A=∞
rozkmit napětí (stress
range)
amplituda napětí
(stress amplitude)
střední napětí
(mean stress)
σ min
σ max
parametr asymetrie
cyklu (stress ratio)
σa
σm
amplitudový poměr
(amplitude ratio)
A=
Míjivý cyklus:
R=0
A=1
Haighův diagram
Haighův diagram
Porovnání koncepcí
Soderberg (USA, 1930)
Goodman (Anglie, 1899)
σa
Se
+
σa
Se
σm
Sy
+
=1
σm
Su
=1
2
Gerber (Německo, 1874)
Morrow (USA, 1960)
σa σm 
+
 =1
S e  Su 
σa
Se
+
σm
=1
σf
Sy … mez kluzu (yield strenght)
Se … mez únavy (endurance limit)
Su … mez pevnosti (ultimate strenght)
σf … skutečné lomové napětí (true fracture stress)
1. Soderbergova přímka – velmi konzervativní (zřídka používaný přístup).
2. Experimentální data nejčastěji „padnou“ mezi Goodmanovu a Gerberovu křivku.
3. Pro tvrdé (křehké) oceli Goodmanova a Morrowova přímka takřka splynou (σf = Su).
4. Ve většině praktických situací není velký rozdíl mezi použitými teoriemi.
5. Větší rozdíly nastávají pro R → 1. V tomto případě je možno konzervativně zvolit mez
kluzu Sy jako mezní hodnotu.
Vliv středního napětí
Haighův diagram
σa
Re
σa,ekv
-σm
+σm
Re
0
Re
Rm
Goodmanův diagram
převzato z:
Porovnání koncepcí – implementace v Ansysu
Workbench
Faktory ovlivňující mez únavy
Faktory ovlivňující hodnotu meze únavy
1. Velikost
2. Typ zatížení
3. Kvalita povrchu
4. Zpracování povrchu součásti
5. Teplota
6. Prostředí
Se = Se′ ⋅ Cvelikost ⋅ Czatížení ⋅ Ckval . pov. ⋅ Czprac. pov. ⋅ Cteplota ⋅ C prostředí
1. Vliv velikosti
Cvelikost
1.0
pro d ≤ 8 mm

=
−0.097
1.189
d
pro 8 mm ≤ d ≤ 250 mm

kde d je průměr součásti
2. Vliv zatížení
Se ( osové zať .) ≈ 0.7 Se ( ohyb )
τ e ( krut ) ≈ 0.577 Se ( ohyb )
3. Vliv kvality povrchu
3. Vliv kvality povrchu
4. Vliv zpracování povrchu
a) Reziduální napětí
b) Pokovení povrchu
bez pokovení
pokoveno Cr
Ni pokovená
ocel
Při pokovení Cr nebo Ni může dojít ke snížení meze únavy až o 60%, díky značným reziduálním
tahovým napětím na povrchu součásti.
Tomu je možno předejít:
1. Nitridováním povrchu před pokovením
2. Mechanickým zpracováním po pokovení (např. kuličkování, válečkování)
3. Vyžíháním po pokovení
c) Nitridování
d) Oduhličení povrchu
(oduhličeno)
e) Zpracování kováním
f) Broušení (grinding)
g) Válcování
Vliv válcování za studena
g) Mechanické zpracování (kuličkování, válečkování)
g) Mechanické zpracování (kuličkování, válečkování)
5. Vliv teploty
Oceli mají obecně při nižších teplotách vyšší mez únavy. Při
nižších teplotách ovšem také klesá lomová houževnatost.
Při vyšších teplotách ztrácí pojem mez únavy význam díky
aktivizaci dislokací.
Při teplotách vyšších než cca ½ teploty tavení oceli se
dominantním mechanismem poškození stává creep (stresslife přístup nelze použít).
Při vyšších teplotách může také dojít k vyžíhání součásti při
němž může dojít ke ztrátě „pozitivních“ tlakových reziduálních
napětí na povrchu součásti.
6. Vliv prostředí
Použitá literatura
- Bannantine, J.A., Comer, J.J., Handrock, J.L., Fundamentals of metal fatigue analysis, Prentice Hall, New
Jersey, 1990
-Dowling, E. N., Mechanical behavior of materials, Simon & Schuster Comp., New Jersey, 1999
- Norton, R. L., Machine design An integrated approach,
Pearson, New Jersey, 2006
- Marquis, G.B., Fatigue Design - lecture notes. Lappeenranta University of Technology, Finland. (www.lut.fi)
- Růžička, M., Mezní stavy konstrukcí, PowerPointová prezentace, Ústav mechaniky FS ČVUT v Praze.
(www.cvut.cz)
- Kunz, J., Základy lomové mechaniky, skripta ČVUT, 1994
- Vlk, M., Mezní stavy a spolehlivost, skripta VUT, 1991
- http://degradace.tf.czu.cz/
- Ondráček, E., Vrbka, J., Janíček, P., Mechanika těles pružnost a pevnost II, skripta VUT, 1991
- Janíček, P., Ondráček, E., Vrbka, J., Mechanika těles pružnost a pevnost I, skripta VUT, 1992

Úvod do únavového poškozování

Transkript

Podobné dokumenty

I. Do přírody - TechnologyTour.cz

MÉDIÁ A TEXT 3

Skacel, Kuchar, Hlavacek: Analyzy klikovych hrideli

Regulační kulový kohout Typ G

laparoskopie - Medical Equipment sro

Mezní stavy a spolehlivost - Vysoké učení technické v Brně

Korozní praskání

Modelován´ı kontaktn´ıch vazeb bez tren´ı

10 J-integrál

Potápěčské svítilny, světla, lampy

Ceník maloobchod traviny léto 2014: (platí od 16.6.2014)

Dynamická pevnost a životnost Jur IV