Únava materiálu - ipm.cz · o Únavový proces má kumulativní charakter o poškození roste s...
TRANSCRIPT
1
Únava materiáluÚnava materiálu
1)1) ÚvodÚvod
2)2) Základní charakteristiky Základní charakteristiky únavového zatěžováníúnavového zatěžování
3)3) Křivka únavového životaKřivka únavového života
4)4) Etapy únavového životaEtapy únavového života
5)5) Klí čové vlivy na únavový životKlí čové vlivy na únavový život
2
1828 W.A.J. Albert 1828 W.A.J. Albert -- řřetetěězy tzy těžěžnníích vch věžěžíí ((cyklickcyklickéézatzatěžěžovováánníí) N) Něěmeckomecko
1839 poprv1839 poprvéé se objevuje termse objevuje termíín n „ú„únavanava““ v knize o v knize o mechanice od J.V. mechanice od J.V. PonceletPoncelet-- FrancieFrancie
1850 1850 AugustAugustíínn WWööhlerhler –– úúnavovnavováá žživotnostivotnost Gerber, Gerber, GoodmanGoodman–– vliv stvliv střřednedníího napho napěěttíí 1945 1945 MinerMiner –– teorie lineteorie lineáárnrníí kumulace pokumulace pošškozenkozeníí
(1968 (1968 EndoEndo–– teorie stteorie stéékajkajííccíího deho deššttěě) ) 1950 studium fyzik1950 studium fyzikáálnlníí podstaty vzniku podstaty vzniku úúnavovnavovéého ho
poruporuššeneníí
Degradace vlastností materiálu za provozu
3
HladkHladkáá sousouččáástst (bezpe(bezpeččný ný žživot / ivot / safe livesafe live))
MM ěěkkkkéé zatzatěžěžovováánníí TvrdTvrd éé zatzatěžěžovováánníívysokocyklovvysokocyklováá úúnavanava nníízkocyklovzkocyklováá úúnavanavaWWööhlerhler, , BasqinBasqin MansonManson, , CoffinCoffin-- žželeznice, auto, eleznice, auto, -- tlakovtlakováá nnáádoba,doba,podvozek letadla ropodvozek letadla rotor turbinytor turbiny
SouSouččáást s trhlinoust s trhlinou (bezpe(bezpeččný lom / ný lom / failure safefailure safe))ParisParisůův vztah; podmv vztah; podmíínky nky šíšířřeneníí úúnavovnavovéé trhliny; mtrhliny; m ěěkkkkéé
zatzatěžěžovováánníí (drak letadla, most)(drak letadla, most)
Tři oblasti únavy
4
napětí
napětí rozkmit napětí maximální
napětí napětí střední
min
max
a
ílnimámin
amplitudam
=====
σ
σσ
σσ
∆
Základní charakteristiky cyklického zatěžování
5
am σσ <
am σσ ≥
Zátěžný cyklus
střídavý
pulzující
σσσσm = 0 souměrný (symetrický)
||||σσσσm|||| ≠ 0 nesouměrný
σσσσm = σσσσa míjivý
||||σσσσmmmm|||| >>>> σσσσa pulzující
Základní charakteristiky cyklického zatěžování
6
Popis cyklu na základě součinitele (parametru) asymetrie cyklu
míjivý 0 R
pulzující číslo kladnéR
střídavý číslo záporné R
zatížení statické 1R
⇒=⇒=⇒=
==max
minRσ
σ
Napěťový součinitel Napěťový součinitel RR
Základní charakteristiky cyklického zatěžování
7
míjivý) ( pulzující 1 P
střídavý 1 P
podle znaménko má P
zatížení statické 0P
m
=⇒≤
⇒>
==
σ
σ
σ
m
aP
Popis cyklu na základě součinitele (parametru) asymetrie cyklu
Základní charakteristiky cyklického zatěžování
Amplitudový součinitel Amplitudový součinitel PP
8
oo Únavový proces má kumulativní charakterÚnavový proces má kumulativní charakter
oo Poškození roste s počtem zátěžných cyklůPoškození roste s počtem zátěžných cyklů
oo Pro každou amplitudu zatížení Pro každou amplitudu zatížení σσσσσσσσaa (stejn(stejnááfrekvence, teplota, rozmfrekvence, teplota, rozměěry try těělesa) existuje lesa) existuje ururččitý poitý poččet cyklet cyklůů NNff do porudo poruššeneníí
oo ZZáávislost amplituda napvislost amplituda napěěttíí ∼∼ popoččet cyklet cyklůů do do poruporuššeneníí (S(S--N N kkřřivka)ivka)
Základní charakteristiky cyklického zatěžování
Křivka únavového životaKřivka únavového života
9
( ) mc
f
f
R
NMg
N
S
5,03,0
10slitiny
10.5slitiny Al
únavy mez mluvní
8
8
≈=
=
=
σ
Křivka únavového životaLo
gLo
gσσ
aa(S
)(S
)
LogLog NN
10
oo bod A bod A -- amplituda odpovídá hodnotě meze amplituda odpovídá hodnotě meze pevnosti pevnosti RRmm -- k lomu dojde v prvním, k lomu dojde v prvním, případně po několika málo cyklechpřípadně po několika málo cyklech
oo lom, který vznikne nemá charakter únavového lom, který vznikne nemá charakter únavového lomu lomu –– proto označení proto označení kvazistatickýkvazistatickýlom. lom.
oo v případě míjivého zatěžovacího cyklu dochází v případě míjivého zatěžovacího cyklu dochází k cyklickému tečení (creepu)k cyklickému tečení (creepu)..
oblast A oblast A -- BB
Křivka únavového života
11
oo oblast NCÚ oblast NCÚ –– namáhání napětími většími než namáhání napětími většími než mez kluzu, mez kluzu, servohydraulickéservohydraulickézkušební stroje, zkušební stroje, cyklická cyklická hysterezníhystereznísmyčka, vliv vrubůsmyčka, vliv vrubů
oo MansonManson--CoffinCoffin LowLow--CycleCycle--FatigueFatiguerelationshiprelationshipMansonovaMansonova–– CoffinovaCoffinovazávislost pro NCÚ:závislost pro NCÚ:
( )
životnosti únavovéexponent c
tažnostiúnavové součinitel
≡
≡
=
,f
cf
,fa N
pl
ε
2εε
oblast B oblast B -- CC
Křivka únavového života
12
oo Oblast VCÚ Oblast VCÚ –– namáhání napětími menšími namáhání napětími menšími než mez kluzu, oceli než mez kluzu, oceli –– časová mez únavy, mez časová mez únavy, mez únavy (asi 1/3 až 1/2 meze pevnosti u ocelí), únavy (asi 1/3 až 1/2 meze pevnosti u ocelí), neželezné kovy smluvní neželezné kovy smluvní --mez únavymez únavy
oo Pro souměrný cyklus Pro souměrný cyklus
( ) BASQIN N bffar ......2,σσ =
( ) WOHLER NA Bfar ..........=σ
,fσ ⇒ součinitel únavové pevnosti
b ⇒ exponent únavové životnosti
oblast Coblast C
Křivka únavového života
15
1 1
Gerber Goodman 2
=
+=+
m
m
ar
a
m
m
ar
a
RRσ
σσσ
σσ
ma σσ ,
arσ
mR
⇒⇒⇒⇒ amplituda a střední napětí obecného cyklu
⇒⇒⇒⇒ amplituda souměrného cyklu, při kterém dojde k porušení po stejném počtu cyklů, jako v případě s amplitudou σa a středním napětím σm
⇒⇒⇒⇒ mez pevnosti
Vliv středního napětí na únavovou životnostVliv středního napětí na únavovou životnost
Křivka únavového života
16
( )bfm
ma NA
R
−= σ
1σ
Vliv středního napětí na únavovou životnostVliv středního napětí na únavovou životnost
Systém SSystém S--N křivek obecného tvaruN křivek obecného tvaru
Křivka únavového života
17
Vliv:Vliv:
vrubuvrubu
kvality povrchu (zpevnění, povlaky apod.)kvality povrchu (zpevnění, povlaky apod.)
frekvence zatěžovánífrekvence zatěžování
prostředí (koroze, zavíraní trhliny)prostředí (koroze, zavíraní trhliny)
pevnostipevnosti
mikrostruktury a zbytkových napětímikrostruktury a zbytkových napětí
teplotyteploty
Křivka únavového života
18
Reálná konstrukce Reálná konstrukce -- zdroje cyklického zatěžování zdroje cyklického zatěžování -- změna amplitudy zatěžovánízměna amplitudy zatěžování
Kumulace poškození
Čep řízení motorového vozidla
19
Reálná konstrukce Reálná konstrukce -- zdroje cyklického zatěžování zdroje cyklického zatěžování -- změna amplitudy zatěžovánízměna amplitudy zatěžování
Kumulace poškození
Závěs křídla letadla během provozu
20
vliv cyklování různou amplitudou napětí (MINER)vliv cyklování různou amplitudou napětí (MINER)
teorie lineární kumulace poškození teorie lineární kumulace poškození –– při každém cyklu při každém cyklu nastane jisté, vždy stejné poškození, které se během nastane jisté, vždy stejné poškození, které se během cyklování sčítá (hromadí);cyklování sčítá (hromadí);
Při amplitudě Při amplitudě σa dojde k porušení po dojde k porušení po Nf cyklechcyklech1. cyklus…………. poškození je n1. cyklus…………. poškození je n11//NNff (poměrné poškození)(poměrné poškození)
2. cyklus…………. poškození je n2. cyklus…………. poškození je n22//NNff
ii -- týtý cyklus……….. poškození je ncyklus……….. poškození je nii//NNff
NNff --týtý cyklus…….... poškození je cyklus…….... poškození je nnff//NNff =1 =1
Kumulace poškozeníReálná konstrukce Reálná konstrukce -- zdroje cyklického zatěžování zdroje cyklického zatěžování -- změna amplitudy zatěžovánízměna amplitudy zatěžování
21
držísoučást vy které bloků,zátěžných počet
)(blok Zátěžný
jestliže dojde,lomu K
⇒
++=
==++ ∑=
B
N
n
N
n
N
nB
,N;n,N;n,Nn
N
n........
N
n
N
n
fff
fff
k
jjf
j
ff
33
22
11
33
22
11
122
11
1
1
Kumulace poškozeníPalmgrenovaPalmgrenova-- MinerovaMinerovahypotézahypotéza
22
Zatěžování probíhá v nepravidelných cyklechZatěžování probíhá v nepravidelných cyklech
(teorie pagod) = co je a c(teorie pagod) = co je a coo není zátěžný cyklusnení zátěžný cyklus
Teorie stékajícího deště (Teorie stékajícího deště (EndoEndo1968)1968)Kumulace poškození
23
Teorie stékajícího deště (Teorie stékajícího deště (EndoEndo1968)1968)
ASTM E 1049 – kovy; ASTM D671 - plasty
Kumulace poškození
24
1)1) Stádium změn mechanických vlastnostíStádium změn mechanických vlastností
2)2) Stádium iniciace únavových trhlinStádium iniciace únavových trhlin
3)3) Stádium šíření únavové trhlinyStádium šíření únavové trhliny
Etapy únavového života
25
Stádium změn mechanických vlastnostíStádium změn mechanických vlastností
a) materiál cyklicky zpevňujea) materiál cyklicky zpevňuje b) materiál cyklicky změkčujeb) materiál cyklicky změkčuje
Etapy únavového života
26Monotónní a cyklická křivka napětí – deformace oceli 4340
Stádium změn mechanických vlastnostíStádium změn mechanických vlastností
Etapy únavového života
27
Stádium iniciace únavové trhlinyStádium iniciace únavové trhliny
Etapy únavového života
Únavový lom vzniká
vždy od povrchu
součásti / zkušebního tělesa
30
Persistentní skluzové pásmo (Persistent Slip Bend)Stádium iniciace únavové trhlinyStádium iniciace únavové trhliny
Etapy únavového života
31
Stádium šíření únavových trhlinStádium šíření únavových trhlin
Etapy únavového života
striacestriace
33
1)1) Stádium změn mechanických vlastnostíStádium změn mechanických vlastností
2)2) Stádium iniciace únavových trhlinStádium iniciace únavových trhlin
3)3) Stádium šíření únavové trhlinyStádium šíření únavové trhliny
Etapy únavového života
34
( )( )
struktuře nazávislost =
=
−=
=
Ω
∆
Ω∆
max
min
minmaxI
I
K
KR
KKK
,R,KfdN
da
Stádium šíření únavových trhlinStádium šíření únavových trhlin
Etapy únavového života
35
( )
( )
( ) Ic
mI
a
am
a
mI
mI
KKR
KC
dN
da
aW
aYC
daN
KC
dadN
KCdN
da
∆∆
∆
∆
−−=
=⇒=
=
∫
1
πσ
2
2
1
2
vztahFormanův
Stádium šíření únavových trhlinStádium šíření únavových trhlin
ParisůvParisův--ErdoganůvErdoganův vztahvztah
Etapy únavového života
36
Zkušební tělesa Zkušební tělesa -- stanovení křivky únavového životastanovení křivky únavového života
Základní únavové zkoušky
( )bfm
ma NA
R
−=σ
1σ
37
Elektromagnetické a mechanické buzeníElektromagnetické a mechanické buzení
Základní únavové zkoušky
38
Zkušební tělesa Zkušební tělesa -- stanovení křivky rychlosti šíření trhlinystanovení křivky rychlosti šíření trhliny
Základní únavové zkoušky
( )mIKCdNda ∆=
40
Vliv:Vliv:
vrubuvrubu
kvality povrchu (zpevnění, povlaky)kvality povrchu (zpevnění, povlaky)
frekvence zatěžovánífrekvence zatěžování
prostředí (koroze, zavírání trhliny)prostředí (koroze, zavírání trhliny)
pevnostipevnosti
mikrostruktury a zbytkových napětímikrostruktury a zbytkových napětí
Křivka únavového života
( )bfm
ma NA
R
−= σ
1σ
43
( )a
e
a
yf
SS
δx0σk
σ=<<
=intervalu v hodnota střední
Vliv vrubu na únavovou životnost Vliv vrubu na únavovou životnost –– podmínky podmínky iniciaceiniciace
Křivka únavového života
46
Vliv kvality povrchu na únavovou životnostVliv kvality povrchu na únavovou životnost
Křivka únavového života
47
Vliv mikrostruktury na únavovou životnostVliv mikrostruktury na únavovou životnost
Křivka únavového života
49
Vliv frekvence zatěžování na únavovou životnostVliv frekvence zatěžování na únavovou životnost
Křivka únavového života