Únava materiálu - ipm.cz · o Únavový proces má kumulativní charakter o Poškození roste s po čtem zát ěžných cykl ů o Pro každou amplitudu zatížení σσσσa (stejn

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


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


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


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)


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


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


13

Vliv středního napětíVliv středního napětí


14

Vliv středního napětíVliv středního napětí


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


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


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


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


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


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


26Monotónní a cyklická křivka napětí – deformace oceli 4340

Stádium změn mechanických vlastnostíStádium změn mechanických vlastností


27

Stádium iniciace únavové trhlinyStádium iniciace únavové trhliny


Únavový lom vzniká

vždy od povrchu

součásti / zkušebního tělesa

28



29



30

Persistentní skluzové pásmo (Persistent Slip Bend)Stádium iniciace únavové trhlinyStádium iniciace únavové trhliny


31

Stádium šíření únavových trhlinStádium šíření únavových trhlin


striacestriace

32

striaceStádium šíření únavových trhlinStádium šíření únavových trhlin


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


34

( )( )

struktuře nazávislost =

=

−=

=

Ω

∆

Ω∆

max

min

minmaxI

I

K

KR

KKK

,R,KfdN

da



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


ParisůvParisův--ErdoganůvErdoganův vztahvztah


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


38

Zkušební tělesa Zkušební tělesa -- stanovení křivky rychlosti šíření trhlinystanovení křivky rychlosti šíření trhliny


( )mIKCdNda ∆=

39


-- použití datpoužití dat

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


( )bfm

ma NA

R

−= σ

1σ

41

Vliv vrubu na únavovou životnostVliv vrubu na únavovou životnost


42

Vliv vrubu na únavovou životnostVliv vrubu na únavovou životnost


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


44

Vliv vrubu Vliv vrubu na podmínky na podmínky iniciaceiniciace


45

Vliv vrubu Vliv vrubu na podmínky na podmínky iniciaceiniciace


46

Vliv kvality povrchu na únavovou životnostVliv kvality povrchu na únavovou životnost


47

Vliv mikrostruktury na únavovou životnostVliv mikrostruktury na únavovou životnost


48

Vliv pevnosti na únavovou životnostVliv pevnosti na únavovou životnost


49

Vliv frekvence zatěžování na únavovou životnostVliv frekvence zatěžování na únavovou životnost


50

Vliv prostředí na únavovou životnostVliv prostředí na únavovou životnost


Documents

Únava materiálu - ipm.cz · o Únavový proces má kumulativní charakter o Poškození roste s po čtem zát ěžných cykl ů o Pro každou amplitudu zatížení σσσσa (stejn