Bewertung der Bauteillebensdauer - So lesen Sie eine Wöhlerkurve richtig

Komponenty pękają pod wpływem określonych obciążeń. Dla inżynierów głębokie zrozumienie zależności między materiałem, geometrią, procesem produkcyjnym i oczekiwanym naprężeniem ma zatem fundamentalne znaczenie. Materiały metalowe pękają w wyniku tak zwanego pęknięcia wymuszonego lub zmęczeniowego. Aby zapewnić, że maszyny, pojazdy lub inne systemy techniczne mogą być bezpiecznie obsługiwane bez szkody dla ludzi i aby uniknąć nieprzewidzianych przestojów, a tym samym kosztów, projektanci i inżynierowie produkcji muszą znać zależności między naprężeniem a zmęczeniem materiału.

Pęknięcie wymuszone jest bardzo łatwe do wyjaśnienia. Jeśli naprężenie przekracza wytrzymałość materiału jednorazowo lub po zaledwie kilku cyklach obciążenia, a komponent pęka, jest to znane jako pęknięcie wymuszone.

Zmęczenie materiału lub pęknięcie zmęczeniowe można podzielić na trzy fazy:

1. Powstawanie pęknięć lub inicjacja pęknięć
   Pierwsze odkształcenia plastyczne występują na poziomie kryształów w punkcie największego lokalnego naprężenia, zwykle na powierzchni elementu. Powoduje to przesuwanie się płaszczyzn krystalicznych względem siebie i powstanie pierwszego pęknięcia lub miejsca, z którego pęknięcie może następnie rosnąć.
2. Stabilna propagacja pęknięć lub stabilny wzrost pęknięć
   Po utworzeniu pęknięcia, rośnie ono z każdą amplitudą obciążenia. Pęknięcie rośnie w przekroju poprzecznym elementu. Wygląda to na drobną strukturę we wzorze pęknięcia.
3. Pęknięcie resztkowe
   Jeśli pęknięcie jest zbyt duże, "nośny" obszar przekroju poprzecznego elementu został zmniejszony. Jeśli obszar ten jest zbyt mały, następuje nagłe pęknięcie wymuszone i element pęka całkowicie. Obszar materiału można również wyraźnie zidentyfikować we wzorze pęknięcia jako szorstką powierzchnię wymuszonego pęknięcia.

Dowód wytrzymałości zmęczeniowej

Jeśli element jest projektowany mechanicznie, konieczne jest zajęcie się kwestią weryfikacji wytrzymałości zmęczeniowej. Celem jest jak najdokładniejsze przewidzenie żywotności komponentu. W tym celu dostępnych jest wiele różnych narzędzi i metod, przy czym należy wziąć pod uwagę pewne warunki ramowe. Na przykład należy wziąć pod uwagę zastosowany materiał, geometrię komponentu i proces obróbki.

Ponadto elementarne znaczenie ma oczywiście obciążenie elementu. Jeśli jest to obciążenie skrętne w rzeczywistej pracy, nie ma sensu przeprowadzać szacowania żywotności na podstawie projektu dla obciążenia rozciągająco-ściskającego. Ocena wytrzymałości zmęczeniowej lub analiza wytrzymałości zmęczeniowej jest sercem weryfikacji wytrzymałości zmęczeniowej. Jest to eksperymentalna podstawa do oszacowania i stanowi podstawę dla wszystkich dalszych analiz.

Jeśli element jest obciążany dynamicznie, poddawany jest zdefiniowanemu obciążeniu cyklicznemu. Z reguły obciążenie jest regularne i równomierne. Oznacza to, że poszczególne cykle obciążenia są tej samej długości i mają te same wartości amplitudy (obciążenie o stałej amplitudzie). Oczywiście możliwy jest również bardziej złożony test, ale nie będzie on tutaj dalej omawiany.

Krzywa Wöhlera

Wynikiem analizy wytrzymałości zmęczeniowej jest zazwyczaj tak zwana krzywa Wöhlera lub linia Wöhlera. Pokazuje ona zależność między oczekiwaną liczbą cykli obciążenia (liczba cykli N) a dopuszczalnym obciążeniem (stała amplituda obciążenia_sa).

August Wöhler (urodzony w 1819 r. w Soltau, niecałe 50 km od obecnej siedziby ECOROLL AG w Celle) był inżynierem kolejnictwa. Odkrył, że wiele linii kolejowych uległo awarii, mimo że dopuszczalne naprężenie materiału nie zostało przekroczone. W tamtym czasie komponenty były nadal projektowane z wykorzystaniem wytrzymałości statycznej. Zgodnie z jego obserwacjami, im większa liczba cykli obciążenia, tym mniejsze naprężenie może wytrzymać element. W oparciu o jego obserwacje, wynik analizy wytrzymałości zmęczeniowej jest do dziś wykreślany w postaci krzywej Wöhlera lub linii Wöhlera.

Krzywa Wöhlera pokazuje liczbę cykli N osiągniętych na osi X i naprężenie obciążenia, przy którym element uległ uszkodzeniu na osi Y. Jeśli wykreślisz dużą liczbę testów z odpowiednimi wynikami pęknięć, otrzymasz trzyczęściową krzywą (rys. 1). Przy niskiej liczbie cykli krzywa jest początkowo bardzo płaska, a następnie spada wraz ze wzrostem liczby cykli. Pod koniec tego drugiego obszaru krzywa ponownie zbliża się do stałej wartości. Ponieważ zachowanie zmęczeniowe jest zależnością nieproporcjonalną, krzywa Wöhlera jest zwykle przedstawiana jako podwójna krzywa logarytmiczna.

Trzy sekcje linii Wöhler można podzielić na trzy obszary:

1. Wytrzymałość krótkotrwała (do ok. 10³...¹⁰⁴ cykli obciążenia)
2. Wytrzymałość zmęczeniowa (do ok.¹⁰⁶..^.107 cykli obciążenia)
3. Wytrzymałość zmęczeniowa

W obszarze wytrzymałości krótkotrwałej obciążenia są tak duże, że wytrzymałość jest silnie uzależniona od wartości charakterystyki statycznej. Dlatego też zakres ten jest odpowiednio płaski i charakteryzuje się prawie stałą krzywą.

W zakresie wytrzymałości zmęczeniowej widoczny jest nieproporcjonalny związek ze stałą C (bez znaczenia fizycznego) i nachyleniem prostej k Wöhlera.

Wartość k dostarcza już informacji o tym, jak silne jest zachowanie zmęczeniowe elementu. Wartość tę można wykorzystać do porównania różnych krzywych Wöhlera. Im wyższa wartość k, tym większy spadek wytrzymałości przy dużej liczbie cykli.

Wyidealizowany punkt załamania może być pokazany na końcu krzywej S-N. Ten punkt załamania stanowi przejście do zakresu wytrzymałości zmęczeniowej. Od naprężenia _sD w tym punkcie, komponent może być teoretycznie obciążany przez dowolnie długi czas; nigdy się nie złamie.

Jeśli spojrzysz na krzywą Wöhlera, często znajdziesz reprezentację pokazaną na rysunku 2. Ważne jest jednak, aby zdać sobie sprawę, że pokazana linia nie stanowi wyraźnego podziału. Nie wszystkie kombinacje powyżej linii oznaczają "przerwę" i nie wszystkie kombinacje poniżej oznaczają "brak przerwy".

Linia Wöhlera jest wynikiem analizy statystycznej. Zasadniczo za każdym punktem na linii znajduje się histogram o rozkładzie gaussowskim. Oznacza to, że pewien procent komponentów pracujących przy tym napięciu ulega uszkodzeniu w czasie krótszym niż wyświetlana liczba cykli. Reszta przetrwa tę liczbę cykli obciążenia i ulegnie uszkodzeniu w późniejszym czasie. Jest to pokazane na rysunku 3. Często używana jest tutaj krzywa Wöhlera 10% lub krzywa Wöhlera 50%.

Wymagania dotyczące pracy z krzywą Wöhlera

Każdy, kto pracuje z krzywą Wöhlera, musi spełnić lub przestrzegać kilku podstawowych wymagań:

• Krzywa Wöhlera ma zastosowanie wyłącznie do określonego elementu. Geometria i materiał muszą być takie same. Jeśli, na przykład, zmieni się tylko jeden promień karbu, krzywa Wöhlera nie może być już używana do weryfikacji wytrzymałości zmęczeniowej bez dalszych ceregieli.
• Krzywą Wöhlera można podsumować tylko te komponenty, które zostały poddane temu samemu wariantowi produkcji. Wynika to z faktu, że procesy produkcyjne mają również wpływ na właściwości mechaniczne.
• Krzywa Wöhlera jest również ważna tylko dla określonego obciążenia, tj. dla jednego stosunku naprężeń i jednego rodzaju obciążenia.
• Krzywa Wöhlera nie jest linią binarną, lecz wynikiem oceny statycznej. Podczas projektowania komponentu należy zatem zawsze brać pod uwagę pewien współczynnik bezpieczeństwa.

Wpływ właściwości powierzchni i strefy krawędzi na krzywą Wöhlera

Na kształt krzywej S-N dla komponentu mogą mieć wpływ różne parametry. Wpływ wielkości próbki lub geometrii jest łatwy do zrozumienia. Jeśli element jest grubszy, może wytrzymać większe obciążenie. A jeśli w komponencie zostaną wykonane nacięcia, żywotność zostanie zmniejszona z powodu nadmiernego naprężenia w podstawie nacięcia.

Mniej zrozumiały jest wpływ tak zwanych właściwości powierzchni i strefy krawędziowej. Na właściwości te znaczący wpływ ma proces produkcji i są one obecne dokładnie tam, gdzie występują największe naprężenia, a mianowicie na powierzchni.

W szczególności właściwości strefy krawędziowej są coraz częściej wykorzystywane w procesach projektowania w celu dalszego zwiększenia gęstości mocy komponentów. Ważnymi właściwościami w tym kontekście są obecność szczątkowych naprężeń ściskających i wzrost twardości warstwy powierzchniowej.

Specjalne procesy produkcyjne, takie jak walcowanie gładkie lub głębokie, mogą mieć pozytywny wpływ na właściwości komponentów po obróbce skrawaniem. W procesie tym walec lub kula toczna są dociskane do powierzchni z określoną siłą. Powoduje to miejscowe odkształcenie plastyczne w obszarze krawędzi. Z jednej strony, powierzchnia jest wygładzana, z drugiej strony, wprowadzane są głęboko zakorzenione szczątkowe naprężenia ściskające, a twardość jest zwiększana poprzez hartowanie robocze.

W odniesieniu do krzywej Wöhlera, gładka powierzchnia generalnie zwiększa żywotność i przesuwa krzywą Wöhlera w kierunku wyższych naprężeń obciążeniowych. Doliny chropowatości na powierzchni działają jak mikrowgłębienia pod obciążeniem. Prowadzi to do lokalnego wzrostu naprężeń. Jeśli karb jest zbyt duży, tj. chropowatość jest zbyt wysoka, mikro-karb jest punktem początkowym pęknięcia, od którego następnie postępuje zmęczenie. Wygładzenie szczytów chropowatości może zatem prowadzić do znacznego wzrostu wytrzymałości zmęczeniowej.

Jednak obecność szczątkowych naprężeń ściskających ma pozytywny wpływ na nachylenie krzywej S-N i wytrzymałość zmęczeniową _sD. Jeśli porównasz próbkę toczoną klasycznie z próbką walcowaną na twardo, zauważysz, że wytrzymałość zmęczeniowa jest znacznie przesunięta w górę. Z drugiej strony, krzywa jest bardziej płaska. Głębokie walcowanie nie ma jednak wpływu na wytrzymałość statyczną, tj. obszar wytrzymałości krótkotrwałej. W tym przypadku obie linie są prawie zgodne, nawet jeśli analiza statystyczna czasami sprawia wrażenie, że wytrzymałość krótkotrwała próbek głęboko walcowanych jest niska (rys. 4).