Koncepcja krzywej granicznej zmęczenia (HL) została po raz pierwszy zaproponowana przy rozwiązywaniu krzywej granicznej zmęczenia tylnej osi.

10 stycznia 1954 kometa BOAC rozpadła się 7800 metrów nad Elbą we Włoszech.

8 kwietnia kolejna „kometa” BOAC uderzyła w zatokę Neapolitańską we Włoszech, zabijając na pokładzie 21 osób. Jak dotąd wszystkie komety zostały uziemione.

Częsty upadek komet wstrząsnął światem.  

W tym czasie premier Wielkiej Brytanii Winston Churchill polecił nam za wszelką cenę ustalić przyczynę wypadku.

W tym celu marynarka brytyjska wysłała flotę, aby uratować wrak samolotu w pobliżu wyspy Elba z dna morza o głębokości setek metrów i wysłała go do Królewskiego Instytutu Badań Lotniczych w celu zbadania.

Dochodzenie wykazało, że w płucach ofiar katastrofy lotniczej pojawiły się pęknięcia spowodowane rozprężaniem się gazu, co wskazuje, że nagły spadek ciśnienia powietrza w kabinie przed katastrofą doprowadził do gwałtownego rozprężenia się gazu w płucach, co doprowadziło do pęknięcia płuc. Badania na wraku samolotu wykazały, że w niektórych iluminatorach pojawiły się pęknięcia, co jest zgodne z wynikami autopsji.

W tym samym czasie firma de havilan przeprowadziła ścisłą inspekcję na produkowanym i uziemionym samolocie. Test trwał ponad 9000 godzin, a na poszyciu samolotu pojawiły się pęknięcia, podobnie jak pęknięcia na wraku rozbitego samolotu.

Według badań i analiz techników, przyczyną wypadku było „zmęczenie” materiałów metalowych, z których wykonano konstrukcję nadwozia samolotu.

Pod działaniem zmiennego ciśnienia, po pewnym czasie, w obszarze lokalnego dużego naprężenia powstają mikropęknięcia, a następnie mikropęknięcia stopniowo rozszerzają się do pęknięcia.

Awaria zmęczeniowa ma cechy nagłego w czasie, lokalnego w miejscu i wrażliwości na środowisko i defekty, więc nie jest łatwo znaleźć na czas.

Pod wpływem wielokrotnego zwiększania ciśnienia i dekompresji powłoka kwadratowego iluminatora komety odkształca się i pęka, co ostatecznie prowadzi do zmęczenia metalu. Jako pierwszy rodzaj samolotu odrzutowego na świecie „kometa” leci szybciej niż inne odrzutowce i naturalnie wytrzymuje większy nacisk, co ułatwia zmęczenie metalu.

W ten sposób dzięki badaniu wypadku komety narodził się nowy temat – „mechanika zmęczenia”.

Dzisiaj poznamy i zrozumiemy: krzywą zmęczenia i podstawowe właściwości mechaniczne zmęczenia.

Krzywa zmęczenia i krzywa zmęczenia w cyklu symetrycznym

(1) Krzywa zmęczenia i granica zmęczenia

Krzywa zmęczenia: jest to krzywa zależności pomiędzy naprężeniem zmęczeniowym a trwałością zmęczeniową, czyli krzywa SN, która jest podstawą do wyznaczenia granicy zmęczenia i ustalenia kryterium naprężenia zmęczeniowego.

W przypadku materiałów metalowych ze starzeniem się naprężeń, takich jak stal węglowa i żeliwo sferoidalne, gdy poziom naprężeń cyklicznych spada do pewnej wartości krytycznej, sekcja o niskim naprężeniu staje się sekcją poziomą, co wskazuje, że próbka może podlegać nieskończonym cyklom naprężeń bez pęknięć zmęczeniowych. Dlatego odpowiednie naprężenie nazywa się granicą zmęczenia, która jest oznaczona jako σ – 1 (cykl symetryczny, r = – 1).

Jeśli ten rodzaj materiału nie pęka po 107 cyklach naprężeń, można uznać, że nie pęknie, nawet jeśli zostanie poddany nieskończonym cyklom naprężeń, więc 107 cykli jest często używany jako podstawa do określenia granicy zmęczenia.

Inny rodzaj materiałów metalowych, jak stop aluminium i stal nierdzewna, nie ma części poziomej na krzywej SN, ale zwiększa się wraz ze spadkiem naprężeń. W tej chwili naprężenie bez pękania w pewnym cyklu można zdefiniować jedynie jako warunkową granicę zmęczenia lub granicę zmęczenia o skończonej trwałości, zgodnie z wymaganiami eksploatacyjnymi materiałów.

(2) Wyznaczanie krzywej zmęczenia

Ogólnie krzywą zmęczenia mierzy się za pomocą testu zmęczeniowego zginania obrotowego. Zasadę czteropunktowej maszyny testowej do gięcia pokazano na poniższym rysunku.

Część krzywej SN o wysokim naprężeniu (skończona żywotność) została zmierzona metodą testu grupowego, to znaczy przyjęto wyższy poziom naprężenia 3-4, a dane z około 5 próbek zostały zmierzone pod każdym poziomem naprężenia, a następnie dane został przetworzony w celu obliczenia mediany (współczynnik przeżycia 50%) trwałości zmęczeniowej.

Średnią krzywą SN ze współczynnikiem przeżycia 50% można uzyskać, stosując σ – 1 mierzoną metodą rosnąco i malejąco jako najniższy poziom naprężenia krzywej SN i dopasowując ją do wyników zmierzonych metodą badania grupowego w linia prosta lub krzywa.

(3) Granica zmęczenia w różnych stanach naprężeń

Granica zmęczeniowa tego samego materiału jest różna w różnych stanach naprężeń, ale istnieje między nimi pewna zależność.

Wyniki pokazują, że istnieje pewna zależność pomiędzy granicą zmęczenia przy symetrycznym zginaniu a symetrycznym rozciąganiem, ściskaniem i granicą zmęczenia przy skręcaniu.

Jak powstało pojęcie zmęczenia i co trzeba o nim wiedzieć 2

(4) Zależność między granicą zmęczenia a wytrzymałością statyczną

Test pokazuje, że im większa wytrzymałość materiału metalowego na rozciąganie, tym większa granica zmęczenia.

W przypadku stali o średniej i niskiej wytrzymałości istnieje liniowa zależność między granicą zmęczenia a wytrzymałością na rozciąganie.

Gdy σ B jest niskie, można je w przybliżeniu zapisać jako σ – 1 = σ B.

Gdy σ B jest wyższe, zależność prawie liniowa będzie odbiegać, co wynika ze zmniejszenia plastyczności i odporności na pękanie oraz łatwego powstawania i propagacji pęknięć.

Schemat zmęczenia i asymetryczny granica zmęczenia cyklicznego

Wiele części pracuje pod asymetrycznym cyklicznym obciążeniem, dlatego konieczne jest zmierzenie granicy asymetrycznego cyklicznego zmęczenia materiałów, aby spełnić potrzeby projektowania i doboru materiałów takich części.

Granice zmęczenia różnych cykli asymetrycznych są zwykle uzyskiwane z wykresu zmęczenia metodą rysunku technicznego.

Zgodnie z różnymi metodami rysowania istnieją dwa rodzaje wykresów zmęczeniowych

(1) σ a – σ m wykres zmęczeniowy

Jak powstało pojęcie zmęczenia i co trzeba o nim wiedzieć 3

W warunkach różnych współczynników naprężeń R granicę zmęczenia σ r wyrażoną przez σ Max rozkłada się na σ A i σ m, a wykres zmęczenia σ a – σ m uzyskuje się wykonując krzywą ABC w układzie współrzędnych.

(2) σ max (σ min) – wykres zmęczenia σ m

Jak powstało pojęcie zmęczenia i co trzeba o nim wiedzieć 4

Granica zmęczenia przy różnym stosunku naprężeń R jest wyrażona odpowiednio przez σ max (σ min) i σ m w układzie współrzędnych, tworząc wykres zmęczenia.

AHB to granica zmęczenia σ Max przy różnych R.  

Granica zmęczenia wzrasta wraz ze wzrostem średniego naprężenia lub współczynnika naprężenia, ale amplituda naprężenia a maleje.

Odporność na przeciążenie zmęczeniowe

Pierwotna granica zmęczenia materiału może nie ulec zmianie lub zmniejszeniu, gdy części metalowe są czasami poddawane krótkotrwałemu przeciążeniu, które zależy od naprężenia przeciążeniowego materiału i odpowiednich skumulowanych cykli przeciążenia.  

Jeśli metal pracuje przez określoną liczbę cykli na poziomie naprężenia wyższym niż granica zmęczenia, jego granica zmęczenia i trwałość zmęczeniowa zmniejszą się, co spowoduje uszkodzenia spowodowane przeciążeniem.

Zdolność materiału metalowego do przeciwstawiania się uszkodzeniom przeciążeniowym zmęczenia wyrażona jest przez granicę uszkodzeń przeciążeniowych lub obszar uszkodzeń przeciążeniowych.

Granica uszkodzeń spowodowanych przeciążeniem jest określana eksperymentalnie: mierzone są różne poziomy naprężeń przeciążeniowych i odpowiadające im cykle naprężeń, które zaczynają zmniejszać trwałość zmęczeniową i uzyskuje się różne punkty testowe. Granicę uszkodzenia przeciążeniowego uzyskuje się łącząc każdy punkt. Te dwa pytania nie są korzystne

Obszar linii cienia między granicą uszkodzenia przeciążeniowego a prostym odcinkiem obszaru wysokich naprężeń krzywej zmęczeniowej (cykl naprężeń pęknięcia zmęczeniowego pod każdym poziomem naprężenia tego odcinka nazywany jest wartością wytrzymałości przeciążeniowej) nazywany jest obszarem uszkodzenia przeciążeniowego .

Gdy części są przeciążone w tym obszarze, granica zmęczenia materiału zostanie zmniejszona w różnym stopniu, a im bardziej granica zmęczenia zostanie zmniejszona w pobliżu wartości wytrzymałości.

Im bardziej stroma jest granica uszkodzenia przeciążeniowego (lub wartość wytrzymałości przeciążeniowej) i im węższy obszar uszkodzenia, tym większa jest zdolność przeciwstawiania się przeciążeniom zmęczeniowym.

Czułość na karb zmęczeniowy

Ze względu na potrzebę użytkowania części często mają stopnie, narożniki, rowki wpustowe, otwory olejowe, gwinty i tak dalej. Struktury te są podobne do efektu karbu, który zmienia stan naprężeń i powoduje koncentrację naprężeń.

Dlatego ważne jest, aby zrozumieć wpływ koncentracji stresu spowodowanego nacięciem na granicę zmęczenia.

Istnieją dwa skrajne przypadki oceny materiałów pod kątem wrażliwości na karb zmęczeniowy

(a) KF = KT, to znaczy rozkład naprężeń próbki z karbem jest dokładnie taki sam jak w stanie sprężystym i nie ma redystrybucji naprężeń. W tym czasie karb najpoważniej zmniejsza granicę zmęczenia, a czułość karbu zmęczeniowego QF = 1, a wrażliwość karbu materiału jest największa.

(b) KF = 1, σ – 1 = σ – 1n, karb nie zmniejsza granicy zmęczenia, co wskazuje, że naprężenie ma dużą redystrybucję w procesie zmęczenia, efekt koncentracji naprężeń jest całkowicie wyeliminowany, QF = 0, czułość na karb materiału jest najmniejsza.

Dlatego wartość QF może odzwierciedlać zdolność materiału do redystrybucji naprężeń i zmniejszania koncentracji naprężeń podczas zmęczenia.

Zmęczenie wysokocyklowe: większość metali jest bardzo wrażliwa na nacięcia; uszy są złamane

W zmęczeniu niskocyklowym większość metali nie jest wrażliwa na karb, ponieważ obszar nasady karbowania tego ostatniego znajduje się w strefie plastycznej, co powoduje relaksację naprężeń i redukcję koncentracji naprężeń.