Заморна чврстоћа и замор материјала – граница замора, Велерова крива и број циклуса

Замор материјала је процес постепеног развоја и формирања оштећења под утицајем поновљених или променљивих оптерећења. Може довести до пуцања и евентуалног отказа компоненте чак и када су максимални напони током рада нижи од затезна чврстоћа Rmа у многим случајевима и ниже од граница течења Re луб РпКСНУМКС.
Чврстоћа на замор описује отпорност материјала на циклично оптерећење. Анализа замора користи, између осталог, број циклуса до отказа N и амплитуду напона σ_a, средњи напон σ_m и криве замора, укључујући Велерова крива SN.
Замор је од великог значаја у пројектовању вратила, осовина, зупчаника, опруга, компоненти возила, челичних конструкција, машина, турбина, компоненти авиона и свих делова који су изложени поновљеним променама оптерећења.

Шта је замор материјала?

Умор је механизам оштећења повезан са циклично дејство напрезања или деформација.
Током једног циклуса, оптерећење може бити прениско да би изазвало тренутни лом материјала. Међутим, поновљени циклуси могу довести до настанка микропукотина, њиховог постепеног развоја и евентуалног лома компоненте.
Процес замора може се поједноставити на:

иницијација пукотина,
ширење пукотина од замора,
коначно насилно уништење преосталог попречног пресека.

Зашто би материјал могао да се сломи испод границе течења?

Статично механичка својства, као што су Rm, Re и Rp0,2, не описују у потпуности понашање материјала под утицајем милиона поновљених оптерећења.
Локални напони могу бити концентрисани у малим деловима материјала, посебно у близини:

зарези,
рупе,
нити,
жлебови за кључеве,
завари,
промене у попречном пресеку,
површински дефекти,
инклузије и друге дисконтинуитете.

На таквим местима могу се јавити локални процеси који доводе до настанка пукотина, чак и ако је номинални напон целог елемента много нижи од Rm.

Шта је циклус замора?

Циклус замора значи потпуну промену оптерећења или напрезања дуж одређене стазе.
Напетост може да варира између:

σ_Мак – максимални стрес,
σ_минута – минимални стрес.

На основу њих могу се одредити основни параметри циклуса оптерећења.

Амплитуда напона σa

Амплитуда напона дефинише половину опсега промена напона:
σ_a = (σ_Мак – σ_минута) / 2
Што је већа амплитуда напона, обично је потребно мање циклуса да би се постигао заморни лом, уз остале непромењене услове.

Средњи напон σm

Просечно циклично напрезање се израчунава помоћу формуле:
σ_m = (σ_Мак +σ_минута) / 2
Средњи напон има значајан утицај на век трајања до замора.
Позитиван средњи затезни напон обично има мање повољан ефекат на век трајања до замора него одговарајући средњи компресивни напон.

Коефицијент асиметрије циклуса R

Следећи коефицијент се такође користи за описивање циклуса:
R = σ_минута / σ_Мак
На пример, за потпуно реверзибилно оптерећење:
σ_минута = -σ_Мак
Дакле:
R = -1
За пулсирајући циклус од нуле до максималног затезног напона:
σ_минута = КСНУМКС
Дакле:
Р = 0
Вредност R треба навести приликом упоређивања резултата теста замора јер промена природе циклуса може значајно утицати на резултат.

Шта је век трајања од замора N?

Животни век од замора N значи број циклуса оптерећења које материјал или компонента издржи пре него што се појави одређени критеријум отказа.
Ово би могло бити, на пример:

потпуни прелом узорка,
формирање пукотине одређене дужине,
постизање другог критеријума наведеног у методи испитивања.

Стога је, приликом одређивања N, важно знати који је критеријум за завршетак тестирања коришћен.

Шта је заморна чврстоћа?

Заморна чврстоћа дефинише ниво напрезања повезан са специфичним веком трајања до замора под утврђеним условима испитивања.
Стога, то није једна универзална вредност карактеристична за материјал без обзира на број циклуса и услове оптерећења.
На пример, можете одредити чврстоћу на замор која одговара:
Н = КСНУМКС⁶ циклуси
или други фиксни број циклуса.

Која је граница замора?

Граница умора је концепт који се користи за материјале који, под специфичним условима оптерећења, показују ниво напрезања испод којег, са повећањем броја циклуса, се не примећује разарање унутар претпостављеног опсега испитивања.
Изражена граница замора је карактеристична за многе челике, али Не показују сви метали и легуре праву хоризонталну границу на SN кривој.
За материјале који не показују јасну границу замора, чврстоћа на замор се обично даје за одређени број циклуса.

Велерова крива SN

Један од основних начина представљања својстава замора је Велерова крива, такође названа крива СН.
кревет:

S односи се на напетост,
N значи број циклуса до уништења.

Крива приказује везу између нивоа цикличног оптерећења и броја циклуса које је узорак издржао.
Општи однос је следећи:

већи напон → мањи број циклуса до отказа,
мање стреса → више циклуса до отказа.

Број циклуса N се често представља на логаритамској оси.

Како се формира Велерова крива?

Да би се одредила SN крива, серија узорака се тестира на различитим нивоима цикличног оптерећења.
За сваки узорак се бележи број циклуса до отказа или до достизања одређеног критеријума.
На основу резултата, добија се веза између стреса и животног века од замора.
Тестови замора показују природно статистичка дисперзија, стога, поуздана карактеризација замора захтева одговарајући број резултата и одговарајућу статистичку анализу.

Високоциклични замор HCF

HCF – Замор услед високог циклуса значи замор од високог циклуса.
У овом опсегу, обично доминирају мале еластичне деформације, а трајност може бити стотине хиљада, милиона или више циклуса.
Односи између напона и броја циклуса, тј. SN криве, често се користе за описивање HCF-а.
Не постоји један строги број циклуса који представља универзалну границу између HCF и LCF за све материјале и примене.

Нискоциклични замор (LCF)

LCF – Замор ниског циклуса значи замор при ниском циклусу.
У овом случају, амплитуда оптерећења је већа и може изазвати значајне цикличне пластичне деформације.
За опис LCF-а, односи између деформација и број циклуса.
Замор услед ниског циклуса јавља се, између осталог, код компоненти изложених великим променама оптерећења, циклусима покретања и заустављања и цикличним променама температуре.

HCF и LCF

Карактеристично	ХЦФ	ЛЦФ
Назва	Високоциклични замор	Замор услед ниског циклуса
Доминантне деформације	Углавном еластично	Значајан удео пластичне деформације
Типичан приступ	Напон – број SN циклуса	Број ε-N циклуса деформације
Број циклуса	Већи	Мање

Граница између HCF и LCF је конвенционална и зависи од материјала и усвојене методе анализе.

Баскинова једначина

Унутар специфичног опсега високоцикличног замора, однос између амплитуде напона и броја циклуса може се описати Баскиновом једначином.
Један од често коришћених образаца је:
σ_a = σ'_f(2N_f)^b
где:

σ_a – амплитуда напона,
σ'_f – фактор чврстоће на замор,
N_f – број циклуса до уништења,
b – експонент чврстоће на замор.

Параметри једначине зависе од материјала и услова испитивања.

Кофин-Менсонова једначина

У анализи замора при малим циклусима, веза између амплитуде пластичног напрезања и броја циклуса до отказа је важна.
Може се описати Кофин-Менсоновом једначином:
ε_ap = ε'_f(2N_f)^c
где:

ε_ap – амплитуда пластичне деформације,
ε'_f – коефицијент дуктилности при замору,
N_f – број циклуса до уништења,
c – експонент дуктилности услед замора.

У практичној анализи деформација, узимају се у обзир и еластични и пластични део укупне деформације.

Утицај средњег стреса на умор

Два циклуса са истом амплитудом σ_a може довести до различите трајности ако се разликују по средњем напону σ_m.
Затезни средњи напон обично подстиче раст пукотина и може смањити век трајања до замора.
Разни модели и графикони се користе да би се узео у обзир ефекат средњег напрезања, укључујући:

Гудман,
Гербера,
Содерберг.

Ови модели имају различите претпоставке и обиме применљивости и стога их не треба третирати као еквивалентне један другом.

Концентрација стреса и умор

Умор је посебно осетљив на концентрација стреса.
Геометријски зарези изазивају локално повећање напона у поређењу са номиналном вредношћу.
Типични концентратори укључују:

оштри углови,
рупе,
нити,
жлебови за кључеве,
подрезивања,
изненадне промене пречника,
дефекти заваривања.

Стога, правилно обликовање прелаза, коришћење одговарајућих радијуса и ограничавање оштрих зареза може значајно побољшати век трајања компоненте од замора.

Стање површине и чврстоћа на замор

Заморне пукотине веома често настају на површини елемента, посебно када савијање и увијање.
На трајност може утицати:

храпавост,
машинска обрада огреботина,
огреботине,
корозивне јаме,
површинска декарбуризација,
површински дефекти.

Побољшање квалитета површине може повећати отпорност компоненте на настанак пукотина услед замора.

Заостали напони и замор

Заостали напони могу утицати на век трајања до замора слично као и средњи напон.
Притисни заостали напони на површини може спречити настанак и развој пукотина услед замора.
Из тог разлога се користе технолошки процеси који уводе повољне компресивне напоне, на пример:

лоптање,
ваљање површине,
неки поступци површинске обраде.

Међутим, неповољни заостали напони на затезање могу смањити издржљивост.

Утицај величине елемента

Резултат добијен на малом, глатком лабораторијском узорку не мора нужно одговарати издржљивости великог структурног елемента.
Како се димензије повећавају, између осталог се дешавају следеће промене:

расподела напрезања,
количина материјала изложена дефектима,
утицај производне технологије,
стање површине.

Стога, вредности замора одређене за лабораторијске узорке не треба директно преносити на стварне структуре без одговарајуће анализе.

Утицај корозије на замор

Истовремено дејство цикличних оптерећења и корозивне средине може довести до замор од корозије.
Корозија може изазвати тачкасто угризање и друга површинска оштећења која делују као концентратори напона и олакшавају настанак пукотина.
W корозивна средина отпорност на замор може бити знатно нижа него када се тестира у ваздуху.

Утицај температуре на умор

Температура може променити и механичка својства материјала и механизме одговорне за развој оштећења услед замора.
На високим температурама, умор се може јавити заједно са:

пузећи,
оксидација,
микроструктурне промене.

Под таквим условима, анализа трајности захтева узимање у обзир интеракције различитих механизама оштећења.

Умор од топлоте

Умор од топлоте може настати као резултат поновљених промена температуре које узрокују циклично ширење и скупљање материјала.
Ако је слободна промена димензија ограничена или се унутар компоненте јављају значајни температурни градијенти, настају циклична термичка напрезања.
Овај феномен је важан, између осталог, у:

калупи и алати за врућу обраду,
турбине,
мотори,
измењивачи топлоте,
енергетске инсталације,
елементи који се више пута загревају и хладе.

Контактни замор

Посебан случај је замор од контакта, који се јавља током поновљеног контакта површина које сарађују.
То се, између осталог, тиче:

котрљајући лежајеви, који се користе, између осталог, челици за лежајеве,
зупчаници,
ваљци,
камере,
шине и железнички точкови.

Понављана контактна напрезања могу довести до пукотина и крзања површинских фрагмената, познатих као тачкасто крзање или љуштење.

Распад умора

Површина прелома компоненте оштећене услед замора може да садржи карактеристична подручја која одговарају:

место настанка пукотине,
постепено ширење пукотина,
коначни насилни прелом преосталог попречног пресека.

Макроскопске линије напредовања пукотина могу бити видљиве на површини, често називане линије за одмор или ознаке на плажи.
Микроскопски прегледи се такође могу посматрати трагови замораМеђутим, ове две структуре не треба мешати – оне настају и посматрају се на различитим размерама.

Умор и Рм

Затезна чврстоћа Rm а својства замора су само индиректно повезана.
За одређене групе материјала, емпиријски односи се понекад користе како би се омогућила прелиминарна процена чврстоће на замор на основу Rm.
Међутим, то нису универзалне зависности.
На стварни век трајања до замора снажно утичу геометрија, површина, величина елемента, средњи напон, околина и метод оптерећења.

Умор и тврдоћа

Повећање тврдоћа може, у одређеним применама, повећати отпорност на одређене врсте замора, посебно контактни замор.
Међутим, то не значи да што је већа тврдоћа, то је већи век трајања до замора.
Веома тврд материјал може бити осетљивији на:

зарези,
недостаци,
пукотине,
неповољни заостали напони.

Стога, утицај тврдоће треба анализирати заједно са микроструктуром и условима рада.

Отпорност на замор и лом

Када се пукотина једном појави, њен даљи развој може се анализирати коришћењем метода механика лома.
Фактор интензитета напона K се користи за описивање поља напона близу врха прслине.
У случају ширења заморних пукотина, важан опсег је:
ΔK = K_Мак - К_минута
Брзина раста пукотине може се описати у одређеном опсегу, између осталог, помоћу: Парисов закон.

Парисов закон

Унутар одређеног опсега стабилног раста заморних прслина, важи следећи однос:
da/dN = C(ΔK)^m
где:

da/dN – повећање дужине пукотине по циклусу,
ΔK – опсег фактора интензитета напона,
C њих – константе које зависе од материјала и услова испитивања.

Парисов закон не описује цео процес замора и не треба га директно примењивати ван области за коју је прикладан.

Како се испитује чврстоћа на замор?

Тестови замора могу се извести коришћењем различитих метода оптерећења, укључујући:

продужетак-стискање,
савијање,
ротационо савијање,
увијање,
сложена оптерећења.

Узорак се подвргава више пута променљивом оптерећењу док се не достигне задати критеријум или фиксни број циклуса без квара.
Услови испитивања морају бити пажљиво дефинисани јер резултат зависи од врсте циклуса, фреквенције, окружења, температуре и геометрије узорка.

Стандарди за испитивање замора

Тестови замора су описани у многим стандардима у зависности од врсте материјала, узорка и методе оптерећења.
Пример је норма ИСО КСНУМКС које се тичу испитивања аксијалног замора металних материјала контролисаним силом.
За остале методе испитивања примењују се одговарајући ISO, ASTM или индустријски стандарди.
Када упоређујете резултате, увек проверите метода испитивања, R-фактор, број циклуса, фреквенција, температура, околина и геометрија узорка.

Шта највише утиче на живот од умора?

Најважнији фактори укључују:

амплитуда напрезања,
просечан стрес,
број и природа циклуса,
зарези и концентрација напона,
стање површине,
заостали напони,
величина елемента,
микроструктура,
термичка обрада,
материјални недостаци,
температуре,
корозија и радна средина,
правац оптерећења,
историја претходних оптужби.

Како повећати век трајања компоненте на замор?

У зависности од дизајна и материјала, издржљивост се може повећати, између осталог:

ограничавање концентрације стреса,
користећи глатке прелазе и одговарајуће радијусе,
побољшање квалитета површине,
смањење површинских недостатака,
увођење повољних заосталих компресивних напона,
одговарајуће термичка обрада,
заштита од корозије,
правилан избор материјала,
ограничавање амплитуде оптерећења.

Међутим, не постоји јединствена метода за побољшање издржљивости у свим условима.

Да ли већа статичка чврстоћа увек значи већу чврстоћу на замор?

Не. Повећање Rm може код одређених група материјала бити повезано са повећањем чврстоће на замор глатких узорака, али ова веза није неограничена нити универзална.
Материјали веома високе чврстоће могу бити посебно осетљиви на квалитет површине, зарезе, инклузије, корозију и друге дисконтинуитете.
Стога, стварна издржљивост компоненте може бити знатно нижа од вредности коју сугерише искључиво њен Rm.

Заморна чврстоћа – најважнија информација

Замор материјала је процес оштећења узрокован поновљеним оптерећењима.
До заморног лома може доћи при напонима нижим од Rm, а такође и при номиналним напонима нижим од границе течења.
Процес обухвата настанак пукотине, ширење пукотине и коначни лом попречног пресека.
N значи број циклуса до одређеног критеријума отказа.
σ_a значи амплитуду напона.
σ_m значи просечан стрес.
R = σ_минута/σ_Мак описује асиметрију циклуса.
Велерова крива SN приказује везу између нивоа напрезања и броја циклуса.
Не показују сви материјали јасну границу замора.
HCF се односи на високоциклични замор, а LCF на нискоциклични замор.
Зарези и квалитет површине имају веома велики утицај на век трајања до замора.
Компресивни заостали напони на површини могу имати позитиван ефекат на век трајања до замора.
Корозија може значајно убрзати настанак и развој пукотина услед замора материјала.
На високим температурама, замор се може јавити заједно са пузањем и оксидацијом.
Када се пукотина једном појави, њен развој се може анализирати коришћењем метода механике лома.
Rm, тврдоћа и Rp0,2 не дозвољавају независно одређивање века трајања до замора стварне компоненте.