ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Κόπωσης. ΕργαστηριακήΆσκηση 5 η

Transcript

1 ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Κόπωσης ΕργαστηριακήΆσκηση 5 η

2 Σκοπός Σκοπός του πειράµατος είναι να κατανοηθούν οι αρχές του πειράµατος κόπωσης ο προσδιορισµός της καµπύλης Wöhler ενός υλικού µέσω της οποίας καθορίζονται (α) η αντοχή κόπωσης και (β) το όριο κόπωσης αυτού. να κατανοηθεί η διαδικασία ανάγνωσης των πειραµατικών δεδοµένων για την επιλογή υλικών στις διάφορες εφαρµογές

3 Κόπωση- Ορισμοί Σύµφωνα µε την A.S.T.M (American Society for Testing and Materials) ως κόπωση ορίζεται η διαδικασία των προοδευτικών τοπικών µόνιµων δοµικών µεταβολών, που συµβαίνουν στο υλικό, όταν αυτό υποβάλλεται σε επαναλαµβανόµενες ή τυχαία µεταβαλλόµενες καταπονήσεις, που µπορούν να οδηγήσουν σε µείωση τηςαντοχήςτουκαι τελικά σεπλήρη θραύση, µετά από έναν επαρκή αριθµό µεταβολών του φορτίου. Αστοχία Κόπωσης ονοµάζεται το φαινόµενο αστοχίας ενός υλικού που προκαλείται κατά την επιβολή φόρτισης για τόσο µεγάλο πλήθος επαναλήψεων ώστε να προκαλείται δηµιουργία ρωγµών ή και πλήρης θραύση του δοκιµίου.

4 Κύκλοι τάσεως Η κυκλική φόρτιση γενικά δεν έχει όµοια επαναλαµβανόµενα µέρη Για να µελετηθεί η συµπεριφορά στην κόπωση όµως, µπορούµε να εκφράσουµε τη σχέση µεταξύ τάσης (S) και κύκλων φόρτισης (N) µε µια ηµιτονοειδή συνάρτηση

5 Χαρακτηριστικά Κόπωσης Ητάσηµεταβάλλεταιµεταξύµιαςµέγιστηςκαιµιαςελάχιστηςτιµής. εάν η σ min έχει θετική τιµή τότε η καταπόνηση ονοµάζεται κυµαινόµενη εφελκυστική εάνησ max είναιαρνητικήηκαταπόνησηονοµάζεταικυµαινόµενηθλιπτική. εάνσ min = 0 ηκαταπόνησηονοµάζεταιεπαναλαµβανόµενη εάνσ m =0 τότεηκαταπόνησηλέγεταιαντιστρεφόµενη.

6 Αντοχή και όριο κόπωσης Αντοχή κόπωσης καλείται η ονοµαστική εναλλασσόµενη τάση, η οποία προκαλεί αστοχία για καθορισµένη µέση τάση και κύκλους εναλλαγών. Αντίστοιχα ως όριο κόπωσης, ορίζεται η αντοχή σε κόπωση για άπειρο πλήθοςεναλλαγών. Στην πράξη, επειδή το άπειρο πλήθος εναλλαγών δεν έχει νόηµα, ορίζεται το συµβατικό όριο κόπωσης το οποίο 1. για χάλυβα επιτυγχάνεται όταν πραγµατοποιηθούν κύκλοι 2. και για κράµατα αλουµινίου όταν πραγµατοποιηθούν κύκλοι. Ν=10 7 Ν=10 8

7 Καμπύλη κόπωσης ή καμπύλη Wöhler Καµπύλη κόπωσης ή καµπύλη Wöhler ονοµάζεται το διάγραµµα τάσης λογαρίθµουαριθµούκύκλωναστοχίας. Το όριο κόπωσης, είναι η τάση, η οποία αντιστοιχεί στο οριζόντιο τµήµα της καµπύλης. Για τη χάραξη αυτή της καµπύλης καταγράφεται το πλήθος Ν των κύκλων εναλλαγής που απαιτούνται για τη θραύση δοκιµίων για διάφορα πλάτη εναλλασσόµενηςτάσης, δηλαδήκαταγράφονταιταζεύγη (σ α, Ν).

8 Καμπύλη κόπωσης ή καμπύλη Wöhler Σεκάθεκαµπύλη Wöhlerδιακρίνονταιτρίατµήµατα. 1. Το πρώτο αντιστοιχεί σε καταπονήσεις που προκαλούν θραύση µετά από µικρό αριθµό εναλλαγών (ολιγοκυκλική κόπωση). Το πλάτος της φόρτισης δεν ελαττώνεταισηµαντικάσυναρτήσειτουν(κοντάστοστατικόόριοθραύσης). 2. Το δεύτερο τµήµα αποτελεί µια ταχέως φθίνουσα καµπύλη που αρχίζει από το τέλος του προηγούµενου τµήµατος και τερµατίζεται στους κύκλους όπου παρατηρείται ραγδαία πτώση της αντοχής του υλικού συναρτήσει του πλήθους των κύκλων και αντιστοιχεί στην κυρίως κόπωση. (πολυκυκλική κόπωση) 3. Τέλος, το τρίτο τµήµα αποτελεί µια ελαφρώς φθίνουσα καµπύλη η οποία είναι οριζόντια στα σιδηρούχα κράµατα. (περιοχή διαρκούς αντοχής)

9 Επίδραση της Μέσης Τάσης Τα περισσότερα πειραµατικά δεδοµένα κόπωσης στη βιβλιογραφία έχουν προκύψει από δοκιµές κόπωσης µε πλήρως αναστρεφόµενους κύκλους φόρτισης, σm = 0. Ωστόσο, στις περισσότερες πραγµατικές εφαρµογές σm 0 R = σ min /σ max Όσοτο R γίνεταιπιοθετικό, πουσηµαίνειότιηµέσητάσησm αυξάνεται, τοόριοδιαρκούςαντοχήςαυξάνεται. (διάγραµµασ max N) Όσοηµέσητάσησ m αυξάνεται, τόσοµικρότεροπρέπειναείναιτοεύροςτάσης σ α γιαναεπιτευχθείµίασυγκεκριµένηδιάρκειαζωήςσεκόπωση Nf. (διάγραµµασ α N)

10 Συμπεράσματα Wöhler Ο Wöhler µε τη βοήθεια πειραµάτων κατέληξε στα εξής τρία συµπεράσµατα: 1. τοόριοκόπωσηςισούταιµεσ f /3 (όριοθραύσης/3) ότανηφόρτισηείναι αντιστρεφοµένη, (σ m = 0) 2. τοόριοκόπωσηςισούταιµεσ f /4ότανηφόρτισηείναιεπαναλαµβανοµένη (σ min = 0)και 3. το όριο κόπωσης συµπίπτει µε το στατικό όριο θραύσης όταν η φόρτιση είναι στατική.

11 Επιφάνεια θραύσης Ένα µεγάλο τµήµα της επιφάνειας θραύσης έχει λεία εµφάνιση, η οποία οφείλεται στην τριβή των επιφανειών του ρήγµατος µεταξύ τους, καθώς αυτόπροωθείταισταδιακάκατάτηδιάρκειαλειτουργίας. Αντίθετα, ένα µικρότερο τµήµα της επιφάνειας, το οποίο αντιστοιχεί στο τελικό στάδιο της θραύσης, έχει ανώµαλη εµφάνιση και οφείλεται στη γρήγορητελικήπροώθησητουρήγµατοςµεόλκιµοτρόποµέσαστουλικό, καθώς η µειωµένη διατοµή του υλικού που έχει αποµείνει δεν µπορεί να αντέξει πλέον τα επιβαλλόµενα φορτία. Εµφάνιση γραµµώσεων. Η απόσταση της µίας γράµµωσης από την άλλη δίνει µία καλή εκτίµηση της ταχύτητας µε την οποία προωθήθηκε το ρήγµα µέσαστουλικό.

12 Παράγοντες επίδρασης στην αντοχή κόπωσης Παράγοντες που σχετίζονται µε το υλικό 1. Χηµική σύσταση (η παρουσία νικελίου, χρωµίου, βαναδίου κλπ. σε χάλυβες αυξάνειτηναντοχήτουςσεκόπωση), 2. ανοµοιογένεια, 3. µέθοδοςπαραγωγής, 4. η ιστορία του υλικού, και 5. η θερµική κατεργασία του υλικού (αλλάζει τη δοµή του υλικού, µηδενίζει τις παραµένουσεςτάσεις)) Παράγοντες που σχετίζονται µε το ίδιο το στέλεχος 1. Κατεργασία της επιφάνειας του στελέχους: Λεία και στιλπνή επιφάνεια αυξάνειτηναντοχήτουστελέχους, 2. Μέγεθος και σχήµα του στελέχους: απότοµη αλλαγή διατοµής => µείωση αντοχής)

13 Παράγοντες επίδρασης στην αντοχή κόπωσης Παράγοντες που σχετίζονται µε το περιβάλλον 1. Τοξικό περιβάλλον που διαβρώνει την επιφάνεια και καταστρέφει τη λείανση της και 2. Υψηλή θερµοκρασία, που επιταχύνει τους µηχανισµούς αστοχίας Παράγοντες που σχετίζονται µε τη λειτουργία του στελέχους 1. Τάση που επιβάλλεται στο στέλεχος από συνεργαζόµενα µέλη 2. Ασταθήςµέσητάση, 3. Συχνότητα της εναλλασσόµενης τάσης: Έχει διαπιστωθεί ότι για συχνότητες από 200 έως 7000 rpm, η αντοχή κόπωσης παραµένει πρακτικώς σταθερή, για µικρότερες από 200 rpm µειώνεται και για µεγαλύτερες από 7000 rpm αυξάνεται.

14 Πειραματική διάταξη Για τον προσδιορισµό της καµπύλης κόπωσης χρησιµοποιούνται δύο ειδών µηχανές, (α) αυτές που επιβάλλουν στατικό εφελκυστικό ή θλιπτικό φορτίο και συγχρόνως ένα ηµιτονοειδές φορτίο ελεγχοµένου πλάτους και σταθερής συχνότητας και (β) αυτές που επιβάλλουν καταπόνηση καθαρής κάµψης σε στρεφόµενα κυλινδρικά δοκίµια. Η µηχανή είναι εφοδιασµένη µε ένα δυναµόµετρο και έναν ψηφιακό µετρητή, για τηµέτρησητουπλήθουςτωνεναλλαγώντηςεναλλασσόµενηςφόρτισης (κύκλων). Η µηχανή καµπτικής κόπωσης επιβάλλει δύο ίσες τέµνουσες δυνάµεις στο δοκίµιο που στηρίζεται σε δύο αρθρώσεις, επιτυγχάνοντας έτσι συνθήκες καθαρής κάµψης. Το δοκίµιο µέσω ενός ηλεκτροκινητήρα στρέφεται µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα µεαποτέλεσµαναυφίσταταιεναλλασσόµενηκόπωση.

15 Πειραματική διαδικασία 1. Για την εκτέλεση του πειράµατος χρησιµοποιείται µια µηχανή του Schenk, και µια ράβδο τυποποιηµένων διαστάσεων η οποία δέχεται φόρτιση τόσο σε κάµψηλόγωσ α, όσοκαισεστρέψηλόγωροπής Mt, λόγω περιστροφής της απότηνηλεκτρογεννήτρια. 2. Ηκαµπύλη Wöhlerαναφέρεταισεσταθερήµέσητάση. 3. Κατά τη διάρκεια διεξαγωγής του πειράµατος επιλέγεται η τιµή αυτής της τάσης και κατόπιν επιβάλλεται στο δοκίµιο ένα πλάτος σ α της εναλλασσόµενηςτάσης. 4. Όταν αστοχήσει το δοκίµιο καταγράφεται το πλήθος Ν των εναλλαγών που πραγµατοποιήθηκαν µέχρι τη θραύση.

16 Μετρήσεις 1. Τιµή µέσης τάσης 2. Πλάτοςσ α τηςεναλλασσόµενηςτάσης. 3. Καταγράφεται το πλήθος Ν των εναλλαγών που πραγµατοποιήθηκαν µέχρι τη θραύση.

17 Αποτελέσματα 1. Καµπύλη Wöhler