Da li zaista razumijete snagu metalnih materijala na zamor?

 

I. Fenomeni i karakteristike zamora metala

 

1. Fenomen zamora metala

Formiranje pukotina: Pod naizmjeničnim naprezanjem ili cikličnim naprezanjem, metalni materijali postepeno formiraju sitne pukotine u područjima lokalnog visokog naprezanja.

Širenje pukotine: Ove sitne pukotine postepeno se šire tokom vremena pod stalnim stresom.

Slom loma: Kada se pukotine šire do određene mjere, preostali materijal više ne može podnijeti opterećenje, što dovodi do potpunog loma metalne komponente.

 

 

 

▲Slika 1 Uobičajena ciklična naprezanja

 

2. Karakteristike zamora metala

Iznenadnost: Do kvara zbog zamora metala često dolazi iznenada tokom vremena i nije ga lako otkriti unaprijed.

Lokalitet: kvar se obično dešava u područjima lokalnog visokog stresa, sa relativno koncentrisanim lokacijama.

Osetljivost: Zamor metala je osetljiv na faktore okoline i defekte. Na primjer, hrapavost površine, stupanj oksidacije i uvjeti korozije dijelova mogu utjecati na čvrstoću na zamor.

Ovisnost o ciklusu: Zamor metala je direktno povezan s razinom naprezanja cikličkih opterećenja i brojem ciklusa. Čak i ako je nivo naprezanja ispod granice popuštanja materijala, dugotrajno ciklično opterećenje i dalje može dovesti do kvara zbog zamora.

Statistička priroda: Prema statistikama, oko 80%-90% kvarova inženjerskih konstrukcija uzrokovano je zamorom metala.

 

 

 

▲Različite vrste morfologije loma od zamora

 

 

II Klasifikacija zamora metala

 

1. Klasifikacija prema broju cikličkih opterećenja

Zamor visokog ciklusa: Odnosi se na zamor pod niskim naprezanjem (radni napon ispod granice popuštanja materijala, pa čak i ispod granice elastičnosti) sa ciklusima naprezanja koji prelaze 100,000. Ovo je najčešći tip neuspjeha od zamora, također poznat kao umor od stresa. Performanse zamora visokog ciklusa opisane su SN krivom (krivulja stres-životni vijek), koja pokazuje da za dati omjer naprezanja, što je napon manji, to je duži vijek trajanja.

Zamor niskog ciklusa: Odnosi se na zamor pod velikim naprezanjem (radni napon blizu granice popuštanja materijala) ili na uslove visokog naprezanja sa ciklusima naprezanja ispod 10,000 do 100,000. Budući da naizmjenična plastična deformacija igra glavnu ulogu u ovoj vrsti kvara od zamora, ona se također naziva plastični zamor ili zamor deformacije.

 

2. Klasifikacija prema obliku otkaza zamora

Toplotni zamor: Otkazivanje zamora uzrokovano ponovljenim termičkim stresom zbog temperaturnih promjena.

Zamor od korozije: Otkazivanje od zamora dijelova stroja pod kombiniranim djelovanjem naizmjeničnih opterećenja i korozivnih medija (kao što su kiseline, lužine, morska voda, aktivni plinovi, itd.).

Kontaktni zamor: Odnosi se na zamor kontaktnih površina dijelova stroja, gdje dolazi do udubljenja ili površinskog gnječenja i ljuštenja pod ponovljenim kontaktnim naprezanjem, što dovodi do kvara komponente.

 

 

III. Fatigue Curve

 

 

 

▲Kriva zamora metalnih materijala

 

 

▲SN kriva

 

Gornji dijagram ilustrira odnos između napona zamora i vijeka trajanja, poznat kao SN kriva, koja se koristi za određivanje granice zamora i uspostavljanje osnove za kriterije naprezanja zamora.

Granica zamora: Odnosi se na pokazatelj čvrstoće sposobnosti materijala da izdrži beskonačan broj ciklusa naprezanja bez loma; granica uslovnog zamora odnosi se na pokazatelj čvrstoće sposobnosti materijala da izdrži konačan broj ciklusa naprezanja bez loma. Oboje se zajednički nazivaju čvrstoća na zamor. Što je vlačna čvrstoća veća, to je veća granica zamora.

 

 

IV. Faktori koji utječu na zamornu čvrstoću metalnih materijala

 

1. Oblik i veličina komponente

Stvarni mehanički dijelovi neizbježno imaju različite oblike ureza, poput stepenica, utora za ključeve, navoja i rupa za ulje, što uzrokuje koncentraciju naprezanja i utiče na čvrstoću na zamor.

Efekat veličine delova je takođe važan faktor. Veći dijelovi u usporedbi s manjim uzorcima mogu imati veću koncentraciju naprezanja i gradijente naprezanja, što utječe na performanse zamora.

2. Završna obrada

Niska obrada površine može uzrokovati koncentraciju naprezanja na površini materijala, čime se smanjuje zamorna čvrstoća materijala. Na primjer, gruba obrada (grubo struganje) u usporedbi s uzdužnim finim poliranjem može smanjiti granicu zamora za 10% do 20% ili više.

3. Uvjeti usluge

Radno okruženje, kao što je prisustvo korozivnih medija, može infiltrirati mikropukotine i podstaći kvar komponenti zbog zamora.

Vazdušni materijali koji se koriste u složenim klimatskim uslovima, kao što su visoka temperatura, visoka vlažnost i niska temperatura, takođe mogu uticati na njihov učinak na zamor.

4. Sastav materijala

Sastav metalnog materijala direktno utiče na njegove karakteristike zamora. Na primjer, povećanje sadržaja ugljika smanjuje lomnu čvrstoću martenzita i povećava sklonost gašenju pukotina.

5. Organizaciono stanje

Mikrostruktura metalnih materijala ima značajan uticaj na njihovu zamornu čvrstoću. Struktura dobivena nakon gašenja i temperiranja može dodatno poboljšati čvrstoću na zamor.

6. Čistoća

Defekti kao što su inkluzije u materijalu mogu postati izvori zamora, smanjujući čvrstoću na zamor.

7. Preostalo naprezanje

Prisustvo zaostalog naprezanja također može utjecati na performanse materijala pri zamoru.

8. Čvrstoća i plastičnost materijala

Što je metalni materijal bolja čvrstoća i plastičnost, to je veća njegova sposobnost da se odupre kvaru od zamora.

9. Amplituda naprezanja

Veličina amplitude naprezanja direktno utječe na vijek trajanja metala na zamor.

10. Srednji stres

Veličina i priroda (zatezna ili tlačna) srednjeg naprezanja također utječu na karakteristike zamora metala.

11. Broj ciklusa

Do kvara na zamor metala obično dolazi nakon određenog broja ciklusa.

12. Efekat koncentracije stresa

Iznenadne promjene u konturi dijela ili unutrašnji diskontinuiteti (kao što su pore, inkluzije, pukotine, itd.) mogu postati izvori koncentracije naprezanja, ubrzavajući proces loma od zamora.

 

 

V Metode za određivanje krivulje zamora

Metoda za određivanje krivulja zamora, posebno krivulje SN, ključni je pristup za procjenu karakteristika zamora materijala pod cikličkim naprezanjem ili deformacijom.

 

1. Određivanje svrhe i uslova ispitivanja

Jasno definirajte vrstu materijala koji se testira, raspon nivoa naprezanja, učestalost i druge parametre.

Odaberite odgovarajuću opremu za ispitivanje, kao što je mašina za ispitivanje zamora, te je prilagodite i kalibrirajte prema zahtjevima ispitivanja.

2. Priprema uzoraka

Pripremite uzorke koji ispunjavaju zahtjeve na osnovu relevantnih standarda i zahtjeva za ispitivanje.

Precizno izmjerite i zabilježite dimenzije, težinu i druge parametre uzoraka.

3. Montiranje uzoraka

Instalirajte uzorak na mašinu za ispitivanje zamora, osiguravajući poravnanje između ose uzorka i ose opterećenja.

Za ispitivanja koja zahtijevaju posebne uređaje ili uređaje, instalirajte ih i prilagodite prema zahtjevima.

4. Postavljanje parametara testa

Na osnovu svrhe i uslova testiranja, postavite talasni oblik opterećenja (npr. sinusni talas, kvadratni talas), nivo opterećenja, frekvenciju i druge parametre.

Za testove koji treba da simuliraju stvarne radne uslove, postavite odgovarajuće parametre okoline kao što su temperatura i vlažnost.

5. Pokretanje testa i snimanje podataka

Pokrenite mašinu za testiranje i započnite ciklično učitavanje.

Tokom testa, zabilježite podatke kao što su opterećenje, pomak i vrijeme za svaki ciklus.

Pratiti deformacije i otkaze uzorka, te pravovremeno evidentirati broj i oblike kvarova zbog zamora.

6. Iscrtavanje SN krive

Na temelju podataka ispitivanja nacrtajte SN krivulju s razinom naprezanja (S) kao horizontalnom osom i logaritmom vijeka trajanja zamora (N, tj. brojem ciklusa) kao vertikalnom osom.

SN kriva se tipično sastoji od tri sekcije: regiona zamora niskog ciklusa, regiona zamora konačnog veka trajanja i regiona zamora visokog ciklusa. Ovi dijelovi se mogu podijeliti i označiti prema podacima testa.

7. Analiza i interpretacija podataka

Analizirajte podatke SN krive, uključujući proračune i poređenja parametara kao što su nagib i presek.

Interpretirajte karakteristike zamora i vijeka trajanja materijala na osnovu oblika i parametara SN krive.

Kombinujte informacije o mikrostrukturi i hemijskom sastavu materijala da biste analizirali mehanizme i faktore koji utiču na kvar usled zamora.