Fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék

különböző anyagminőségekre

Lukács János

egyetemi tanár

Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék, Magyarország

Bevezetés

A fáradási élettartamot több szakaszra oszthatjuk: repedéskeletkezés, mikrorepedések növekedése, makrorepedések növekedése és tönkremenetel. Mérnöki szempontból a makrorepedések terjedésének szakasza a legfontosabb, mert ezek a repedések roncsolásmentes vizsgálatokkal kimutathatók, továbbá a repedésterjedés és a maradék élettartam törésmechanikai módszerekkel számítható, becsülhető.

Mindezek alapján az előadás célja kettős:

  • fáradásos repedésre érvényes tervezési görbék új származtatási módjának bemutatása, amely a fáradásos repedésterjedés egyszerűsített kinetikai diagramjára (Paris-Erdogan modell) és a mérési eredmények elemzésére épül;
  • fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék meghatározása különböző anyagminőségekre (acélok, ausztemperált gömbgrafitos öntöttvas, alumínium ötvözetek) és hegesztett kötéseikre, I és I+II igénybevételi mód esetén.

Vizsgálatok és eredményeik

A fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramja különböző paraméterekkel írható le. A leggyakrabban alkalmazott törésmechanikai jellemzők a feszültségintenzitási tényező tartománya (D K), a repedés(csúcs) kinyílás tartománya (D CTOD), a J-integrál tartománya (D J) és ezek effektív értékei.

A repedést vagy repedésszerű hibát tartalmazó szerkezeti elemek megbízhatóságát a szerkezet és a hiba geometriája, a terhelési feltételek és az adott anyag fáradásos repedésterjedéssel szembeni ellenállása határozza meg. A különböző szabványok és előírások tartalmaznak fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbéket és módszereket a repedésterjedés leírására, követésére. A tervezési görbék hátterében mindig a vizsgálati eredmények matematikai-statisztikai elemzése és a fáradásos repedésterjedést leíró törvény áll.

A vizsgálatokra nagyszámú próbatesten került sor, a vizsgált anyagminőségek az ipari alkalmazások széles körét reprezentálták. CT és TPB próbatesteket használtunk az alapanyagok és hegesztett kötéseik vizsgálatára I igénybevételi módban, s azokat a hengerlési iránnyal párhuzamosan, illetve arra merőlegesen munkáltuk ki. A hegesztett kötések tengelye szintén vagy párhuzamos volt a hengerlési iránnyal, vagy merőleges volt arra. A próbatestek ilyen elhelyezésével biztosítani tudtuk a repedések lehetséges terjedési irányainak modellezését. CTS próbatesteket alkalmaztunk I+II igénybevételi módban, s azokat a hengerlési iránnyal párhuzamosan munkáltuk ki.

A vizsgálatokra D K-csökkentéses és állandó terhelésamplitúdójú vezérléssel került sor, szobahőmérsékleten, levegőn és szinuszos terhelési függvénnyel. A terhelés aszimmetria tényező 0.1 volt, a terjedő repedést optikai és compliance módszerrel követtük.

A fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék meghatározása 6 lépésből áll.

1. lépés: a mérési eredmények kiszámítása. A feszültségintenzitási tényező tartományának küszöbértékét (D Kth) és a Paris-Erdogan összefüggés két állandóját (n és C) ASTM előírás alapján, a ciklikus törési szívósság (D Kfc) értékét pedig sztereo mikroszkóppal mért repedésméret segítségével számítottuk.

2. lépés: a mérési eredmények csoportokba rendezése és a minták statisztikai paramétereinek meghatározása. Előbbi célra a Wilcoxon-próbát használtam, a számított statisztikai paraméterek pedig az átlag, a szórás és a szórási együttható voltak. A szórási együtthatók általában 20%-nál kisebbre adódtak, ami megbízható és reprodukálható vizsgálati, adatfeldolgozási és értékelési tevékenységre utal.

3. lépés: az eloszlásfüggvény típusának kiválasztása. Erre a célra a Shapiro-Wilk, a Kolmogorov vagy a Kolmogorov-Smirnov és a c 2 próbát használtam. Megállapítottam, hogy egyedül a Weibull-eloszlásfüggvény használható minden minta leírására.

4. lépés: a háromparaméteres Weibull-eloszlásfüggvény paramétereinek számítása.

5. lépés: a tervezési görbék paramétereinek megválasztása. Az új módszer a következő:

  • a feszültségintenzitási tényező tartományának küszöbértéke (D Kth) a Weibull-eloszlásfüggvény 95%-os valószínűséghez tartozó értéke;
  • a Paris-Erdogan összefüggés kitevője (n) a Weibull-eloszlásfüggvény 5%-os valószínűséghez tartozó értéke;
  • a Paris-Erdogan összefüggés állandója (C) a C és az n közötti korreláció alapján számított érték;
  • a ciklikus törési szívósság (D Kfc) a Weibull-eloszlásfüggvény 5% valószínűséghez tartozó értéke.

6. lépés: a tervezési görbék paramétereinek meghatározása. Különböző tervezési görbék származtatására került sor alapanyagok, hegesztett kötések esetén, I és I+II igénybevételi módra. Kiemelést érdemel, hogy a Paris-Erdogan összefüggés kitevője I igénybevételi módban kisebb is lehet, mint 2.

Következtetések

Mikroötvözött acélok és hegesztett kötéseik esetén mind a feszültségintenzitási tényező tartományának küszöbértéke (D Kth), mind a Paris-Erdogan összefüggés állandója (n) csökken, ha az acél szilárdsága nő. A ciklikus törési szívósság (D Kfc) értéke az acél szilárdságának növekedtével nő.

A Paris-Erdogan összefüggés állandója és a ciklikus törési szívósság hegesztett kötések esetében nagyobb, mint alapanyagok esetén.

A javasolt módszer alkalmas fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék meghatározására I+II terhelési módban. Ebben az esetben a feszültségintenzitási tényező tartománya (D K) helyett az effektív feszültségintenzitási tényező tartományát (D Keff) kell használni.

Összegzés

A javasolt módszer általában alkalmazható fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék meghatározására, különböző anyagok és hegesztett kötéseik, valamint I és I+II igénybevételi mód esetén.

Az új módszerrel származtatott tervezési görbék visszatükrözik az ésszerű kockázatvállalás és a biztonságra való törekvés kompromisszumát.

A meghatározott tervezési görbék segítségével üzemelő szerkezetek integritásának megítélését szolgáló számítások végezhetők.

Köszönetnyilvánítás

A szerző köszönetét fejezi ki az Országos Tudományos Kutatási Alapnak a kutató munka elvégzéséhez nyújtott támogatásáért (OTKA T 022020).

VISSZA

Copyright © 2000
Magyar Anyagtudományi Egyesület