Kezdőlap-Home Page
Archívum-Archives
Linkek-Links
Letöltés-Download
Szerkesztőbizottság-
Editorial board

III. évfolyam 1. szám
2002. szeptember
Volume 3 - No  1 - September 2002

Tartalomjegyzék - Contents

Prof. Dr. Tisza Miklós: Anyagtudományi kutatások a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai tanszékén [HUN]
Dr. habil Lukács János - Dr. Nagy Gyula- Dr. Török Imre: Próbatestek és szerkezeti elemek viselkedésére jellemző mérőszámok ismétlődő terhelésnél

Dr. Béres Lajos - Dr. Balogh András: A legújabb fejlesztésű melegszilárd acélok főbb hegeszthetőségi vonatkozásai [HUN]

Kocsisné dr. Baán Mária - Dr. Marosné dr. Berkes Mária: Nemfémes anyagok vizsgálatának egyes kérdései [HUN]

Dr. Török Imre-Dr. Nagy Gyula- Dr. Lukács János: Szénhidrogénszállító csőtávvezeték - szakaszok roncsolásos vizsgálatának tapasztalatai [HUN]

Dr. Schäffer József - Dr. Gál István: Számítógépes C-görbe elemző és hőkezeléstechnológiai tervező rendszer [HUN]

Dr. Tisza Miklós - Dr. Fülöp Tibor - Adorján Gábor – Dr. Kiss Antal
Magyar Zoltán - Reza Rowshan - Szabó Péter – ifj. Tisza Miklós:
Modellezés és szimuláció az Anyagtudományban és az Anyagtechnológiákban [HUN]

[HUN] - Magyar cikk
[ENG] - English article

 

2.fejezet.....

3. Fáradásos repedésterjedés

A különböző gépészeti szerkezetek tönkremenetelének, törésének leggyakoribb oka a fáradás, s ez leggyakrabban a hegesztett szerkezetek körében fordul elő [39]. Az, hogy egy szerkezet élettartamát alapvetően a mikrorepedések keletkezéséig eltelt idő vagy a repedésterjedési szakasz határozza-e meg, illetve mindkettő egyaránt fontos, függ az alkalmazott anyagoktól, a konstrukciótól és az igénybevételtől, valamint a szerkezet gyártástechnológiájától [40]. A két eset kombinációjával leggyakrabban szintén a hegesztett szerkezeteknél találkozhatunk.

A fáradásra való méretezésnek alapvetően két koncepciója ismeretes [41, 42]. A biztos élettartamra való (safe-life) méretezés azt feltételezi, hogy a szerkezet hibamentes, illetve ha tartalmaz hibát, akkor abból terjedőképes repedés nem keletkezik. Ez azt jelenti, hogy a méretezéskor figyelembe vett körülmények között katasztrofális törés nem következik be és a szerkezeti elem cseréjére sem kerül sor a tervezett élettartam lejárta előtt. A másik koncepció, a sérülésbiztos (fail-safe) méretezés, azon a felfogáson alapul, hogy a szerkezetekben eleve vannak, vagy annak üzemeltetése során keletkeznek repedések, s ezek a repedések növekednek. Ezen elv szerint a szerkezetnek a hiba sorsáról való döntés meghozataláig viselnie kell a terhelést. A sérülésbiztos méretezési filozófia alkalmazása más üzemeltetési stratégiát, magatartást kíván, mint a biztos élettartamra való méretezés koncepciója. Az üzemeltetés során folyamatos és/vagy időszakos ellenőrzéseket kell végezni, s azok eredményeit értékelve kell a hogyan tovább-ra vonatkozó döntést meghozni

Egyértelműen kimondható tehát, hogy hangsúlyos szerepe van azoknak a témaköröknek, amelyek a fáradási károsodás mind egységesebb és teljesebb leírásával, a sérülésbiztos méretezési koncepció alkalmazásával, az anyagi mérőszámok valós terhelési viszonyok esetén érvényes értékeinek meghatározásával, illetve az üzemelő szerkezetek megbízhatóságával foglalkoznak.

Mindezeket figyelembe véve a fáradásos repedésterjedés témakörében a következő területeken elért eredményeket emeljük ki:

  • a repedéskeletkezési ciklusszám meghatározása a bemetszésen mért szétnyílás regisztrálásán alapuló módszerrel;

  • a fáradásos repedésterjedés I+II összetett igénybevételi módban történő vizsgálata;

  • fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék meghatározása I és I+II igénybevételi módban alapanyagokra, valamint hegesztett kötéseikre;

a terhelési ciklusalak fáradásos repedésterjedésre gyakorolt hatása.

 

3.1. A repedéskeletkezési ciklusszám meghatározása

A fáradási károsodás, a teljes törési folyamat leírására vonatkozó törekvések igénylik a repedéskeletkezési ciklusszámra vonatkozó vizsgálatokat is [43]. Tekintettel arra a tényre, hogy a repedések keletkezésében a feszültséggyűjtő helyeknek döntő szerepe van [39], az ilyen típusú vizsgálatokat gyakran végzik bemetszett próbatesteken [44, 45]. A különböző mérési módszerek közös vonása az, hogy az anyagvizsgáló berendezés speciális eszközzel való kiegészítését igénylik [46]. A bemetszés lekerekítési sugarának repedés keletkezésére gyakorolt hatása ismert, kevésbé tisztázott viszont annak a fáradásos repedés (további) terjedésével való kapcsolata [47, 48].

A kutató munka során ismétlődő igénybevétel esetére kialakítottuk a repedéskeletkezési ciklusszám meghatározásának a bemetszésen mért szétnyílás regisztrálásán alapuló módszerét. A vizsgálatok során a megszokott helyen elhelyezett, általános célú szétnyílásmérő jelét (erő-szétnyílás) kell rögzíteni meghatározott igénybevételi ciklusonként. A kapott görbékből szétnyílás maximum-igénybevételi ciklusszám függvények szerkeszthetők, s a szétnyílás monoton növekedéséhez tartozó pontból a repedéskeletkezési ciklusszám kijelölhető. A módszer alkalmazhatóságát azonos anyag és három különböző bemetszés-geometria, majd azonos bemetszés-geometria és három különböző anyagminőség esetén igazoltuk.

A vizsgálatokhoz alkalmazott próbatestek TPB [49, 50] típusúak voltak. A különböző bemetszés-geometriájú (r=0.1 mm, r=1 mm, r=3 mm) próbatestek 10 Cr Mo 9 10 jelű acél alapanyagból és annak hegesztett kötéseiből készültek, orientációjuk L-R és 2-3 volt [49, 50]. A bemetszések geometriáját a 11. ábra szemlélteti.

11. ábra: A repedéskeletkezési ciklusszám vizsgálatához alkalmazott bemetszések geometriája a 10 Cr Mo 9 10 jelű acél és hegesztett kötései esetén

Az r=0.1 mm-es lekerekítési sugarú, hegesztett kötésekből készült próbatestek szétnyílás maximum-igénybevételi ciklusszám (vmax-N) görbéit a 12. ábra foglalja össze, s azon az optikai úton mért repedésméretek, valamint a repedéskeletkezési ciklusszámok (Ni) is szerepelnek.

12. ábra: Szétnyílás maximum–igénybevételi ciklusszám görbék a 10 Cr Mo 9 10 acél hegesztett kötésein elvégzett vizsgálatokra (r=0.1 mm)

Az azonos bemetszés-geometriájú (r=0.15 mm) próbatestek Armco-vas, KL7D és QStE690TM jelű acél alapanyagokból készültek. Az Armco-vas esetében az orientáció L-T, a KL7D jelű acélnál L-S, a nagyszilárdságú acél vizsgálatainál pedig T-L és L-T volt. Az utóbbi acél esetében kapott eredményeket a 13. ábra mutatja.

 

13. ábra: Szétnyílás maximum-igénybevételi ciklusszám görbék a QStE690TM jelű acél alapanyagon elvégzett vizsgálatokra (r=0.15 mm)

Az összes, minden anyagon és minden repedésgeometria esetén meghatározott repedéskeletkezési ciklusszámot a 14. ábra szemlélteti, amelyen szerepelnek a Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik Freiburg-ban, más módszerrel [51] kapott eredmények is. Az ábra – a miskolci és a freiburgi eredmények jó egyezősége mellett – megerősíti azt a két, szemléletünkkel összhangban lévő tényt, hogy azonos névleges sugarú bemetszések esetén a feszültségintenzitási tényező tartományának növekedése a repedéskeletkezési ciklusszám csökkenését vonja maga után;azonos feszültségintenzitási tényező tartomány esetében a kisebb névleges sugarú bemetszéshez tartozik a kisebb repedéskeletkezési ciklusszám.

14. ábra: A repedéskeletkezési ciklusszám vizsgálatok eredményei

 

3.2. Fáradásos repedésterjedés összetett igénybevételi módban

Az összetett igénybevételi módú problémák elemzésére több törési kritérium [52, 53, 54] áll rendelkezésre, amelyek meghatározzák a fáradásos repedésterjedés leírására alkalmazható modellt is. Említést érdemel, hogy az elveikben eltérő kritériumok közül több alkalmazza a fáradásos repedésterjedés Paris-Erdogan modellre [55] épülő leírását. Az ilyen típusú kvázistatikus és ismétlődő igénybevételű vizsgálatok karakterisztikus eltéréseket hordoznak a leggyakoribb, I terhelési módban elvégzett vizsgálatokhoz képest [40, 56, 57], kisebb azok megbízhatósága [58], s ebből következően nagyobb az élettartambecslés bizonytalansága.

A kutató munka keretében megterveztük és megvalósítottuk a fáradásos repedésterjedés összetett igénybevételi módban (I+II) történő vizsgálata metodikájának egy lehetőségét. Megterveztük és legyártottuk a szükséges (befogó) készülékeket, kialakítottuk a terjedő repedés követésének és a mérési adatok kiértékelésének módszerét.

Vasúti sínből készült próbatestek I+II igénybevételi módban elvégzett vizsgálatai alapján megállapítottuk, hogy az összetett igénybevételi módban terjedő repedésekkel szemben a sín eltérően viselkedik, attól függően, hogy a repedés a sín fejében vagy gerincében terjed. Megállapítottuk továbbá, hogy az összetett igénybevételi módban terjedő repedésekkel szemben a sín akkor is eltérően viselkedik, ha a repedés annak ugyanabban a részében, de a hossztengelyhez képest különböző irányokban terjed.

Két anyagminőség (vasúti sín, nagyszilárdságú termomechanikusan kezelt acél) esetében, a próbatestek kimunkálása és a repedésterjedés irányának megválasztása segítségével olyan mérési eredménysorhoz jutottunk, amely megteremtette az összetett igénybevételi módra érvényes tervezési görbék meghatározásának lehetőségét. A részleteket a 3.3. fejezetben mutatjuk be.

A vizsgálatokhoz alkalmazott próbatestek CTS (compact tension shear) típusúak voltak, a befogásukhoz tervezett és gyártott készülék pedig olyan, amely I (a =0° ), I+II (0° <a <90° ) és II (a =90° ) igénybevételi módban egyaránt alkalmas vizsgálatok végrehajtására [59, 60]. A próbatestet, a készülék alakját, a befogás módját és az a szög értelmezését a 15. ábra mutatja.

15. ábra: A CTS próbatest és vizsgálati lehetőségei

A próbatestek előfárasztását I igénybevételi módban végeztük, az előfárasztási repedésméretet pedig 0.5W névleges értékben rögzítettük. A

           (1)

alakú Paris-Erdogan összefüggés C és n állandóját az effektív feszültségintenzitási tényező tartománya [61] segítségével határoztuk meg:

     (2)

Az összefüggésben szereplő k értéket [62] alapján k=1.28-ra választottuk, D KI és D KII értékét pedig az alábbi összefüggésekkel [54, 60] számítottuk:

          (3)

 

           (4)

A DO76 anyagminőségű vasúti sínből kimunkált próbatestek orientációja L-T, illetve L-S volt [63], amelyet a 16. ábra szemléltet.

 

16. ábra: A próbatestek elhelyezkedése és orientációja a sínben

Az elvégzett vizsgálatok legfontosabb adatait és eredményeit a 3. táblázat foglalja össze.

3. táblázat: A DO76 jelű sínacélon elvégzett vizsgálatok legfontosabb adatai és eredményei

Jel

Orientáció és

a

C

n

Korrelációs

 

hely

fok

mm/ciklus, MPa m1/2

együttható

1/2

L-T fej

30

3.26 E-12

5.20

0.9261

1/4

 

30

9.50 E-12

5.18

0.9422

1/1

 

45

6.78 E-12

5.38

0.9102

1/3

 

60

4.98 E-15

7.62

0.9274

1/5

 

60

9.85 E-17

8.96

0.9671

2/1

L-S fej

30

1.41 E-10

4.07

0.9487

2/6

 

30

1.14 E-12

5.63

0.9428

2/2

 

45

3.33 E-12

5.39

0.9547

2/5

 

45

1.65 E-12

5.49

0.9357

2/3

 

60

6.33 E-11

4.00

0.8450

2/4

 

60

1.04 E-11

5.38

0.8125

3/4A

L-T gerinc

30

8.53 E-11

4.59

0.9497

3/4B

 

30

1.99 E-11

4.78

0.9228

3/5A

 

45

2.63 E-10

4.18

0.9845

3/5B

 

45

1.16 E-10

4.44

0.9764

3/2A

 

60

6.74 E-11

4.54

0.6227

3/2B

 

60

4.18 E-10

4.18

0.7463

A korábbiakban megfogalmazottak mellett említést érdemel, hogy a Paris-Erdogan összefüggés kitevője (n) abban az esetben a legnagyobb, amikor a repedés abban az irányban terjed, amely a sín hossztengelyével leginkább egyező.

A I+II igénybevételi módban kapott eredmények jó összhangban vannak a I igénybevételi mód esetén kapott saját és irodalmi [64, 65, 66] adatokkal, amelyet a 17. ábra mutat be.

17. ábra: A vasúti sínen végzett saját vizsgálatok összevetése irodalmi adatokkal

A QStE90TM jelű termomechanikusan kezelt HSLA acélból kimunkált próbatestek T-L és L-T orientációjúak voltak. Az elvégzett vizsgálatok legfontosabb adatait és eredményeit a 4. táblázat foglalja össze.

4. táblázat: A QStE690TM jelű acélon elvégzett vizsgálatok legfontosabb adatai és eredményei

Jel

Orientáció

a

C

n

Korrelációs

   

fok

mm/ciklus, MPa m1/2

együttható

43

T-L

30

8.20E-09

2.94

0.9666

45

 

30

1.22E-07

2.17

0.9629

41

 

45

2.89E-08

2.74

0.9723

42

 

60

1.00E-09

3.82

0.9672

44

 

60

2.09E-08

3.14

0.9641

54

L-T

30

2.79E-08

2.69

0.9627

56

 

30

3.05E-08

2.54

0.9744

51

 

45

7.24E-08

2.53

0.9541

52

 

60

4.91E-08

2.79

0.9626

55

 

60

1.19E-07

2.59

0.9613

A I+II igénybevételi módban kapott eredmények ennél az anyagminőségnél is jó összhangban vannak a I igénybevételi módban elvégzett saját vizsgálatok eredményeivel, összhangban vannak a I igénybevételi módban elvégzett saját vizsgálatok eredményeivel, ahogy azt a 18. ábra szemlélteti.

 

 

18. ábra: A QStE690TM jelű acélon elvégzett vizsgálatok összehasonlítása

A 3. és a 4. táblázatok, valamint a 17. és a 18. ábrák alapján megállapítható, hogy a I+II igénybevételi módban kapott Paris-Erdogan kitevő értékek alkalmasak tervezési görbék meghatározására.

 

3.3. Tervezési görbék fáradásos repedésterjedésre

Fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbéket több előírás [67, 68, 69, 70] és több irodalmi ajánlás [71, 72] is tartalmaz. E görbéket és származtatásukat összehasonlítva négy következtetés érdemel hangsúlyozást. Az első az, hogy mindegyik görbe a fáradásos repedésterjedés kinetikai diagramját egyszerűsítve közelíti meg, s a legelterjedtebb a Paris-Erdogan modellre [55] épülő megoldás. A második az, hogy a görbék I igénybevételi módra vonatkoznak, harmadszor pedig szembetűnő, hogy a javaslatok a nagy repedésterjedési sebességek tartományában nem alkalmaznak korlátozásokat. A negyedik lényeges következtetés az, hogy mindegyik görbe statisztikailag kezelhető mennyiségű kísérleti és/vagy irodalmi adatra épül, ugyanakkor egyik sem veszi számba az egyes mérőszámokat az élettartamra, illetve élettartambecslésre gyakorolt hatásuk szemszögéből.

A [73] értekezésben összefoglalt munka folytatásaként - nagyszámú vizsgálat elvégzése és eredményeinek feldolgozása után - fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbéket határoztunk meg öt újabb acél alapanyag és közülük három hegesztett kötései, ausztemperált gömbgrafitos öntöttvas, továbbá három alumíniumötvözet és hegesztett kötései [74] esetére. Tekintettel arra, hogy a vizsgált anyagminőségek anyagszerkezettani sajátosságai és mechanikai tulajdonságai széles tartományt fognak át a módszer általános alkalmazhatósága megállapítható.

Ötvözetlen acélok és hegesztett kötéseik fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbéiben a feszültségintenzitási tényező tartományának küszöbértéke (D Kth) és a Paris-Erdogan összefüggés kitevője (n) az acél szilárdságának növekedtével csökken, a ciklikus törési szívósság (D Kfc) értéke pedig nő.

A hegesztett kötések fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbéiben a Paris-Erdogan összefüggés kitevője (n) és a ciklikus törési szívósság (D Kfc) értéke egyaránt nagyobb mint az alapanyagra vonatkozó érték.

A fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék származtatásának I igénybevételi módban kidolgozott módszere I+II igénybevételi módban is alkalmazható, a feszültségintenzitási tényező tartománya helyett az effektív feszültségintenzitási tényező tartományát (D Keff) kell használni. Ennek alapján a módszer ilyen értelmű általános alkalmazhatósága is megállapítható.

A vizsgálatokhoz alkalmazott próbatestek TPB, CT [49] és CTS [59, 60] típusúak voltak. A vizsgálatokra 10 Cr Mo 9 10, KL7D, X80TM, DO76 és QStE690TM jelű acélok alapanyagain, valamint 10 Cr Mo 9 10, 10 Cr Mo 9 10 és GS 18 Cr Mo 9 10, KL7D, továbbá X80TM jelű acélok hegesztett kötésein került sor. Az acélok mellett vizsgálatokat végeztünk ausztemperált gömbgrafitos öntöttvas alapanyagon (ADI), AlMg3, AlMg5 és AlMg4.5Mn alumíniumötvözeteken és hegesztett kötéseiken.

Az alapanyagokból készült próbatestek orientációja T-L, L-T, L-S, illetve L-R volt [49], a hegesztett kötések esetében pedig 1-2, 2-1 és 2-3 [50]. Annak érdekében, hogy a repedésszerű hibák hegesztett kötésekben való előfordulási lehetőségeit modellezni lehessen, a bemetszés elhelyezkedését variáltuk, amelyet a 19. ábra szemléltet.

19. ábra: A bemetszések elhelyezkedése a hegesztett kötésekben

A különböző technológiai paraméterekkel (elsődlegesen védőgáz(keverék) és hozaganyag átmérő, de azokból következően áramerősség, illetve huzalelőtolási sebesség és hegesztő feszültség is) elkészített hegesztési ömledékekből kimunkált próbatesteken elvégzett vizsgálatok eredményeit, részmintánként és mintánként, az 5. táblázat foglalja össze.

5. táblázat: A különböző technológiai paraméterekkel készített hegesztési ömledékek vizsgálati eredményei (a Paris-Erdogan összefüggés kitevője)

 

Minta

A minta elemszáma

Átlag

Szórás

Szórási együttható

VIH-2, 100% CO2, de=1.2 mm

11

3.86

0.803

0.2079

VIH-2, 100% CO2, de=1.6 mm

10

4.00

0.903

0.2334

VIH-2, 100% CO2 védőgáz

21

3.93

0.848

0.2159

VIH-2, 50% CO2+50% Ar, de=1.2 mm

4

3.03

0.660

0.2177

VIH-2, 50% CO2+50% Ar, de=1.6 mm

4

2.59

0.408

0.1574

VIH-2, 50% CO2+50% Ar

8

2.81

0.560

0.1991

VIH-2, 25% CO2+75% Ar, de=1.2 mm

4

2.53

0.516

0.2041

VIH-2, 25% CO2+75% Ar, de=1.6 mm

4

2.54

0.742

0.2924

VIH-2, 25% CO2+75% Ar

8

2.53

0.564

0.2228

VIH-2, Ar tartalmú védőgáz keverék

16

2.67

0.561

0.2102

A táblázat adatai és az elvégzett Wilcoxon-próbák alapján megállapítható, hogy az alkalmazott hozaganyag átmérőjének nincs, a védőgáz típusának, pontosabban az Ar komponens jelenlétének van szignifikáns hatása a fáradásos repedésterjedésre.

A vizsgálatokból kapott minták statisztikai jellemzőit ezek után a 6. táblázatban mutatjuk be.

A minták birtokában azt kerestük, hogy azok milyen eloszlásfüggvényekkel írhatók le. A műszaki gyakorlatban elterjedt normális, a fárasztóvizsgálatok eredményeinek értékelésére használatos logaritmikus normális eloszlások mellett, a törésmechanikai vizsgálatok eredményeinek feldolgozásához alkalmazott három paraméteres Weibull-eloszlással próbálkoztunk. A Shapiro-Wilk, a Kolmogorov-féle egymintás és a c 2-próba [21, 75, 76] alkalmazásával az elméleti és a tapasztalati eloszlás közötti illeszkedést vizsgáltuk, minden próba esetében e =0.05 szignifikanciaszinten. Eredményül azt kaptuk, hogy csak a Weibull-eloszlás esetén fogadható el az illeszkedés minden mintára. Ezek után meghatároztuk a vizsgált anyagi mérőszámok Weibull-eloszlásának függvényeit, amelynek állandóit a [77] közlemény szerint a következő módon jelöltük:

      (5)

Az állandók meghatározását a maximális regressziós együttható módszerével, ismert (iterált) küszöbparaméter (N0) feltételezésével [78] végeztük el.

Az eloszlásfüggvények birtokában, a 20. ábrán látható módszerrel meghatároztuk a vizsgált alapanyagok és hegesztett kötéseik fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbéinek paramétereit.

6. táblázat: Az alapanyagokon (aa), hegesztési ömledékeken (hö) és hegesztett kötéseken (hk) elvégzett vizsgálatokból kapott minták statisztikai jellemzői

Anyagminőség

Orientáció, elrendezés

Jellemző

A minta elemszáma

Átlag

Szórás

Szórási együttható

37C aa

T-L és L-T

DKth

9

7.69

1.220

0.1587

 

T-L

n

37

3.74

0.534

0.1430

 

L-T

n

33

3.45

0.311

0.0901

 

T-L

DKfc

34

66.03

5.943

0.0900

 

L-T

DKfc

28

58.67

3.560

0.0607

VIH-2 hö (100% CO2)

minden1)

n

36

4.11

0.747

0.1818

és 37C hk

minden2)

DKfc

14

76.23

5.603

0.0735

10 Cr Mo 9 10 aa

L-R

n

7

2.91

1.161

0.3996

 

L-R

DKfc

7

85.28

3.829

0.0449

10 Cr Mo 9 10 hk

2-3

n

19

2.69

0.630

0.2344

 

2-3

DKfc

19

89.81

4.195

0.0467

KL7D aa

L-S

n

12

3.36

0.381

0.1143

 

L-S

DKfc

5

69.35

2.356

0.0340

KL7D hk

2-3

n

5

3.88

0.181

0.0466

E420C aa

T-L és L-T

DKth

7

5.72

1.032

0.1803

 

T-L

n

32

2.58

0.182

0.0706

 

L-T

n

7

2.42

0.191

0.0788

 

T-L

DKfc

27

101.52

5.302

0.0522

 

L-T

DKfc

5

94.43

0.964

0.0102

E420C hk

minden2)

n

17

3.60

0.568

0.1577

 

minden2)

DKfc

15

113.89

9.197

0.0808

X80TM aa

minden3)

n

26

2.49

0.561

0.2251

 

T-L és L-T

DKfc

10

136.57

3.627

0.0266

X80TM hk

2-3

n

18

2.45

0.831

0.3386

DO76 aa

L-T

n

5

3.22

0.234

0.0727

 

L-S

n

4

3.63

0.101

0.0277

 

L-T és L-S

DKfc

9

86.62

6.340

0.0732

DO76 aa4)5)

L-T és L-S

n

17

5.24

1.292

0.2467

QStE690TM aa

minden 3)

n

16

2.39

0.495

0.2070

QStE690TM aa4)5)

T-L és L-T

n

10

2.80

0.444

0.1588

1) 2-3, T-L/1-2, T-L/2-1, L-T/1-2, L-T/2-1.

2) T-L/1-2, T-L/2-1, L-T/1-2, L-T/2-1.

3) T-L, L-T, L-S.

4) I+II igénybevételi módban.

5) DK helyett DKeff értendő.

A Paris-Erdogan összefüggés két állandója közötti kapcsolatot az irodalomban (például [56]) szokásos

      

alakban kerestük, az eredményeket pedig a 7. táblázatban foglaltuk össze.

 

20. ábra: Fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék származtatása (elvi ábra)

7. táblázat: A Paris-Erdogan összefüggés két állandója közötti kapcsolatot leíró függvény paraméterei

Anyagminőség

Próbatestek

száma

A

B

Mértékegység

Acél alapanyagok

270

1.439 10-4

28.328

mm/ciklus, MPa m1/2

Acél hegesztési ömledékek és hegesztett kötések

111

3.285 10-4

42.114

mm/ciklus, MPa m1/2

Alumíniumötvözet alapanyagok és hegesztett kötések

123

2.843 10-4

346.33

mm/ciklus, N/mm3/2

A 7. táblázatban szereplő állandókkal kapcsolatban említést érdemel, hogy azok jó összhangban vannak az irodalomban [56, 69] közölt értékekkel.

A meghatározott tervezési görbék paramétereit a 8. táblázat tartalmazza.

8. táblázat: A fáradásos repedésterjedésre érvényes tervezési görbék paraméterei

Anyagminőség

DKth

n

C

DKfc

 

MPa m1/2

mm/ciklus, MPa m1/2

MPa m1/2

37 C alapanyag

10.4

2.98

6.77E-09

53

37 C hegesztett kötés

-1)2)

3.16

2.42E-09

70

10 Cr Mo 9 10 alapanyag

-3)

1.40

1.33E-06

77

10 Cr Mo 9 10 hegesztett kötés

-4)

1.76

4.54E-07

85

KL7D alapanyag

-

2.65

2.04E-08

66

KL7D hegesztett kötés

-

3.72

2.98E-10

-

E420C alapanyag

8.0

2.26

7.52E-08

92

E420C hegesztett kötés

-1)5)

2.74

1.16E-08

101

X80TM alapanyag

-

1.78

3.74E-07

129

X80TM hegesztett kötés

-

1.86

3.13E-07

-

DO76 alapanyag

-

2.94

7.74E-09

76

DO76 alapanyag6)7)

-

4.01

2.16E-10

-

QStE690TM alapanyag

-

1.82

3.27E-07

-

QStE690TM alapanyag6)7)

-

2.15

1.09E-07

-

ADI alapanyag

-

2.80

6.05E-07

-

AlMg3 alapanyag és hegesztett kötés

4.58)

2.75

3.94E-09

17

AlMg5 alapanyag és hegesztett kötés

4.58)

3.02

2.06E-09

19

AlMg4.5Mn alapanyag és hegesztett kötés

4.58)

3.06

1.87E-08

21

1) A hegesztési maradó feszültségek jellegének megítélése és nagyságának becslése után származtatható.

2) 16 mérés átlaga nyomó maradó feszültségek jelenléte esetén: DKth=16.91 MPa m1/2.

3) 2 mérés átlaga: DKth=12.7 MPa m1/2.

4) 3 mérés átlaga: DKth=8.97 MPa m1/2.

5) 4 mérés átlaga nyomó maradó feszültségek jelenléte esetén: DKth=16.29 MPa m1/2.

6) I+II igénybevételi módban.

7) DK helyett DKeff értendő.

8) A három alumíniumötvözetre egy eloszlásfüggvényt határoztunk meg.

 

3.4. Fáradásos repedésterjedés különböző alakú terhelési függvények esetén

A terhelési függvény alakja – hasonlóan a fáradásos repedésterjedésre ható többi tényezőhöz – a repedésterjedés kinetikai diagramján elkülöníthető három  tartományban eltérő módon befolyásol [56, 79, 80]. A DKth értékére a függvényalak alig hat [81], a Paris-Erdogan összefüggés állandóit (II. tartomány) azonban már számottevően befolyásolja, szoros kapcsolatban a terhelési frekvenciával [42, 82]. A függvényalak hatását – különösen magasabb hőmérsékletek esetében – annak alapján ítélik meg, hogy a maximális terhelés milyen hányadában hat a teljes terhelési ciklusnak, illetve milyen a terhelés fel- és lefutása a cikluson belül [82, 83, 84]. A kérdés energetikai jellegű megközelítése kúszás és repedésterjedés kölcsönhatása esetén jellemző [85], míg a különböző anyagminőségek viselkedésének összehasonlítása nem szokásos. A kinetikai diagram III. tartományában a ciklusalak hatása ismét kicsi, s mivel e tartomány szerepe a gyakorlat számára csekély a részletes elemzés nem indokolt.

A kutató munka során igazoltuk, hogy a háromszög, a szinusz, a trapéz és a négyszög alakú terhelési függvényekkel elvégzett vizsgálatok eredményeinek (Paris-Erdogan összefüggés kitevője) átlaga a kisebb szilárdságú anyagoknál eltérő, a nagyszilárdságú acélnál nem. A legnagyobb és a legkisebb átlagérték közötti különbség a szilárdság növekedtével csökken.

Kimutattuk, hogy a Paris-Erdogan összefüggés kitevőjének (n) átlaga a kisebb szilárdságú anyagoknál az egy terhelési ciklusban térfogategységbe befektetett munka növekedtével csökken, a nagyszilárdságú acélnál nem. Ez a repedés csúcsában kialakuló, a vizsgált anyagminőségek eltérő rugalmas-képlékeny viselkedése következtében különböző képlékeny zónával magyarázható.

A vizsgálatokhoz alkalmazott próbatestek TPB [49] típusúak voltak, s a vizsgálatokra Armco-vas, KL7D, valamint X80TM alapanyagokon került sor. A próbatestek orientációja anyagminőségenként azonos volt, az Armco-vas esetében L-T, a KL7D és az X80TM jelű acélok esetében pedig L-S [49].

Az alkalmazott terhelési függvények idealizált alakját a 21. ábra szemlélteti. Tekintettel arra, hogy a vizsgálatokra kis terhelési frekvenciával (f=5 Hz) került sor, az idealizált alaktól való eltérés a trapéz és a négyszög alakú függvények esetében sem volt jelentős.

21. ábra: A háromszög, szinusz, trapéz és négyszög alakú terhelési függvények

A 22. és a 23. ábrán erő-szétnyílás görbék láthatók Armco-vasból készült próbatestek vizsgálataiból, példaként. A terhelési függvény a 22. ábrán szemléltetett esetben háromszög, a 23. ábrán bemutatott példában pedig trapéz alakú volt.

A vizsgálati eredményekből – a Paris-Erdogan összefüggés kitevője (n) – anyagminőségenként és terhelési függvényenként képzett minták jellemzőit a 8. táblázat foglalja össze.

 

 

22. ábra: Erő-szétnyílás görbék háromszög alakú terhelési függvény esetén (Armco-vas)

 

23. ábra: Erő-szétnyílás görbék négyszög alakú terhelési függvény esetén (Armco-vas)

8. táblázat: A különböző terhelési függvényekkel elvégzett fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok eredményei (a Paris-Erdogan összefüggés kitevője)

Anyagminőség

Terhelési függvény

A minta elemszáma

Átlag

Szórás

Szórási együttható

Armco-vas aa

háromszög

4

4.50

0.764

0.1700

 

szinusz

5

3.71

0.544

0.1463

 

trapéz

5

3.45

1.052

0.3053

 

négyszög

4

3.31

0.662

0.2000

KL7D aa

háromszög

6

3.73

0.701

0.1882

 

szinusz

12

3.36

0.381

0.1143

 

trapéz

7

3.21

0.574

0.1790

 

négyszög

6

3.12

0.294

0.0943

X80TM aa

háromszög

4

2.69

0.171

0.0636

 

szinusz

13

2.62

0.750

0.2867

 

trapéz

4

2.65

0.322

0.1213

 

négyszög

4

3.17

0.507

0.1600

 

A 24. ábra grafikusan is szemlélteti az eredményeket, ahol az átlag mellett a minimális és a maximális értékeket is feltüntettük, vizsgálati csoportonként.

 

24. ábra: A terhelési ciklusalak hatása a fáradásos repedésterjedési sebesség vizsgálatok eredményeire, anyagminőségenként

Említésre érdemes még, hogy a különböző terhelési függvényekkel elvégzett vizsgálatok eredményeinek megbízhatósága és az egy terhelési ciklusban térfogategységbe befektetett munka között egyik vizsgált anyagminőségnél sincs egyértelmű összefüggés.

 

4.fejezet.....