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:
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:
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). Copyright © 2000 |