P?kni?cia zm?czeniowe s? na ogó? wynikiem okresowych odkszta?ceń plastycznych w obszarach lokalnych. Zm?czenie definiuje si? jako ?awari? pod powtarzaj?cym si? obci??eniem lub innymi typami warunków obci??enia, a ten poziom obci??enia nie jest wystarczaj?cy do spowodowania uszkodzenia, gdy zostanie zastosowany tylko raz”. To odkszta?cenie plastyczne wyst?puje nie z powodu teoretycznego napr??enia idealnego elementu, ale dlatego, ?e powierzchnia elementu nie mo?e by? faktycznie wykryta.

August W?hler jest pionierem badań zm?czeniowych i przedstawia metod? empiryczn?. W latach 1852-1870 w?hler bada? post?puj?c? awari? osi kolejowych. Zbudowa? stanowisko testowe pokazane na rysunku 1. Stanowisko to umo?liwia jednoczesne obracanie i zginanie dwóch osi kolejowych. W?hler wykre?li? zale?no?? mi?dzy napr??eniem nominalnym a liczb? cykli prowadz?cych do uszkodzenia, co jest pó?niej znane jako wykres SN. Ka?da krzywa nadal nazywana jest lini? aw?hlera. Metoda Sn jest nadal najcz??ciej stosowan? metod?. Typowy przyk?ad tej krzywej pokazano na rysunku 1.

Na linii w?hlera mo?na zaobserwowa? kilka efektów. Po pierwsze, zauwa?amy, ?e krzywa SN poni?ej punktu przej?cia (oko?o 1000 cykli) jest nieprawid?owa, poniewa? napr??enie nominalne jest tutaj elastoplastyczne. Poka?emy pó?niej, ?e zm?czenie spowodowane jest uwolnieniem energii plastycznego odkszta?cenia ?cinaj?cego. Dlatego nie ma liniowej zale?no?ci mi?dzy napr??eniem a odkszta?ceniem przed p?kni?ciem i nie mo?na go stosowa?. Pomi?dzy punktem przej?cia a granic? zm?czenia (oko?o 107 cykli) analiza oparta na Sn jest wa?na. Powy?ej granicy zm?czenia nachylenie krzywej gwa?townie si? zmniejsza, wi?c obszar ten jest cz?sto okre?lany jako obszar ?nieskończonej ?ywotno?ci”. Ale tak nie jest. Na przyk?ad, stop aluminium nie b?dzie mia? nieskończonej ?ywotno?ci, a nawet stal nie b?dzie mia?a nieskończonej ?ywotno?ci przy obci??eniu o zmiennej amplitudzie.

Wraz z pojawieniem si? nowoczesnej technologii wzmacniania, ludzie mog? bardziej szczegó?owo bada? p?kni?cia zm?czeniowe. Obecnie wiemy, ?e powstawanie i propagacj? p?kni?? zm?czeniowych mo?na podzieli? na dwa etapy. W pocz?tkowej fazie rysa propaguje si? pod k?tem oko?o 45 stopni w stosunku do przy?o?onego obci??enia (wzd?u? linii maksymalnego napr??enia ?cinaj?cego). Po przekroczeniu dwóch lub trzech granic ziaren, jego kierunek zmienia si? i rozci?ga si? w kierunku oko?o 90 stopni w stosunku do przy?o?onego obci??enia. Te dwa etapy nazywane s? p?kni?ciem etapu I i p?kni?ciem etapu II, jak pokazano na rysunku 2.

Je?li obserwujemy p?kni?cie stopnia I przy du?ym powi?kszeniu, widzimy, ?e napr??enie przemienne doprowadzi do powstania ci?g?ego pasma po?lizgu wzd?u? maksymalnej p?aszczyzny ?cinania. Te opaski po?lizgowe przesuwaj? si? tam iz powrotem, podobnie jak talia kart, co powoduje nierówne powierzchnie. Wkl?s?a powierzchnia ostatecznie tworzy ?p?czkuj?ce” p?kni?cie, jak pokazano na rysunku 3. W fazie I p?kni?cie b?dzie si? rozszerza? w tym trybie, a? napotka granic? ziaren i chwilowo si? zatrzyma. Gdy do s?siednich kryszta?ów zostanie przy?o?ona wystarczaj?ca ilo?? energii, proces b?dzie kontynuowany.

Po przekroczeniu dwóch lub trzech granic ziaren kierunek propagacji p?kni?? wchodzi teraz w faz? II. Na tym etapie zmieni?y si? w?a?ciwo?ci fizyczne propagacji p?kni??. Samo p?kni?cie stanowi makroprzeszkod? dla przep?ywu napr??eń, powoduj?c du?? koncentracj? napr??eń plastycznych na wierzcho?ku p?kni?cia. Jak pokazano na rysunku 4. Nale?y zauwa?y?, ?e nie wszystkie p?kni?cia I stopnia rozwin? si? do II stopnia.

Aby zrozumie? mechanizm propagacji fazy II, musimy wzi?? pod uwag? sytuacj? w przekroju wierzcho?ka p?kni?cia podczas cyklu napr??eń. Jak pokazano na rysunku 5. Cykl zm?czeniowy rozpoczyna si?, gdy napr??enie nominalne znajduje si? w punkcie ?a”. Gdy intensywno?? napr??eń wzrasta i przechodzi przez punkt ?B”, zauwa?amy, ?e wierzcho?ek p?kni?cia otwiera si?, powoduj?c lokalne plastyczne odkszta?cenie ?cinaj?ce, a p?kni?cie rozci?ga si? do punktu ?C” w pierwotnym metalu. Gdy napr??enie rozci?gaj?ce spada przez punkt ?d”, obserwujemy, ?e wierzcho?ek p?kni?cia zamyka si?, ale trwa?e odkszta?cenie plastyczne pozostawia unikalne z?bkowanie, tzw. ?lini? ci?cia”. Kiedy ca?y cykl kończy si? w punkcie ?e”, obserwujemy, ?e p?kni?cie zwi?kszy?o teraz d?ugo?? ?Da” i utworzy?o dodatkowe linie przekroju. Obecnie rozumie si?, ?e zakres wzrostu p?kni?cia jest proporcjonalny do zakresu zastosowanego odkszta?cenia spr??ysto-plastycznego wierzcho?ka p?kni?cia. Wi?kszy zakres cykli mo?e tworzy? wi?ksze Da.

Czynniki wp?ywaj?ce na tempo wzrostu p?kni?? zm?czeniowych

Zbadano i wyja?niono koncepcyjnie wp?yw nast?puj?cych parametrów na szybko?? rozwoju p?kni?? zm?czeniowych:

1Napr??enie ?cinaj?ce

Z wykresu wida?, ?e pewna ?ilo??” napr??enia ?cinaj?cego jest uwalniana podczas okresowej zmiany si?y napr??enia nominalnego. A im wi?kszy zakres zmian stresu, tym wi?ksza uwalniana energia. Na podstawie krzywej SN pokazanej na rysunku 1 wida?, ?e trwa?o?? zm?czeniowa maleje wyk?adniczo wraz ze wzrostem zakresu cyklu napr??eń.

2 ?redni stres

Napr??enie ?rednie (napr??enie szcz?tkowe) jest równie? czynnikiem wp?ywaj?cym na wska?nik zm?czenia. Koncepcyjnie, je?li napr??enie rozszerzaj?ce zostanie przy?o?one do p?kni?cia fazy II, p?kni?cie zostanie zmuszone do otwarcia, wi?c ka?dy cykl napr??eń b?dzie mia? bardziej znacz?cy wp?yw. Wr?cz przeciwnie, je?li zastosuje si? ?rednie napr??enie ?ciskaj?ce, p?kni?cie zostanie zmuszone do zamkni?cia, a ka?dy cykl napr??eń musi przezwyci??y? napr??enie przed ?ciskaniem, zanim p?kni?cie b?dzie mog?o dalej si? rozszerza?. Podobne koncepcje dotycz? równie? p?kni?? I stopnia.

3 wykończenie powierzchni

Poniewa? p?kni?cia zm?czeniowe zwykle pojawiaj? si? najpierw na powierzchni elementów, na których wyst?puj? defekty, jako?? powierzchni powa?nie wp?ynie na prawdopodobieństwo wyst?pienia p?kni??. Chocia? wi?kszo?? próbek testowych materia?ów ma lustrzane wykończenie, dzi?ki czemu osi?gn? równie? najlepsz? trwa?o?? zm?czeniow?. W rzeczywisto?ci wi?kszo?ci komponentów nie mo?na porówna? z próbkami, dlatego musimy zmodyfikowa? w?a?ciwo?ci zm?czeniowe. Wykończenie powierzchni ma wi?kszy wp?yw na zm?czenie elementów poddanych cyklom napr??eń o niskiej amplitudzie.

4 obróbka powierzchni

Obróbk? powierzchni mo?na zastosowa? w celu zwi?kszenia wytrzyma?o?ci zm?czeniowej komponentów. Celem obróbki powierzchni jest wytworzenie szcz?tkowego napr??enia ?ciskaj?cego na powierzchni. W okresie niskiej amplitudy napr??enie na powierzchni jest oczywi?cie niskie, a nawet utrzymuje stan ?ciskania. Dzi?ki temu ?ywotno?? zm?czeniowa mo?e zosta? znacznie przed?u?ona. Jednak, jak wskazali?my, sytuacja ta dotyczy tylko elementów poddanych cyklom napr??eń o niskiej amplitudzie. Je?eli zastosowany zostanie okres o wysokiej amplitudzie, kompresja wst?pna zostanie pokonana przez okres o wysokiej amplitudzie, a jej zalety zostan? utracone. Podobnie jak w przypadku jako?ci powierzchni, wp?yw obróbki powierzchni mo?na wykaza? za pomoc? modelowania.