Utrujanje s končnim številom nihajnih obremenitev do loma UDK 66q.l4.018.8:53q.43 ASM/SLA SS, Q7j Janez Žvokelj Na Metalurškem inštitutu smo z nabavo novega preizkuševalnega stroja INSTRON dobili možnost preizkušanja materialov pri dinamičnih obremenitvah. Krmilni in registracijski sistemi tega stroja nam z veliko natančnostjo omogočajo tudi izvajanje preizkusov utrujanja s končnim številom nihajev do loma. Nekaj začetnih ugotovitev in rezultatov, ki smo jih dobili pri tovrstnem preizkušanju avstenitnega jekla vrste Prokron 1, je obravnavano v predloženem članku. UVOD Kadar se po daljši ali krajši dobi trajanja nepričakovano zlomi konstrukcijski del, ki je bil v uporabi izpostavljen enakomernim ali sunkovitim menjajočim se obremenitvam, pripisujemo vzrok za nastanek loma utrujenosti materiala. Posledice lomov so večje ali manjše materialne škode, posebej pa nam ostaja v zavesti, kadar terjajo lomi tudi človeška življenja, kot se to dogaja pri poškodbah na prevoznih sredstvih, zlasti v letalskem prometu. Lom zaradi utrujenosti nastopi kot posledica številnih faktorjev: od osnovnih mehanskih lastnosti materiala pa vse do konstrukcijske zasnove in izvedbe delov ali sklopov, preko katerih se prenašajo dinamične obremenitve v uporabi.. Zato je seveda najbolj ustrezno preizkušati kritične dele in sklope neposredno, ob čim vernejšem simuliranju predvidenih obremenitev in razmer, ki jim bo konstrukcija izpostavljena v uporabi. S pomočjo modernih pripomočkov: računalnikov, krmilnih in merilnih sistemov, lahko vedno v večji meri vršimo takšna programirana preizkušanja, vendar je njihova cena visoka. S tem klasična preizkušanja mehanskih lastnosti materialov pri dinamičnih obremenitvah niso potisnjena v ozadje. Njihova vrednost ostaja, ker nam dajo osnovne karakteristike o ponašanju materialov pri dinamičnih obremenitvah, ki jih konstruktor že lahko upošteva. Preizkušanja so tudi izredno raznolika že glede na vrsto in predznak napetosti, J. Žvokelj, dipl. ing. metalurgije, samostojni raziskovalec na Metalurškem inštitutu frekvenco itd., zelo primerna pa so nadalje za raziskovanje vplivov posameznih parametrov, tudi različnih zunanjih faktorjev. Mehanski preizkusi materialov pri dinamičnih obremenitvah so izvedeni z enakomernim cikličnim ali vsaj z variabilnim obremenjevanjem, ki se ciklično ponavlja. Za varnost konstrukcije, ki je v uporabi izpostavljena dinamičnim obremenitvam pri različnih razmerah, nas zanima število sunkov ali ciklov, ki jih material izdrži bodisi do zloma, bodisi ob čimvečji statistični verjetnosti brez porušitve. Izkaže se, da je število nihajev do zloma (ob upoštevanju vrste in predznaka napetosti) odvisno od velikosti ciklične napetosti. Ta odnos je poznan kot Wohlerjeva krivulja (si. 1). Diagram z Wohlerjevo krivuljo lahko delimo na dva dela glede na število nihajev do zloma: v območje napetosti, kjer pride do loma po končnem številu Dinamična trdnost pri omejenem številu nihajev 0N = ffsr t OAN CSr= 0 On - t Oan Število nihajev N Slika 1 WohIerjevi krivulji (shematično) dveh materialov, ki se razlikujeta po trajni dinamični trdnosti ( L a o c o C .C Stvarna napetost v N/mm2 Slika 12 Velikost stopnje napredovanja razpoke v odvisnosti od trenutne napetosti. Fig. 12 Magnitude of crack propagation depending on the momentary stress. skušamo prikazati na diagramu na si. 12. V področju, kjer je velikost »letnic«, oziroma napredovanje razpoke možno izmeriti, je vendarle možno postaviti neko medsebojno odvisnost, kar bi nam omogočilo, da bi približno ocenili število nihajev od nastanka razpoke pa do zloma. Glede na zadnji del preloma pa izračun pokaže, da je bila raztržna napetost, izračunana na zmanjšani presek, 561 N/mm2, kar je približno enako natezni trdnosti jekla Prokron 12 pri statičnem nateznem preizkusu. Literatura 1. W. Dahl in sod.: Verhalten von Stahl bei schwingender Beanspruchung, Verlag Stahleisen M. B. H. Dusseldorf, 1978. 2. E. Siebel: Die Priifung der metallischen Werkstoffe II. izdaja, Springer-Verlag, Berlin, 1955. 3. G. E. Dieter: Mechanical Metallurgy, II. izdaja, Mc Gravv — Hill, New York, 1977. 4. Predpisi GOST 10145-62, ASTM 600 T, JUS C.A4, 935 5. J. Žvokelj: Vrtilno-upogibni preizkusi konstrukcijskih jekel, Poročilo Metalurškega inštituta št. 216, 1973. ZUSAMMENFASSUNG Beim Ermiidungsversuch mit zeitlich begrenzter Schwingungsfestigkeit, das heisst bei kleiner Lastspielzahl, entstehen im Spannungscyklus elasto-plastische Verfor-mungen. Im Koordinatensystem: Spannung-Verformung vverden diese als Hysteresisschleifen registriert. Dieses Phanomen ist besonders bei den Metallstoffen mit einer nichtausgepragten Streckgrenze interessant, zu denen auch austenitische Stahle gehoren. An dem Stahl Prokron 12, ist die Zeitschvvingtestigkeit bei 105 Schwingspiele bestimmt vvorden, und auch die begleitenden Erscheinungen sind registriert vvorden. Die Priifungen sind an der neuen Priifmaschine INSTRON durchgefiihrt vvorden. Bei der gesteuerten Priifung mit konstanter Amplitude der Wechselspannungen sind die Anderungen der Breite der Hysteresisschleife in der Abhangigkeit von der Schvvingspielszahl, und bei versehiedenen Spannungsampli-tuden, gemessen vvorden. Mit dem Rasterelektronenmikroskop sind die Bruch-flachen, die Risausbreitung und die Eigenheiten der Bruchflache, bis zum Bruch, untersucht vvorden. Es vvird festgestellt, dass die Schrittbreite eine parabolisehe Abhangigkeit von der tatsachlichen Spannung aufvveisst. Dem Aussehen nach kann ein ausgepragter Ermiidungs-bruch bis zu etvva 1/2 Durchmesser in die Tiefe bestimmt vverden, spater vervvischen sich die mikroskopisehen Eigenheiten des Ermiidungsbruches, vvegen der grossen Schritte der Ausbreitung, immer mehr. SUMMARY In lovv cycle fatigue test i. e. vvith the limited number of cycles to the destruetion, elasto-plastic deformations occur in the stress cycle. In the stress-strain coordinate system they are registered as hysteresis loops. These phenomena are especially interested in the metallic ma-terials vvith unpronounced yield point like austenite steel. Fatigue strength for finite life vvas determined for Prokron 12 steel at 105 cycles. Accompanying phenomena vvere registered. Tests vvere made on the nevv Instron testing machine. In the tests vvith monitored constant amplitude of alternating stresses the changes in the vvidth of the hysteresis loop depending on the cycle number and at various stress amplitudes vvere measured. Fracture surfaces vvere observed in scanning micro-scope, and propagation of cracks, and the characteristics of the fracture surface to the destruetion vvere analyzed. It vvas found that step vvidth parabolically inereases vvith the aetual stress. The pronounced fatigue fracture can be determined to about one half diameter into the depth, later microscopic characteristics of the fatigue fracture are less evident because of greater steps of the crack propagation. 3AKAK)qEHHE nPH IIOaBACHIIH yCTaAOCTll B OOAaCTH BpeMeHHO orpaHIMeHHOH AUHaMHMecKOH Harpy3KH, r. e. c KOHeHHbiM mhcaom KOAe6aHHH ao naCTynAeHH» paapbiBa, noAVMaioTCa mokav uhkahmh HanpaaceHHa SAacTHHHO-nAacTHiecKHe AeopMauHH, KOTOpbie mohcho aaperacTpH-poBaTb KaK rHCTepe3HCHbie neTAH. 3th abachiis b oeo6eHHOCTH npn-MeHareAbHbi npti MeTaAAax c HeAocraTOHHO BbipaJKeHHbiM npeAeAOM naacthihocth, mto xapaKiepHO TaioKe M' aycTenHTHbix CTaAefl. Ha CTaAH MapKH Prokron 12 onpeAeAaAH AHHaMHHecKyio aaii-TeAbHyio npoHHoeTb npn IOs KOAe6aHHH H BeAH perHCTpaipno co-nyTCTBbiiomHX aBAeHHH. HccAeAOBaHna BbinoAHaAHCb Ha hobom npH-6ope aah HcnbnaHHa matephaaa npMbi Inston. npn onbiTax ynpaBAenna c nocToaHHofi a.wnAHTyAOH nepesaeH- Horo nanpajKeHiia BbinoAHaAHCb H3MepeHHl H3MeneiiHa lUHpuHbi rHCTepe3HCHOH neTAH B 3aBHCHMOCTH OT HHCAa KOAeGaHHH npn pa3AHHHHX aMnAHTyAax HanpaaceHiia. C paCTpOBbIM 3AeKTpohhbim MHKpOCKOnOM paCCMOTpeHbl no-BepxHOCTH h3aoma, Ha6AK>AaAH 3a pacumpeHHeM TpemHH h 3a xapaKTepHCTHKaMH n0BepxH0CTH H3A0Ma Bce AO pa3pbiBa. Onpe-AeAHAH, hto uiHpHHa uiara yBeAHHHBaeTca b napaSoAHHecKofi 3aBH-chmocth ot aKTH