Selectia materialelor pentru solicitari la oboseala

Selectia materialelor pentru solicitari la oboseala

Materiale metalice

Oboseala este o modificare structurala permanenta, localizata, progresiva, care apare in materialele supuse unor tensiuni alternante. Ea poate avea ca rezultat fisurarea sau ruperea dupa un numar suficient de cicluri.

In mod normal fisurarea apare sub actiunea tensiunilor ciclice de valori cu mult sub limita de curgere statica a materialului.

Fisurile de oboseala se initiaza si se propaga in regiuni in care deformatia este maxima (zone cu defecte structurale).

Durata de viata la oboseala a unei epruvete sau a unei structuri este data de numarul de cicluri de solicitare dupa care se produce ruperea. Acest numar este o functie de multe variabile si de aceea proiectantii prefera sa se bazeze mai mult pe experienta cu componente similare din exploatare, decat pe rezultatele incercarilor de laborator.

Totusi, testele de laborator sunt absolut necesare pentru evaluarea comportarii la oboseala si pentru selectia materialelor supuse solicitarilor alternante.

In ultimul timp au fost dezvoltate criterii de proiectare avand la baza principii de mecanica ruperii.

In figura1.19 sunt redate curbele Wöhler ale unor aliaje feroase si neferoase.

Cercetarile experimentale au aratat ca la oteluri si la aliajele de titan curba σ- N devine orizontala la o anumita tensiune limita. Aceasta tensiune reprezinta limita de oboseala sau limita de anduranta. Cele mai multe materiale neferoase nu prezinta o limita de oboseala. Curbele σ - N ale acestora continua sa scada

Figura 1.19 Forma curbelor Wöhler pentru unele materiale metalice

cu o viteza mica la un numar mare de cicluri. Pentru asemenea materiale, rezistenta la oboseala este determinata de tensiunea la care materialul poate fi supus unui numar specificat de cicluri.

Neajunsul principal al incercarilor σ - N este dificultatea de a face o distinctie intre perioada de initiere a fisurii si cea de propagare a acesteia.

In componentele structurale de dimensiuni mari, existenta unei fisuri nu implica in mod necesar iminenta rupere a piesei. Dupa initierea fisurii de oboseala, o piesa mai poate functiona pana la 90% din durata sa totala de viata.

De aceea, obiectivul testelor de propagare a fisurii de oboseala este de a determina viteza cu care fisurile subcritice cresc sub sarcini ciclice (da/dN) inainte de a se atinge dimensiunea critica a fisurii; cu alte cuvinte, de a estima durata totala de viata.Cresterea fisurii de oboseala este controlata in principal de incarcarea maxima si de raportul dintre tensiunea minima si cea maxima (R= σ_min / σ_max).Incercarile de propagare a fisurii implica cicluri de incarcare (amplitudine) constanta a unor probe crestate care au fost prefisurate prin oboseala (figura 1.20).Printr-o metoda optica sau electrica se masoara variatia lungimii fisurii in functie de numarul de cicluri N trecute cu bine. Aceste date sunt utilizate pentru a calcula da/dN.

Figura 1.20 Forma si dimensiunile probelor pentru incercarile de

propagare a fisurii prin oboseala

Aplicarea mecanicii liniare a ruperii arata ca pentru incarcari diferite si lungimi variabile ale fisurilor, viteza de crestere a fisurii, da/dN, este corelata factorului de intensitate a tensiunii ciclice: (1)

In aceasta relatie, reprezinta amplitudinea variatiei tensiunii nominale ciclice, iar Y este un factor dependent de geometria incarcarii si a fisurii.

Se numeste curba de fisurare, curba de variatie a lui da/dN in functie de . In scara logaritmica aceasta curba (fig.1.21) prezinta urmatoarele caracteristici

existenta unei portiuni liniare de panta m, care corespunde relatiei:

(2)

In aceasta regiune fisura se va propaga deci cu atat mai repede cu cat este mai ridicat;

pentru o anumita valoare a lui ,

(3)

viteza de fisurare devine foarte mare, producandu-se ruperea; aceasta valoare corespunde tenacitatii la rupere K_c;

invers, pentru valori ale lui inferioare unui prag , numit prag de nepropagare, nu se produce propagarea fisurii.

Figura 1.21 Curba de fisurare

Apar astfel trei domenii distincte:

pentru valori ale lui inferioare lui nu exista o propagare a fisurii si domeniul respectiv este denumit domeniul de functionare in conditii de securitate totala;

pentru apropiat de K_c ruperea va fi foarte rapida si brutala; in asemenea conditii nu se poate functiona;

intre aceste valori fisurile se propaga cu viteze variabile; in acest domeniu nu se poate functiona decat sub rezerva unui control ingrijit al propagarii lor.

Din aceste motive, multi ingineri considera ca cea mai dificila selectie a materialelor este pentru aplicatii in care predomina solicitarile de oboseala. La selectia acestor materiale, in primul rand trebuie determinata ponderea domeniului 1 al graficului din fig.1.21 in durata totala de viata a piesei. Daca elementele de masini au imbinari realizate prin sudare, nituire, cu suruburi, contributia acestora poate fi ignorata; durata totala de viata in conditii de oboseala este determinata de viteza de propagare a fisurii da/dN (domeniul 2).

Daca elementul de masina nu contine imbinari, de exemplu un angrenaj, anduranta (domeniul 1) poate fi optimizata printr-o proiectare cu cat mai putini concentratori de tensiune. Efectul celor ramasi poate fi minimizat printr-o rectificare si o lustruire a contururilor si a suprafetelor. Aplicarea unei durificari de suprafata va avea efecte pozitive deosebit de mari.

Dupa optimizarea detaliilor de proiectare se trece la evaluarea materialelor cu rezistenta statica inalta. Rezistenta la oboseala creste in general cu rezistenta la tractiune. Pentru materiale cu R_m<2000N/mm², limita de oboseala σ _-1 poate fi exprimata cu relatia:

σ_-1 = 0,37R_m + 77, N/mm² (4)

Totusi prezenta unor concentratori microstructurali de tensiune poate afecta puternic rezistenta la oboseala si pentru minimizarea numarului de locuri potentiale de initiere a fisurii este necesar un control riguros al puritatii aliajului si al microstructurii rezultate in urma tratamentelor termice secundare.

Materiale ceramice

Actualmente, nu este clar in totalitate daca oboseala conventionala se produce in materialele ceramice. Totusi, dupa un anumit timp apare ruperea in aceste materiale fragile, in ciuda absentei plasticitatii la varful fisurii, inerenta in materialele care arata o rupere prin oboseala. Una din categoriile de ruperi care apare dupa un anumit timp, conoscuta sub numele de oboseala statica, este fisurarea prin coroziune sub tensiune provocata de umezeala. Rezultatele obtinute pe probe din alumina supuse unor cicluri de tractiune - compresiune indica posibilitatea extinderii fisurii de oboseala. In acest studiu, timpul de solicitare, sub o tensiune invariabila, pana la aparitia ruperii a fost comparat cu un test de oboseala intindere - compresiune la tensiuni de varf echivalente. Pentru conditiile de solicitare ciclica timpii de cedare au fost mai mici (figura 1.22).

Figura 1.22 Date comparative privind ruperea cicilica si statica a aluminei policristaline

La sticla si portelan s-a constatat ca efectele adevaratei oboseli asupra vitezei de fisurare nu sunt importante.

De asemenea, unele date preliminare obtinute pe Si₃N₄ la temperaturi ridicate nu au evidentiat o degradare semnificativa a materialului ca urmare a solicitarilor ciclice. Au mai fost realizate incercari de cuantificare a efectelor oboselii asupra unor probe din titanat zirconat de plumb fixate in patru puncte. Ele au fost testate prin indoire sub o sarcina de 70% din rezistenta la rupere pe durata unui milion de cicluri. Cel mai scurt timp pana la aparitia ruperii a fost de 700 cicluri la un varf al tensiunii aplicate de 52 N/mm². Probele testate la 34N/mm² au rezistat mai mult de 2 milioane de cicluri. Cercetarile la microscopul electronic cu baleiaj nu au dezvaluit un mecanism de rupere progresiva care sa indice oboseala in dezvolare la aceste materiale.

Polimeri si compozite

Asemanator materialelor metalice, polimerii solicitati ciclic se pot rupe la tensiuni mult mai mici decat cele estimate de valorile rezistentei la rupere. Spre deosebire insa de metale, nu se poate folosi o regula de calcul a tensiunii in proiectare, cum ar fi 50% din rezistenta la rupere, atunci cand datele de oboseala nu sunt disponibile. La unii polimeri neranforsati limita de oboseala poate fi chiar 20% din rezistenta la rupere.

Pe de alta parte, compozitele avansate au o comportare mai buna la oboseala decat cele mai multe materiale metalice. De exemplu, compozitele grafit - epoxid supuse unor solicitari de oboseala prin intindere - intindere, retin cca.60% din rezistenta la rupere initiala dupa 10 milioane de cicluri, depasind atat performantele otelurilor cat si ale aliajelor de aluminiu.

Obisnuit, incercarile de oboseala se fac prin tractiune - tractiune, compresiune - compresiune sau tractiune - compresiune, aceasta fiind functie de starea de solicitare predominanta din functionare. La fel ca si la materialele metalice, rezultatele experimentale se inregistreaza pe o curba - N. La unii polimeri neranforsati ca de exemplu PTFE (politetrafluoretilena) si PMMA (polimetilmetacrilatul) se poate determina o limita de oboseala. La alti polimeri, indeosebi cei cu structura amorfa, curba - N are o panta constanta negativa. In aceste cazuri rezistenta la oboseala este definita ca fiind tensiunea corespunzatoare numarului de cicluri care depaseste durata de viata impusa materialului.Fibrele de ranforsare pot mari semnificativ limita de oboseala a polimerilor ingineresti. In general, durata de viata la oboseala a termoplastelor cristaline ranforsate cu fibre poate fi determinata suficient de precis; dimpotriva, la compozitele cu baza amorfa acest lucru nu este posibil. Rezistenta mai mare la indoire, conductivitatea termica mai inalta si o umezire mai scazuta sunt caracteristici ale polimerilor cristalini care imbunatatesc durata de viata la oboseala. In tabelul 1.7 si figurile 1.231.25 sunt prezentate o serie de date privind rezistenta la oboseala a compozitelor cu matrice de polimeri.

Tabelul 1.7 Rezistenta la oboseala a termoplastelor ranforsate cu fibre

Figura 1.23 Curbele - N ale unor polimeri ranforsati cu fibre de C

Figura 1.24 Curbele - N pentru polieteretercetona

Fig.1.25 Compararea rezistentei la oboseala a compozitelor carbon/epoxid cu cea a aliajelor de titan si de aluminiu