background image

 

 

            

POLITECHNIKA

 

CZĘSTOCHOWSKA 

WYDZIAŁ

 

BUDOWNICTWA 

 

SAMODZIELNY ZAKŁAD  

WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW 

 

L

ABORATORIUM

 

 
 
 

 
 

S

PRAWOZDANIE 

N

T

EMAT

B

ADANIE WYTRZYMAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ MATERIAŁÓW

 

 

 
 
 
 
 
 

Krzysztof Komisarczuk 

Rok II Grupa II 

Rok akademicki 2011/2012 

Studia niestacjonarne 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

 
Zmęczenie  materiału  polega  na  jego  stopniowym  niszczeniu  pod  wpływem 

wielokrotnych  okresowo  zmiennych  obciążeń.  Powtarzające  się  obciążenia  wywołują  w 
materiale powstawanie początkowo drobnych pęknięć, które w miarę wzrostu ilości cykli (zmian 
obciążenia) zmieniają się i łączą, prowadząc do złamania elementu konstrukcyjnego. 
 

Zjawisko  zmęczenia  jest  szczególnie  niebezpieczne  w  eksploatacji  maszyn  z  dwóch 

powodów: 

1.  Pęknięcia  zmęczeniowe  powstają  przy  naprężeniach  znacznie  mniejszych  nie  tylko  od 

wytrzymałości statycznej materiału, ale i od jego granicy plastyczności . 

2.  Złom  zmęczeniowy  jest  złomem  kruchym,  nie  poprzedzają  go  dające  się  zauważyć 

odkształcenia  trwałe.  Pęknięcie  następuje  nagle,  zwykle  po  dłuższym  okresie 
niezawodnej pracy maszyny. 

Proces zmęczenia rozpoczyna się najczęściej w warstwie powierzchniowej materiału. 

Zasadniczą próbą zmęczeniową jest badanie, w którym próbka w kształcie pręta o stałym 

przekroju podlega działaniu okresowo zmiennej siły osiowej. W próbce występuje równomierny 
stan naprężenia. Z tego względu wyniki tej próby mogą być miarodajne w ocenie wytrzymałości 
zmęczeniowej badanego materiału. Do realizacji badań zmęczeniowych tego typu wykorzystuje 
się maszyny wytrzymałościowe zwane pulsatorami. 

Współczesne maszyny do prowadzenia badań wytrzymałości zmęczeniowej mają zwykle 

napęd  hydrauliczny  i  są  sterowane  za  pomocą  odpowiednich  programów  komputerowych,  co 
umożliwia  wykonywanie  bardzo  złożonych  prób  oraz  rejestrację  i  analizę  otrzymywanych 
wyników pomiarów. 

Istnieje  możliwość  realizowania  najrozmaitszych  programowanych  stanów  obciążenia, 

również  łączenia  obciążeń  stałych,  jednostronnie  zmiennych  i  cyklicznie  dowolnie 
(np.sinusoidalnie,  trapezoidalnie)  zmiennych  (zmęczeniowych).  Do  tych  stanów  obciążenia 
należy  zarówno  rozciąganie,  jak  i  ściskanie,  zginanie,  skręcanie,  ścinanie  i  złożone  stany 
obciążenia. 

Do  badań  wytrzymałości  zmęczeniowej  wykorzystuje  się  również  zjawisko  rezonansu. 

Są to tzw. maszyny rezonansowe. Realizuje się w tym przypadku drgania próbki o częstotliwości 
zbliżonej  do  częstości  drgań  rezonansowych  układu  masa-element  sprężysty.  Elementem 
sprężystym  jest  badana  próbka.  Masę  stanowią  obciążniki  dobierane  odpowiednio  do  próbki  i 
żądanej  siły  obciążającej.  Drgania  wzbudza  się  i  podtrzymuje  za  pomocą  układów 
elektromagnetycznych  charakteryzujących  się  bardzo  małym  zapotrzebowanie  energii 
elektrycznej i brakiem części wirujących. 

Jeszcze  inne  możliwości  stwarza  technika  ultradźwiękowa.  W  skład  urządzenia 

badawczego wchodzą m.in. generatory drgań ultradźwiękowych o częstotliwości rzędu 20 kHz, 
przetworniki mechaniczne, uchwyty do zamocowywania próbek i elektroniczny układ sterująco-
pomiarowy.  Wzajemne  położenie  wspomnianych  części  uchwytowych  jest  nastawialne,  dzięki 
czemu można np. uzyskiwać rozciąganie lub ściskanie próbki, bądź też – zginanie. Częstotliwość 
działania generatorów drgań dostraja się do częstotliwości rezonansowej badanej próbki wraz z 
układem  mocującym.  W centralnej części próbki  można uzyskiwać odkształcenia sprężyste  lub 
równocześnie sprężyste i plastyczne, aż do wystąpienia pęknięcia zmęczeniowego. Liczbę cykli 
zmian  obciążenia  określa  się,  mnożąc  częstotliwość  wymuszania  drgań  przez  czas  trwania 
badania. 
W procesie zmęczenia można wyróżnić trzy etapy: 

1. Etap przygotowawczy, w którym powstają sub- i mikroszczeliny 
2. Etap rozwoju i łączenia mikroszczelin w makropękniecia  
3. Etap nagłego zniszczenia uszkodzonego elementu 
 
 
 

background image

 

 

Pęknięcia  zmęczeniowe  rozwijają  się  od  tzw.  ognisk,  które  powstają  w  miejscach 

spiętrzenia  naprężeń  lub  wad  materiałowych.  Ogniska  z  reguły  znajdują  się  w  warstwie 
powierzchniowej  materiału.  W  elementach  utwardzonych  powierzchniowo  ogniska  mogą 
występować w strefie przejściowej pod warstwą utwardzoną. 

Do najważniejszych przyczyn wywołujących powstanie i rozwój pęknięć zmęczeniowych 

należą: 

1. 

Niewłaściwe  zaprojektowanie  elementu  konstrukcyjnego  z  nagłą  zmianą 
przekrojów lub ostrymi karbami 

2. 

Wady  materiałowe  jak  np..  pory,  pęcherze  gazowe,  wtrącenia  niemetaliczne  lub 
powstały w wyniku obróbki niekorzystny układ naprężeń własnych 

3. 

Niewłaściwe  wykonanie  elementu  konstrukcyjnego,  np.  ślady  po  obróbce 
mechanicznej, rysy na powierzchni itp. 

4. 

Niewłaściwa  eksploatacja  danego  elementu,  np.  przeciążenie,  rezonans,  korozja, 
uszkodzenie powierzchni, nagła zmiana temperatury itp. 

 

CEL ĆWICZENIA 

 

 

Celem  ćwiczenia  jest  praktyczne  wyznaczenie  wytrzymałości  na  zmęczenie  przy 

symetrycznym  cyklu  obciążenia,  a  następnie  –  dla  danych  wartości  granicy  plastyczności  R

e

  i 

wytrzymałości  na  rozciąganie  R

m

  badanego  materiału  –  sporządzenie  uproszczonego  wykresu 

zmęczeniowego  Smitha  oraz  wyznaczenie  współczynnika  bezpieczeństwa  na  zmęczenie  dla 
przykładowego cyklu naprężeń zmiennych. 

 

OBCIĄŻENIA I NAPRĘŻENIA OKRESOWO ZMIENNE 

 

Najprostszy przypadek okresowo zmiennego obciążenia jest przypadek działania osiowej 

siły P, której wartość jest harmoniczną funkcją czasu t. Siła ta da się określić wzorem: 

 

N

t

P

P

a

sin

   (1) 

 

gdzie P

a

  [N] jest amplitudą siły, ω  [s

-1

] – częstością kołową zmian tej siły. 

Okres zmian wartości siły wynosi 

2

T

  [s]   (2) 

a częstość zmian 

2

1

T

   [Hz]   (3) 

 

Jeżeli n oznacza liczbę okresowych zmian zachodzących w ciągu 1 minuty, to 

30

n

   [s

-1

]   (4) 

 

Jeśli  pod  wpływem  działania  tak  zdefiniowanej  siły  w  obciążonym  elemencie  wystąpi 
jednoosiowy  stan  napięcia,  to  wartość  głównego  naprężenia  normalnego  zmieniać  się  będzie 
według zależności: 

 

t

a

sin

   (5) 

w  której  |σ

a

|  określa  tzw.  amplitudę  naprężenia.  Naprężenie  σ  zmieniać  się  będzie  zatem 

okresowo w zakresie od σ

max

= +σ

a

 do σ

min

= -σ

a

, symetrycznie względem zera. Takie naprężenia 

nazywać  będziemy  wahającymi  lub  oscylującymi,  a  przebieg  ich  zmian  w  czasie  określa 
sinusoida. Jedną  zmianę  naprężenia od wartości  np. σ

max

 do najbliższej tej samej wartości σ

max

 

nazywamy  cyklem,  a  czas  tej  zmiany  mierzony  w  sekundach  –  okresem  T.  W  przypadku 

background image

 

 

dowolnego,  lecz  okresowego  przebiegu  zmian  naprężeń,  wartości  naprężeń  są  w  każdej  chwili 
inne,  lecz  zawsze  zawarte  między  σ

max

  i  σ

min

.  Przebieg  ich  zmian  można  zatem  przedstawić 

również  w  postaci  sinusoidy,  której  oś  wyznaczona  będzie  przez  średnie  naprężenie  cyklu 
wynoszące 

2

min

max

m

   (6) 

 
 

 

 

Rys. 1 Przebieg zmiany naprężenia normalnego w trakcie osiowego rozciągania lub/i ściskania 

 

Amplitudą  zmian  naprężeń  takiego  cyklu  będzie  połowa  algebraicznej  różnicy  naprężeń 
skrajnych σ

max

 i σ

min

, czyli 

2

min

max

m

   (7) 

 

Dowolny  zatem  okresowy  przebieg  zmian  naprężeń  można  uzyskać  przez  nałożenie  naprężeń 
wahających na naprężenie stałe, równe naprężeniu średniemu σ

m

 

a

m

min

max

   (8) 

 

Szczególnym  przypadkiem  takiego  okresowego  przebiegu  zmian  naprężeń  jest  przypadek  tzw. 
tętniącego  cyklu  naprężeń,  w  czasie  którego  naprężenia  zmieniają  się  od  wartości  σ

min

=  0  do 

pewnej  stałej  wartości  σ  dodatniej  lub  ujemnej  –  bez  zmiany  znaku.  Amplituda  tych  naprężeń 

wynosi 

|

|

2

1

a

Stosunek naprężenia średniego σ

m

 do amplitudy naprężenia σ

a

 

a

m

 

   (9) 

background image

 

 

 

nazywamy współczynnikiem stałości obciążenia, a stosunek najmniejszej wartości naprężeń σ

min

 

do wartości największej σ

max

max

min

r

   (10) 

 

nazywamy charakterystyką cyklu (lub współczynnikiem asymetrii). 
 

W  zależności  od  wartości  naprężeń  σ

max

  i  σ

min

,  w  których  zakresie  mogą  się  zmieniać 

naprężenia okresowe σ, rozróżnić można następujące cykle: 

- cykl jednostronny dodatni 
- cykl tętniący dodatni 
- cykl dwustronny dodatni 
- cykl wahający (oscylujący) 
- cykl dwustronny ujemny 
- cykl tętniący ujemny 
- cykl jednostronnie ujemny 

Cykl wahający (oscylujący) nazywany bywa często cyklem symetrycznym, a cykl dwustronny – 
asymetrycznym. 
 
 

WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA PRZY CYKLACH SYMETRYCZNYCH 

 

 

Najczęściej  stosowanym  przypadkiem  obciążeń  zmęczeniowych  jest  –  ze  względu  na 

łatwość  realizacji  –  symetryczne  zginanie  obracających  się  próbek  obciążonych  stałymi  siłami 
skupionymi.  Siły  te  przyłożone  są  najczęściej  w  taki  sposób,  aby  dawały  przypadek  czystego 
zginania w środkowej, pomiarowej części próbki. 
 

 

 

Rys.2 Schemat obciążenia próbki przy zmęczeniowej próbie zginania 

 
 

 

Badania  zmęczeniowe  przeprowadza  się  na  serii  jednakowych  próbek,  z  których  każdą 

obciąża  się  innymi  wartościami  naprężeń  σ

max

,  mierząc  liczbe  cykli  n  zmian  tego  obciążenia 

potrzebną  do  spowodowania  zmęczeniowego  zniszczenia  próbki.  Otrzymane  w  ten  sposób 
zależności  n  =  f(σ

max

)  dadzą  się  przedstawić  w  układzie  współrzędnych  σ

max

,  n  w  postaci 

krzywej noszącej nazwę krzywej (wykresu) Wöhlera. 
 

background image

 

 

 

 

 

Rys. 3 Wykres Wöhlera 

 
 
 

Przy  malejących  wartościach  naprężeń  σ

max

  krzywa  Wöhlera  dąży  asymptotycznie  do 

pewnej linii prostej, równoległej do osi n, co oznacza, że materiał badany jest w stanie przenieść 
nieskończenie  dużą  liczbę  cykli  zmian  takich  naprężeń,  których  amplituda  nie  przekroczy 
wartości  odpowiadającej  położeniu  tej  asymptoty.  Naprężenie  określające  położenie  tej 
asymptoty  odpowiada  rzeczywistej  wytrzymałości  zmęczeniowej.  W  praktyce  położenie 
poziomej  asymptoty  krzywej  Wöhlera  określa  się  z  wystarczającą  dla  celów  praktycznych 
dokładnością  przez  podanie  rzędnej  tej  krzywej  w  punkcie  odpowiadającym  umownej,  bardzo 
dużej liczbie N = 5∙10

6

 ÷ 5∙10

7

 cykli zmęczeniowych, praktycznie uważanej za nieskończoną. 

 

Wytrzymałością  zmęczeniową  Z  przy  cyklach  symetrycznych  nazywamy  zatem 

największą  wartość  naprężenia  σ

max

,  które  próbka  wykonana  z  badanego  materiału  może 

przenieść  praktycznie  nieskończoną  liczbę  razy.  Naprężenia  powodujące  zniszczenie  próbek 
przy liczbie cykli n mniejszej od N określają czasową (ograniczoną) wytrzymałość zmęczeniową 
, którą dzieli się na trzy następujące przedziały zmęczeniowego zniszczenia materiału: 
- przedział właściwych przełomów zmęczeniowych (przedział a) 
- przedział przedwczesnych przełomów zmęczeniowych (przedział b) 
- przedział przełomów okresowego przeciążenia (przedział c) 
 
 

WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA PRZY CYKLACH NIESYMETRYCZNYCH 

 

 

Ponieważ  często  występującym  przypadkiem  obciążeń  zmiennych  działających  na 

rozmaite  części  maszyn  są  obciążenia  wywołujące  niesymetryczne  zmienne  cykle  naprężeń, 
konieczna  jest  zatem  znajomość  wytrzymałości  na  zmęczenie  różnego  rodzaju  materiałów 
również przy tego rodzaju cyklach. 
 

W  celu  wyznaczenia  własności  zmęczeniowych  materiału  dla  różnych  cykli 

niesymetrycznych  należy  przeprowadzić  serie  badań  analogicznych  do  tych,  jakie  stosuje  się 
przy  cyklach  symetrycznych.  Mianowicie,  dla  przyjętej  wartości  naprężenia  średniego  σ

m

 

background image

 

 

wyznacza się metodą szeregu prób taką wartość amplitudy σ

c

, żeby naprężenia zmieniające się w 

zakresie 

a

m

min

max

   (11) 

 

mogły być przez materiał przeniesione nieskończoną liczbę razy. Uzyskuje się w ten sposób dla 
szeregu cykli o różnych wartościach naprężenia średniego odpowiedni krzywe Wöhlera. Na ich 
podstawie  można  wyznaczyć  –  dla  danej  wartości  naprężenia  średniego  σ

m

  –  odpowiadające 

wartości  naprężenia  σ

max

  oraz  σ

min

,  a  tym  samym  określić  wszystkie  parametry  danego  cyklu 

niesymetrycznego,  spełniającego  warunki  wytrzymałościowe.  Wyniki  tych  badań  dla  różnych 
cykli niesymetrycznych – w celu uzyskania większej przejrzystości oraz przydatności do celów 
praktycznych – podawane są zwykle w postaci wykresu zbiorczego. Jednym z nich jest wykres 
Smitha.  
 

 

 

Rys. 4 Wykres Smitha 

 

 

W  celu  zbudowania  tego  wykresu  przyjmuje  się  prostokątny  układ  współrzędnych,  w 

którym  oś  odciętych  odpowiada  naprężeniu  średniemu  σ

m

,  a  na  osi  rzędnych  odkłada  się 

ekstremalne  wartości  σ

max

  i  σ

min

  cyklu  niesymetrycznego.  Przez  początek  0  przyjętego  układu 

współrzędnych  prowadzi  się    prostą  nachyloną  pod  kątem  45º  do  osi  odciętych,  dzięki  czemu 
rzędna i odcięta dowolnego punktu K tej prostej równa jest naprężeniu średniemu σ

m

 

Sporządzenie  pełnego  wykresu  Smitha  wymaga  dużego  nakładu  pracy  i  środków 

finansowych,  wiąże  się  bowiem  z  koniecznością  przeprowadzenia  dużej  liczby  długotrwałych 
badań  laboratoryjnych.  W  celu  szybszego  uzyskania  wyników  o  zadowalającej  –  punktu 
widzenia zastosowań praktycznych – ścisłości wykreśla się często uproszczone wykresy Smitha, 
wymagające znajomości znacznie mniejszej liczby parametrów wytrzymałościowych materiału. 
 

background image

 

 

 

 

Rys. 5 Uproszczony wykres Smitha 

 

 

Przy  obliczeniach  wytrzymałościowych  części  maszyn  pracujących  przy  obciążeniach 

zmiennych duże znaczenie praktyczne ma wykres zmęczeniowy Haigha ze względu na prostszą 
konstrukcję  w  porównaniu  z  wykresem  Smitha  oraz  możliwość  łatwiejszego  prowadzenia 
analizy wytrzymałościowej i doboru naprężeń dopuszczalnych. 
 

Wykres Haigha sporządza się w prostokątnym układzie współrzędnych, odkładając na osi 

odciętych  wartość  średnią  σ

m

  cyklu  naprężenia  zmiennego,  a  na  osi  rzędnych  wartość  jego 

amplitudy  σ

a

.  Często  dla  zwiększenia  dokładności  odczytu  stosuje  się  różne  skale  na  osiach 

odciętych  i  rzędnych  wykresu.  Do  sporządzenia  pełnego  wykresu  zmęczeniowego  Haigha 
potrzebna  jest  znajomość  tych  samych  wielkości  co  przy  konstruowaniu  pełnego  wykresu 
zmęczeniowego Smitha. 
 

 

 

Rys. 6 Pełny i uproszczony (linie przerywane) wykres Haigha 

 

 Obliczenia wytrzymałościowe elementów maszyn i konstrukcji narażonych na działanie 

obciążeń zmiennych w czasie sprowadzają się do sprawdzenia, czy zmęczeniowy współczynnik 
bezpieczeństwa  x

z

  nie  jest  mniejszy  od  wymaganego  współczynnika  bezpieczeństwa  x

w

.  Musi 

bowiem zawsze zachodzić zależność x

 

x

w

background image

 

 

 

W  przypadku  obciążeń  obustronnie  zmiennych  (oscylujących)  zmęczeniowy 

współczynnik  bezpieczeństwa  x

z

  określa  się  stosunkiem  wytrzymałości  na  zmęczenie  Z

o

  cyklu 

symetrycznego do amplitudy σ

a

 = σ

max

 = |σ

min

| symetrycznego cyklu  naprężeń zmęczeniowych, 

wywołanych przyłożonym obciążeniem. Zatem: 
 

w

a

o

z

x

Z

x

   (12) 

 

 

W  przypadkach  cykli  niesymetrycznych,  dla  których  zachowany  jest  stosunek 

σ

a

/ σ

m

 = const, zmęczeniowy współczynnik bezpieczeństwa określa się wzorem: 

 

w

z

x

Z

x

max

max

   (13) 

 

 

Ze  względu  na  dużą  pracochłonność,  znaczne  koszty  oraz  długotrwałość  prowadzenia 

typowych,  klasycznych  badań,  mających  na  celu  wyznaczenie  wartości  wytrzymałości 
zmęczeniowej  materiału,  od  dawna  prowadzone  były  różnego  rodzaju  próby  wprowadzenia 
skróconych  badań  zmęczeniowych,  które  znacznie  przyspieszyłyby  wyznaczanie  rzeczywistej 
(nieograniczone)  wartości  wytrzymałości  zmęczeniowej  i  to  na  możliwie  niewielkiej  liczbie 
próbek. Jedna z nich – metoda Lehra – opiera się na wykorzystaniu zaobserwowanej własności, 
że  po  przekroczeniu  wartości  amplitudy  naprężeń  zmiennych,  bliskiej  wytrzymałości 
zmęczeniowej, w badanych próbkach występuje wyraźny wzrost temperatury, odkształcenia oraz 
rozpraszania energii. 
 

Podstawą tej metody jest zastosowanie zmiennego obciążenia o amplitudach rosnących w 

pewien  regularny  sposób  i  dokonywanie  jednoczesnych  pomiarów,  np.  zmian  temperatury  za 
pomocą  termometru  termoelektrycznego  bądź  też  odkształceń  badanej  próbki,  a  także  zmian 
momentu  obrotowego.  W  efekcie  uzyskuje  się  szereg  danych  pozwalających  na  sporządzenie 
wykresów  zależności  tych  wielkości  od  wzrastającej  amplitudy  naprężenia.  Okazuje  się,  że 
początkowo  –  przy  małych  wartościach  amplitudy  –  zależności  te  są  liniowe.  Natomiast  gdy 
amplituda 

naprężeń 

zmiennych 

przekroczy 

wartość 

rzeczywistej 

(nieograniczonej) 

wytrzymałości  zmęczeniowej,  punkty  każdego  z  wykresów  zaczynają  tworzyć  linie  krzywe 
odchylające się od pierwotnych linii prostych. 
 

Za  wytrzymałość  zmęczeniową  przyjmuje  się  wartość  naprężeń,  przy  której  następuje 

zagięcie pierwotnie prostoliniowego wykresu badanych wielkości: ugięcia y, temperatury T czy 
momentu obrotowego M

o

 od amplitudy σ

a

 
 
 
Na podstawie:  
 
1.  Dyląg  Zdzisław,  Jakubowicz  Antoni,  Orłoś  Zbigniew,  Wytrzymałość  materiałów  tom  II, 
Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1997 
2.Praca  zbiorowa  pod  red.  Mirosława  Banasiaka,  Ćwiczenia  laboratoryjne  z  wytrzymałości 
materiałów, wyd. III, Warszawa, PWN, 1985 
3.  Bachmacz  Waldemar,  Wytrzymałość  materiałów  –  badania  doświadczalne,  Częstochowa, 
Skrypt Politechniki Częstochowskiej, 1970