Przyczyny zjawiska znużenia metali


Zastosowanie obliczeń / piątek, Marzec 9th, 2018

Mimo bardzo liczne doświadczenia nie można uważać zjawiska znużenia metali za zupełnie zbadane. Najistotniejszą rolę gra tutaj zapewne ta okoliczność, że nawet najdoskonalsze materiały konstrukcyjne, jak żelazo kowalne i stal, nie są ciałami doskonale sprężystymi i po usunięciu obciążenia nie powracają zupełnie dokładnie do pierwotnego stanu. Te zboczenia od doskonałej sprężystości, niedostrzegalne przy doraźnym badaniu rozciągania, sumują się powoli i stają się widoczne po większej liczbie zmian obciążenia.

Ten fakt, że przy nieustannych zmianach nie tylko wielkości, lecz także i znaku naprężenia, zachodzi pęknięcie nawet przy naprężeniach niższych od granicy proporcjonalności, objaśniają doraźnym podwyższeniem tej granicy podczas zwykłego rozciągania; takie rozciąganie bowiem nie jest niczym innym, jak tylko rodzajem obróbki na zimno, która, jak wiadomo, podwyższa w ogóle granicę sprężystości. Jeżeli jednak rozciąganie i ściskanie następują na przemian wielokrotnie, to, jak wykazały badania Bauschingera, obniża się granica sprężystości, dążąc jednakże do pewnej granicznej wartości, którą nazwano naturalną granicą sprężystości. Ażeby zatem nieustanne wahania się napięcia między dodatnią i równą jej ujemną wartością nie doprowadziły do pęknięcia, powinno naprężenie nie przekraczać tej naturalnej granicy sprężystości.

W bardzo ścisłym związku ze znużeniem metali stoi zjawisko histerezy. Dokładne badania wykazały, że nawet przy niewielkich odkształceniach, nie dochodzących do granicy proporcjonalności, zachodzą pewne procesy o charakterze nieodwracalnym, tak, jakby każde działanie sił pozostawiało pewien ślad na własnościach materiału. W danej chwili okazują się te własności funkcjami wszystkich poprzednich stanów materiału. Do takich nieodwracalnych procesów należą zmiany własności magnetycznych i termo-elektrycznych, a także zjawiska cieplne. Przy odkształceniu zmienia się temperatura badanego ciała i zaczyna się wymiana ciepła między ciałem, a środowiskiem otaczającym. Taki proces bywa zwykle nieodwracalnym i jest połączony z rozpraszaniem energii cieplnej. Nieodwracalność warunkują nadto, oprócz wyliczonych przyczyn, niedoskonała sprężystość materiału i naprężenia początkowe, które w nim powstały pod wpływem pierwotnej obróbki.

Do wyznaczenia energii, rozproszonej przy odkształceniu, posługujemy się najdogodniej wykresem. Przy odkształceniu wskutek siły wzrastającej od zera do pewnej wartości otrzymujemy linę Oc a, zwykle bardzo mało różniącą się od prostej. Jeżeli następnie zmniejszamy stopniowo siłę aż do zera i otrzymamy linię ac’b, nie nakrywającą poprzedniej, to pole Ocac’b określa tę część energii, która przyjęła postać nieodwracalną, czyli rozprószyła się. Tak się objawia histereza sprężysta. Im mniejsze pole diagramu histerezy, tym bardziej zbliża się materiał do ciała idealnie  sprężystego i tern mniejszego wpływu można oczekiwać od powtórnych obciążeń. Na tej zasadzie zrobiono próbę ocenienia zdolności materiału do znoszenia przemiennych obciążeń przy pomocy diagramu odpowiadającego jednemu obciążeniu i odciążeniu próbnego pręta.

Jeszcze jaśniejszy obraz rozpraszania energii przy odkształceniach otrzymamy, obserwując drgania wywołane siłami sprężystości. Skoro pobudzimy pręt do drgań, to po niedługim czasie zauważymy zmniejszanie się amplitudy; wahania stopniowo „wygasają” (zamierają). Jak wykazały badania doświadczalne, nie wystarczają do objaśnienia tego zjawiska opory zewnętrzne; ono wskazuje wyraźnie na powstawanie w materiale pręta obok sił sprężystości, mających potencjał, jeszcze innych sił wewnętrznych, rozpraszających energię, czyli, innymi słowy, wskazuje na istnienie tzw. tarcia wewnętrznego. Studium wygasania drgań może rzucić pewne światło na zjawisko znużenia metali.

Lord Kelvin zauważył, że jeżeli zmusić pręt do drgań przez dłuższy przeciąg czasu, np. kilka dni, to zamieranie drgań staje się szybszym, jak gdyby tarcie wewnętrzne się wzmogło. To samo zjawisko częściowej zamiany energii na pracę wewnętrzną będzie zachodzić przy wielokrotnie powtarzanym obciążeniu. Im ta praca większa, im szybsze wygasanie drgań, tym bliżej do pokonania spójności materiału, tym wyraźniejsze oznaki znużenia.

Do wyjaśnienia zjawiska znużenia metali przyczyniło się znacznie zastosowanie badania mikroskopowego. Okazało się, że niespodziewane złamania elementów, narażonych na działanie przemiennych obciążeń, dadzą sie w wielu przypadkach objaśnić obecnością mikroskopijnych szczelin w materiale. Takie szczeliny powodują znaczne nierównomierności w rozkładzie naprężeń w otoczeniu szczelin powstają, jak zobaczymy poniżej, naprężenia o wiele większe od tych, jakie by powstały bez szczelin], a rozwijając się stopniowo, doprowadzają ostatecznie pręt do pęknięcia.

Proces stopniowego zniweczenia spójności u kryształków żelaza pod działaniem przemiennych napięć badał szczegółowo prof. I. A. Ewing. Do doświadczeń służyło szwedzkie żelazo o doraźnej wytrzymałości 3700 kg/cm2 i rozciągliwości 27%. Przy pomocy mikroskopu śledzono zmiany, zachodzące w oddzielnych kryształach wskutek wahania naprężeń od ciągnienia do równego mu ciśnienia. Już przy stosunkowo niewielkich naprężeniach 1100 kg/cm2 można było dostrzec, po dostatecznej liczbie wahań, że niektóre kryształy w najbardziej narażonych częściach pręta pokrywały się rysami. Badanie mikroskopowe wykazało, że te rysy są zewnętrznym objawem przesunięć zachodzących w płaszczyznach spójności poszczególnych kryształów. Przedłużając działanie przemiennych obciążeń na obserwowany element, można było widzieć, jak niektóre z tych przesunięć, przekształcały się stopniowo na szczelinki. Przy dalszych powtarzaniach wahnień naprężenia zużywa się nieodwracalna część pracy odkształcenia przeważnie na zniszczenie spójności materiału około tworzącej się szczeliny. Wskazuje na to produkt zniszczenia – delikatny pyłek, pojawiający się na brzegach szczeliny. Ta okoliczność, że cała praca niszcząca koncentruje się w określonym przekroju, wyjaśnia, dlaczego nie zmieniają się plastyczne własności pozostałej masy pręta i dlaczego charakter złomu, uwarunkowany rozwojem początkowej szczeliny, jest taki sam, jak u materiałów kruchych.