ΔΟΚΙΜΗ ΚΟΠΩΣΗΣ. Σχήμα 1 : Επιφάνεια θραύσης από κόπωση σε περιστρεφόμενο άξονα

Transcript

1 ΔΟΚΙΜΗ ΚΟΠΩΣΗΣ 1. Ορισμός και Σκοπός Κόπωση, σύμφωνα με το A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials), ορίζεται η διαδικασία των προοδευτικών τοπικών μόνιμων δομικών μεταβολών, που συμβαίνουν στο υλικό, όταν αυτό υποβάλλεται σε επαναλαμβανόμενες ή τυχαία μεταβαλλόμενες καταπονήσεις, που μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της αντοχής του και τελικά σε πλήρη θραύση, μετά από ένα επαρκή αριθμό μεταβολών του φορτίου. Ή το φαινόμενο της αστοχίας ενός υλικού που προκαλείται από επαναλαμβανόμενη επιβολή τάσεων ή παραμορφώσεων σε αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Σκοπός της δοκιμής κόπωσης είναι ο προσδιορισμός της καμπύλης Wohler ενός υλικού, μέσω της οποίας καθορίζονται η αντοχή κόπωσης και το όριο κόπωσης του υλικού. Η γνώση των δυο τελευταίων μεγεθών επιτρέπει την επιλογή της ποιότητας και των διαστάσεων των κατασκευαστικών στελεχών, υπό την προϋπόθεση ότι θα χρησιμοποιηθούν σε παρόμοιο περιβάλλον (θερμοκρασία, διαβρωτικοί παράγοντες) με εκείνο της δοκιμής. 2. Γενικά Η κόπωση των μεταλλικών υλικών είναι ένας από τους πλέον ύπουλους μηχανισμούς αστοχίας, καθώς πραγματοποιείται χωρίς να εμφανίζει προειδοποιητικές ενδείξεις. Μία αστοχία λόγω κόπωσης μπορεί να αναγνωριστεί αφού εκδηλωθεί από ορισμένα χαρακτηριστικά των επιφανειών θραύσης. Μία επιφάνεια θραύσης από κόπωση, φαίνεται στο σχήμα 1. Σχήμα 1 : Επιφάνεια θραύσης από κόπωση σε περιστρεφόμενο άξονα Ένα μεγάλο τμήμα της επιφάνειας θραύσης έχει λεία εμφάνιση η οποία οφείλεται στην τριβή των επιφανειών του ρήγματος μεταξύ τους, καθώς αυτό προωθείται σταδιακά κατά τη διάρκεια λειτουργίας. Αντίθετα, ένα μικρότερο τμήμα της επιφάνειας, το οποίο αντιστοιχεί στο τελικό στάδιο της θραύσης, έχει ανώμαλη εμφάνιση και οφείλεται στη γρήγορη τελική προώθηση του ρήγματος με όλκιμο τρόπο μέσα στο υλικό, καθώς η μειωμένη διατομή του υλικού που έχει απομείνει δε μπορεί να αντέξει πλέον τα επιβαλλόμενα φορτία. Ακόμη ένα πιο τυπικό χαρακτηριστικό των επιφανειών θραύσης που προήλθαν από κόπωση είναι οι γραμμώσεις που δημιουργούνται σε αυτήν. Οι γραμμώσεις αυτές έχουν συνήθως σχήμα τόξων από ομόκεντρους κύκλους, το κέντρο των οποίων υποδεικνύει το σημείο όπου βρισκόταν το αρχικό ρήγμα. Η απόσταση της μιας γράμμωσης από την άλλη, δίνει μια καλή εκτίμηση της ταχύτητας με την οποία προωθήθηκε το ρήγμα μέσα στο υλικό. Χαρακτηριστικές γραμμώσεις κόπωσης φαίνονται στο σχήμα 2. Υπάρχουν τρεις βασικοί παράγοντες που απαιτούνται για να εμφανισθεί αστοχία από κόπωση : α. Μια αρκετά υψηλή μέγιστη εφελκυστική τάση. β. Μια αρκετά μεγάλη και επαναλαμβανόμενη διακύμανση της τάσης κατά τη λειτουργία. γ. Ένας αρκετά μεγάλος αριθμός κύκλων φόρτισης, δηλαδή επαναλήψεων της δυναμικής καταπόνησης. Σελίδα 1 από 9

2 Σχήμα 2 : Γραμμώσεις κόπωσης σε επιφάνεια θραύσης Εκτός από τους τρείς αυτούς βασικούς παράγοντες, η συμπεριφορά των μεταλλικών υλικών σε κόπωση επηρεάζεται και από μία σειρά άλλων παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία, η παρουσία διαβρωτικού περιβάλλοντος, η μικροδομή του υλικού, η ύπαρξη παραμενουσών εσωτερικών τάσεων στο υλικό, κ.α. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η κόπωση των μεταλλικών υλικών δεν έχει εξηγηθεί πλήρως θεωρητικά και η ανάλυση της βασίζεται σε μεγάλο βαθμό ακόμη και σήμερα σε πειραματικές και εμπειρικές παρατηρήσεις. 3. Τρόποι Καταπόνησης στην Κόπωση Επιφάνειες Θραύσης Η συνηθέστερη καταπόνηση σε κόπωση στις δοκιμές που γίνονται στο εργαστήριο, αναφέρεται σε εφελκυστικά ή και σε θλιπτικά φορτία (κόπωση σε εφελκυσμό και θλίψη). Παράλληλα όμως εκτελούνται συχνά δοκιμές κόπωσης σε κάμψη ή σε στρέψη. Μάλιστα επιλέγεται ορισμένες φορές και ο συνδυασμός των δυο τελευταίων τύπων καταπόνησης (κόπωση σε κάμψη και στρέψη), μια και πρόκειται για μια συνηθισμένη μορφή σύνθετης καταπόνησης των ατράκτων. Σε όλα τα είδη καταπόνησης σε κόπωση, θεωρούμε ότι η συχνότητα δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα των δοκιμών. Αυτή η υπόθεση ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα για συχνότητες μέχρι 100Hz. Για υψηλότερες συχνότητες μπορεί να παρατηρηθεί σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού, γεγονός που επηρεάζει και τις μηχανικές του ιδιότητες. Οι επιφάνειες θραύσης ενός δοκιμίου που υποβλήθηκε σε εφελκυστικές ή καμπτικές τάσεις κόπωσης, αποτελείται από δυο εύκολα μεταξύ τους διακριτές περιοχές, όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Στην πράξη μπορούμε να αναγνωρίσουμε κατά πόσο η αστοχία ενός υλικού συντελέστηκε από τάσεις κόπωσης ή από κάποια απρόβλεπτη αύξηση, πέρα από το όριο θραύσης, της μέσης τάσης. Η περιοχή (α) της επιφάνειας θραύσης (σχήμα 3), είναι λεία, εξαιρετικά λεπτόκοκκη και γυαλιστερή. Πρόκειται για την περιοχή της θραύσης από κόπωση. Συχνά στην περιοχή αυτή αναπτύσσονται οι γραμμές (υπό μορφή κυμάτων) κόπωσης, ως αποτέλεσμα του προσωρινού σταματήματος της καταπόνησης σε κόπωση (π.χ. όταν η μηχανή ή το όχημα, τα στοιχεία του οποίου καταπονούνται σε κόπωση, βρίσκεται σε στάση). Σχήμα 3 : Σχηματική παράσταση επιφάνειας θραύσης από κόπωση Σελίδα 2 από 9

3 Η περιοχή (β), προκύπτει από την ακραία θραύση του υπόλοιπου τμήματος της καταπονούμενης διατομής, μετά την επέκταση της ρωγμής λόγω κόπωσης μέχρι το κρίσιμο σημείο και είναι τραχεία, χονδρόκοκκη, με έντονα σημάδια πλαστικής παραμόρφωσης. Συνολικά η θραύση λόγω των τάσεων κόπωσης επέρχεται χωρίς τη δημιουργία εκτεταμένων πλαστικών παραμορφώσεων (ψαθυρή θραύση), ακόμα και στις περιπτώσεις των υλικών που γενικά παρουσιάζουν έντονα όλκιμη συμπεριφορά. Στη περίπτωση κόπωσης σε στρέψη, η ρωγμή εκκινεί υπό γωνία 45 ο ως προς τον άξονα της ράβδου, αλλά παίρνει στη συνέχεια μια τυχαία διεύθυνση. 4. Χαρακτηριστικά Κόπωσης Η ακριβής μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών υπό φορτία και τάσεις κόπωσης γίνεται καταρχήν δυνατή, για την περίπτωση που οι επιβαλλόμενες τάσεις μεταβάλλονται περιοδικά με το χρόνο, έχουν δηλαδή τη μορφή που παρουσιάζεται στο σχήμα 4. Σχήμα 4 : Βασικά μεγέθη για δοκιμή κόπωσης Οι τάσεις μεταβάλλονται στην περίπτωση αυτή, περιοδικά εναλλασσόμενες ανάμεσα στη μέγιστη τιμή σmax και στην ελάχιστη τιμή σmin, σύμφωνα με τη σχέση : σ(t) = σ m + σ α sin 2πt/Τ Οι ακραίες αυτές τιμές των τάσεων, προκύπτουν από μια μέση τιμή της τάσεως σm, στην οποία προσθαφαιρείται με ένα περιοδικό νόμο η τάση σα. Η σm καλείται μέση τάση και η σα εύρος της εναλλασσόμενης τάσης. Προφανώς ισχύει : σ m = (σ max + σ min)/2 και σ α = (σ max σ min)/2 Ανάλογα με την τιμή της μέσης τάσης σm, σε σχέση με το εύρος της εναλλασσόμενης τάσης σα, η φόρτιση σε κόπωση, καλείται : α. Κυμαινόμενη, όταν σm > σα β. Επαναλαμβανόμενη, όταν σm = σα γ. Αντιστρεφόμενη, όταν σm = 0 Η αντοχή ενός υλικού σε κόπωση έχει ιδιαίτερη σημασία για το μηχανικό, επειδή το 90% τουλάχιστον των αστοχιών που παρουσιάζονται στην πράξη ανάγονται σε τάσεις κόπωσης. 5. Καμπύλη Κόπωσης ή Καμπύλη Wohler Το σημαντικότερο μέγεθος που προσδιορίζεται στο εργαστήριο και αναφέρεται στην ασφαλή λειτουργία ενός υλικού υπό τάσεις κόπωσης, είναι το όριο κόπωσης. Ως όριο κόπωσης σκ, ορίζεται η μέγιστη τιμή του εύρους της εναλλασσόμενης τάσης σα, που για μια δεδομένη τιμή της μέσης τάσης σm, μπορεί να επιβληθεί για άπειρο αριθμό εναλλαγών στο υλικό, χωρίς να προκαλέσει την αστοχία του. Σελίδα 3 από 9

4 Επειδή δε μπορούν να εκτελεστούν πειράματα άπειρης διάρκειας, το όριο κόπωσης ορίζεται σε αναφορά με ένα ιδιαίτερα υψηλό αλλά πεπερασμένο αριθμό εναλλαγών μετά την ολοκλήρωση των οποίων (και για δεδομένη κάθε φορά τιμή της σm), δεν παρατηρείται αστοχία υλικού. Ο αριθμός αυτός ορίζεται από Ν = 10 7 εναλλαγές για χάλυβα και Ν = 10 8 εναλλαγές για κράματα αλουμινίου. Η καμπύλη κόπωσης σχεδιάζεται σε ημιλογαριθμική κλίμακα, όπως φαίνεται στα σχήματα 5 και 6. Οι καμπύλες μπορούν να διακριθούν σε τρία τμήματα. Στο πρώτο τμήμα που εκτείνεται από στατικές φορτίσεις έως Ν = 10 3 ~10 4 το πλάτος της σα δεν ελαττώνεται σημαντικά σε συνάρτηση του πλήθους των εναλλαγών και μένει σχεδόν ίσο με το στατικό όριο θραύσης του υλικού. Το τμήμα αυτό αντιστοιχεί σε καταπονήσεις που προκαλούν αστοχία μετά από μικρό αριθμό εναλλαγών. Το δεύτερο τμήμα είναι μια φθίνουσα καμπύλη που αρχίζει από το τέλος του προηγούμενου τμήματος και τερματίζει στους 10 6 ~ 10 7 κύκλους. Στο τμήμα αυτό παρατηρείται ραγδαία πτώση της αντοχής του υλικού σε συνάρτηση του πλήθους των εναλλαγών και αντιστοιχεί στην κυρίως κόπωση του υλικού. Το τρίτο τμήμα της καμπύλης για Ν > 10 6 ~ 10 7 κύκλους είναι μια ελαφρώς φθίνουσα γραμμή, η οποία στα σιδηρούχα κράματα είναι οριζόντια. Το τμήμα αυτό αντιστοιχεί σε περίπου σταθερό πλάτος σα για πολύ μεγάλο πλήθος εναλλαγών. Σχήμα 5 : Καμπύλες σα logn υλικών Σχήμα 6 : Καμπύλη Wohler 6. Προσδιορισμός Ορίου Κόπωσης Αντοχή Κόπωσης Από την καμπύλη ενός υλικού ορίζεται ως αντοχή κόπωσης, το μέγιστο πλάτος σα που δεν προκαλεί αστοχία του υλικού για καθορισμένο πλήθος εναλλαγών Ν και μέση τιμή σm. Ως όριο κόπωσης σκ, ορίζεται η αντοχή κόπωσης για άπειρο πλήθος εναλλαγών Ν. Επειδή το άπειρο πλήθος εναλλαγών πρακτικά δεν έχει νόημα, θεωρείται ότι το συμβατικό όριο κόπωσης επιτυγχάνεται όταν Ν = 10 7 κύκλοι, του Σελίδα 4 από 9

5 λάχιστον στους χάλυβες. Αντιθέτως, σε κράματα αλουμινίου που δεν παρουσιάζουν οριζόντιο το τρίτο τμήμα της καμπύλης κόπωσης, ως συμβατικό όριο λαμβάνεται η αντοχή κόπωσης για Ν = 10 8 κύκλους. Το φαινόμενο της αστοχίας των υλικών από κόπωση ενεργοποιείται από δομικές και άλλες ανωμαλίες που πάντοτε υπάρχουν στα υλικά και επομένως θα πρέπει να υπάρχουν σημαντικές στατιστικές αποκλίσεις στα πειράματα για τον προσδιορισμό της καμπύλης κόπωσης. Μερικές φορές αναγκαία είναι η παρουσίαση ομάδας καμπύλων κόπωσης αντί για μια μοναδική, καθεμία από τις οποίες αντιπροσωπεύει πιθανότητα αστοχίας του δοκιμίου για καθορισμένο ζεύγος (σα, Ν). Μια τέτοια ομάδα φαίνεται στο σχήμα 7, όπου η καμπύλη με πιθανότητα 10% σημαίνει αστοχία του 10% από τα δοκίμια που ελέχθησαν. Σχήμα 7 : Πιθανότητες αστοχίας δοκιμίου Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η καμπύλη Wohler, τείνει ασυμπτωτικά προς το όριο κόπωσης σκ, όπως φαίνονται στο σχήμα 8. Επειδή τα αποτελέσματα των δοκιμών κόπωσης παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά, η καμπύλη Wohler συμπληρώνεται από μια οικογένεια όμοιων καμπυλών κάθε μία από τις οποίες αντιστοιχεί σε κάποια πιθανότητα θραύσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 9. Η καμπύλη Wohler είναι στην ουσία η μέση καμπύλη κόπωσης, που αντιστοιχεί στην πιθανότητα ρ = 0,5. Σχήμα 8 : Η καμπύλη Wohler Σχήμα 9 : Καμπύλες Wohler διαφορετικών πιθανοτήτων αστοχίας Σελίδα 5 από 9

6 7. Επίδραση της Μέσης Τάσης στο Όριο Κόπωσης Κάθε καμπύλη κόπωσης προκύπτει από πειράματα με σταθερή την τιμή της μέσης (στατικής) τάσης σm. Αυτή η προϋπόθεση είναι αναγκαία επειδή η αστοχία του υλικού εξαρτάται από τα όρια σmax και σmin μέσα στα οποία κυμαίνεται η μέση τάση και όχι μόνο από τη διαφορά σα = (σmax σmin)/2. Έτσι ανακύπτει το πρόβλημα προσδιορισμού της σχέσης μεταξύ σm και σα. Ο προσδιορισμός αυτός δε μπορεί να γίνει παρά μόνο πειραματικά. Ο Wohler με τα πειράματα του κατέληξε στα εξής δυο συμπεράσματα : α. Το όριο κόπωσης, σκ = σθ/3, όταν η φόρτιση είναι αντιστρεφόμενη (σm = 0). β. Το όριο κόπωσης, σκ = σθ/4, όταν η φόρτιση είναι επαναλαμβανόμενη (σm = σκ), όπου σθ, είναι η στατική τάση θραύσης του υλικού. Τα δυο αυτά συμπεράσματα μαζί με το προφανές τρίτο, ότι το όριο κόπωσης συμπίπτει με το στατικό όριο θραύσης, όταν η φόρτιση είναι στατική, οδηγούν στη χάραξη του νομογράμματος Goodman Smith, που έχει σχεδιαστεί στο σχήμα 10. Στο σχήμα αυτό, ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στη μέση τάση σm και ο κατακόρυφος στο άθροισμα σm + σκ. Το πρώτο πειραματικό συμπέρασμα του Wohler ορίζει τα σημεία Α και Α με συντεταγμένες (σm, σm + σκ) = (0, σθ/3) και (σm, σm - σκ) = (0, - σθ/3). Σχήμα 10 : Νομόγραμμα Goodman Smith Από το δεύτερο συμπέρασμα του Wohler προκύπτουν τα σημεία Β και Β με αντίστοιχες συντεταγμένες (σm, σm + σκ) = (σθ/4, σθ/2) και (σm, σm - σκ) = (σθ/4, 0). Τέλος στη στατική περίπτωση αντιστοιχεί το σημείο Γ με συντεταγμένες (σm, σm ± 0) = (σθ, σθ). Έτσι φαίνεται ότι τα σημεία Α, Β και Γ, βρίσκονται σε μια ευθεία, όπως και τα σημεία Α, Β και Γ βρίσκονται σε άλλη ευθεία. Εάν χαραχθεί και η ευθεία ΟΓ, όπου σχηματίζει γωνία 45 ο με τους δυο άξονες, τότε προφανώς για μια τυχαία τιμή της μέσης τάσης σm = (OΔ) = (ΔΕ) είναι σκ = (ΕΖ) = (ΕΗ) και σmin = (ΔΖ), σmax = (ΔΗ). Η μη γενική ισχύς των πειραματικών συμπερασμάτων του Wohler εμποδίζει τη γενική χρήση του νομογράμματος Goodman Smith. Στη θέση του έχουν προταθεί άλλα νομογράμματα που υπακούουν σε μια εμπειρική εξίσωση της μορφής : Όπου : σκ το όριο κόπωσης για μέση τάση σm. (σ κ/σ κ,αντ) + (σ m/σ στατ) n = 1 (1) σκ,αντ το όριο κόπωσης για αντιστρεφόμενη καταπόνηση (σm = 0). σστατ η στατική τάση θραύσης σθ ή το όριο αναλογίας σε του υλικού. Σελίδα 6 από 9

7 Όταν n = 1 και σστατ = σθ, προκύπτει μια ευθεία που λέγεται ευθεία Goodman, ενώ για n = 1 και σστατ = σδ, η ευθεία λέγεται ευθεία Soderberg. Τέλος για n = 2 και σστατ = σθ, προκύπτει δευτεροβάθμια καμπύλη που καλείται παραβολή Gerber. Οι τρεις αυτές καμπύλες έχουν σχεδιαστεί στο σχήμα 11. σ κ σ κ,αν σ m σ Ε σ θ Σχήμα 11 : Σύγκριση νομογράμματων Soderberg, Goodman & Gerber Στην εξίσωση (1), για τον προσδιορισμό της σχέσης μεταξύ σκ και σm, απαιτείται μόνο ο προσδιορισμός του πλάτους της εναλλασσόμενης τάσης σκ, αντ σε αντιστρεφόμενη κόπωση, αφού η σστατ θεωρείται γνωστή από την στατική συμπεριφορά του υλικού και ο εκθέτης n ορίζεται αυθαίρετα. Επίσης είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι εάν σκ, αντ = σθ/3, τότε τα προβλεπόμενα πλάτη σκ για τις διάφορες τιμές της σm από την ευθεία Goodman συμπίπτουν με εκείνα του νομογράμματος Goodman Smith. Η μέση τάση επιδρά στο πλάτος της μέγιστης επιτρεπόμενης εναλλασσόμενης τάσης και με δυο άλλους τρόπους : α. Όταν είναι αρκετά μεγάλη, ώστε η σmax να πλησιάζει την τάση διαρροής του υλικού, τότε προφανώς απαιτείται μικρότερο πλάτος σα για την αστοχία του υλικού, που σημαίνει ότι η περιοχή του νομογράμματος Goodman Smith (σχήμα 10), κοντά στο σημείο Γ, όπως έχει σχεδιαστεί, δίνει τιμές της σα μεγαλύτερες από τις πραγματικά επιτρεπτές. Απαιτείται μια διόρθωση στην περιοχή αυτή που έχει γίνει με την καμπύλη διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 10. Η διόρθωση αυτή έχει εξορισμού ληφθεί υπόψη στην ευθεία Soderberg του σχήματος 11. β. Ο δεύτερος τρόπος με τον οποίο η σm τροποποιεί τα παραπάνω νομογράμματα εξαρτάται από το πρόσημο της. Στα σχήματα 10 και 11, η σm είναι εφελκυστική (σm 0). Εάν το πρόσημο της σm δεν επιδρά στο φαινόμενο της κόπωσης, τότε τα νομογράμματα των δυο αυτών σχημάτων θα πρέπει να είναι κατοπτρικά ως προς τον κατακόρυφο άξονα (σm + σκ ή σκ), το οποίο δεν είναι αληθές. Ακόμα και σε όλκιμα υλικά τα οποία υποτίθεται ότι έχουν συμμετρική συμπεριφορά σε εφελκυσμό και θλίψη, παρατηρείται διαφορά στην αντοχή τους σε κόπωση που σχετίζεται με το πρόσημο της σm. Στο σχήμα 12, φαίνεται η αύξηση της αντοχής σε κόπωση ενός κράματος αλουμινίου, όταν η σm γίνεται θλιπτική. 8. Μηχανισμοί Αστοχίας από Κόπωση Η αστοχία των υλικών όταν υφίστανται τάσεις κόπωσης, οφείλονται στην ύπαρξη ατελειών σε αυτά, όπως είναι μικρορωγμές, εγκλείσματα, κενά, δομικές ανωμαλίες, κ.λ.π. Αυτές οι ατέλειες λειτουργούν ως συγκεντρωτές ή ενισχυτές των τάσεων και άρα όταν ενεργοποιηθούν ακόμα και από μικρά εξωτερικά φορτία, μπορούν να οδηγήσουν το υλικό σε τοπική αστοχία. Οι ατέλειες αυτές αφενός έχουν τυχαία κατανομή και μέγεθος μέσα στο υλικό και αφετέρου ε- νεργοποιούνται σε διαφορετική κλίμακα κάθε φορά, που εξαρτάται από τα εφαρμοζόμενα φορτία, αλλά και τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας και περιβάλλοντος της κατασκευής. Έτσι σε γενικές γραμμές είναι γνωστό τι συμβαίνει στο εσωτερικό ενός υλικού που καταπονείται από τάσεις κόπωσης, είναι πολύ δύσκολο να αναπτυχθεί γενική θεωρία συμπεριφοράς των υλικών σε κόπωση, η οποία να βασίζεται στην μακροσκοπική αντοχή των υλικών. Σελίδα 7 από 9

8 Σχήμα 12 : Αύξηση αντοχής σε κόπωση κράματος αλουμινίου Η αστοχία των υλικών από κόπωση μπορεί να περιγραφεί από τρεις διαδοχικές φάσεις από τις οποίες: α. Η πρώτη, έχει έντονα χαρακτηριστικά όλκιμης αστοχίας, ανεξάρτητα από τον τυπικά όλκιμο ή ψαθυρό χαρακτήρα του υλικού σε στατικές καταπονήσεις. Το υλικό διαρρέει τοπικά και σε πολλές συγχρόνως τόπους γύρω από τις διάφορες ατέλειες. Η διαρροή επιτυγχάνεται με τη δημιουργία επιπέδων ολίσθησης, η οποία παρατηρείται και πειραματικά στις εξωτερικές επιφάνειες καλά λειασμένων δοκιμίων. β. Η δεύτερη, είναι μια φάση εσωτερικών αναταράξεων στο υλικό που δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει όλκιμο ή ψαθυρό χαρακτήρα. Συνδέεται με αλλαγές της κρυσταλλικής δομής του υλικού. Με ακτίνες Rontgen έχει παρατηρηθεί ότι η κρυσταλλική δομή κοντά σε επίπεδα ολίσθησης διασπάται σε κρυσταλλικά τεμάχια που συνδέονται χαλαρά μεταξύ τους. Τα τεμάχια αυτά έχουν διάφορες μορφές και λέγονται κρυσταλλίτες ή δενδρίτες. γ. Η τρίτη και τελική φάση είναι μια τυπική ψαθυρή θραύση μέσω διάδοσης ρωγμών. Α- κριβώς η ποιότητα της τελικής φάσης αστοχίας των υλικών από κόπωση, είναι που χαρακτηρίζει γενικώς την αστοχία αυτή ως ψαθυρή. Δημιουργούνται ρωγμές στις διαχωριστικές επιφάνειες ανάμεσα στους κρυσταλλίτες, δηλαδή κατά μήκος των ήδη δημιουργημένων από την πρώτη φάση επιπέδων ολίσθησης. Στη φάση αυτή δεν παρατηρείται δημιουργία νέων επιπέδων ολίσθησης ή αλλαγή στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η αύξηση της θερμοκρασίας οφείλεται κυρίως στην τριβή μεταξύ των παρειών των ρωγμών. Οι ρωγμές διαδίδονται με τεθλασμένη τροχιά ακολουθώντας επίπεδα ολίσθησης και αποφεύγοντας τις ανθεκτικές διαχωριστικές επιφάνειες. 9. Πειραματική Διάταξη Κόπωσης Υπάρχουν διάφορες τεχνικές με τις οποίες μπορεί να διερευνηθεί πειραματικά η συμπεριφορά ενός υλικού σε εναλλασσόμενες καταπονήσεις, δηλαδή σε κόπωση. Περισσότερο οικεία είναι πιθανότατα αυτή που πραγματοποιείται σε συνήθη δοκίμια εφελκυσμού. Υπάρχουν τύποι μηχανών εφελκυσμού που διαθέτουν την δυνατότητα εκτέλεσης δοκιμών κόπωσης, εξασκώντας προκαθορισμένη εναλλασσόμενη φόρτιση στο δοκίμιο. Στις πλέον σύγχρονες μηχανές εφελκυσμού κόπωσης υπάρχει η δυνατότητα επιλογής συγκεκριμένου τύπου δυναμικής καταπόνησης (π.χ. ημιτονοειδής), καθώς και των χαρακτηριστικών αυτής (π.χ. σmax, σmin, σm), γεγονός που επιτρέπει τη μελέτη της συμπεριφοράς σε κόπωση σε ένα μεγάλο εύρος συνθηκών δυναμικής καταπόνησης. Ένας εναλλακτικός τύπος δοκιμής κόπωσης που έχει βρει πολύ μεγάλη πρακτική εφαρμογή, είναι η δοκιμή περιστρεφόμενου προβόλου. Η πειραματική διάταξη της δοκιμής αυτής είναι σχετικά απλή και απεικονίζεται στο σχήμα 13. Στη δοκιμή υποβάλλεται δοκίμιο κυλινδρικής γεωμετρίας του υπό εξέταση υλικού, όπου το ένα άκρο συγκρατείται σε ένα ρότορα που συνδέεται με ένα ηλεκτρικό κινητήρα, ενώ στο άλλο άκρο τοποθετείται ένα εγκάρσιο φορτίο, ασκώντας έτσι κάμψη στο δοκίμιο. Σελίδα 8 από 9

9 Καθώς ο ρότορας τίθεται σε περιστροφική κίνηση, το δοκίμιο αρχίζει να υποβάλλεται σε μια ε- ναλλασσόμενη καταπόνηση και οι μέγιστες τάσεις αναπτύσσονται στις εξωτερικές επιφάνειες της δοκού. Έτσι και στην περίπτωση του περιστρεφόμενου προβόλου, ένα σημείο του υλικού που βρίσκεται στην επάνω επιφάνεια δέχεται τη μέγιστη εφελκυστική τάση. Σχήμα 13 : Δοκιμή περιστρεφόμενου προβόλου Μετά από περιστροφή 90 ο το σημείο αυτό έρχεται σε μία θέση όπου η τάση μηδενίζεται. Μετά από περιστροφή άλλων 90 ο, (δηλαδή συνολικά 180 ο από την αρχή), το σημείο έρχεται στην επάνω επιφάνεια, όπου εκεί δέχεται τη μέγιστη θλιπτική τάση. Σε κάθε περιστροφή του δοκιμίου επαναλαμβάνεται η ίδια πλήρως αναστρεφόμενη δυναμική καταπόνηση, η οποία μάλιστα για τη συγκεκριμένη δοκιμή κόπωσης, έχει ημιτονοειδή μορφή με μέση τάση σm = 0. Η συνήθης διαδικασία για τον καθορισμό μίας καμπύλης σ N ξεκινά υποβάλλοντας το πρώτο δοκίμιο σε μια υψηλή τάση, στην οποία περιμένουμε ότι το δοκίμιο θα υποστεί θραύση μετά από μικρό αριθμό κύκλων φόρτισης. Συνήθως, για το πρώτο αυτό δοκίμιο, η τάση που επιλέγεται ισοδυναμεί με τα 2/3 της μέγιστης αντοχής του υλικού σε εφελκυσμό. Τα επόμενα δοκίμια υποβάλλονται σε όλο και μικρότερες τάσεις και καταγράφεται ο αριθμός κύκλων στον οποίο αστοχούν σε θραύση. Η δοκιμή συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο μέχρις ότου ένα ή δυο δοκίμια να μην έχουν αστοχήσει μετά από ένα προκαθορισμένο μεγάλο αριθμό κύκλων φόρτισης, π.χ. μετά από 10 7 κύκλους. Τότε ως όριο διαρκούς αντοχής του υλικού ορίζεται η υψηλότερη τάση στην οποία το δοκίμιο δεν αστόχησε. Στα μεταλλικά υλικά που δεν εμφανίζουν όριο διαρκούς αντοχής, οι δοκιμές τερματίζονται όταν το δοκίμιο αντέξει σε ένα πολύ μεγάλο αριθμό κύκλων, π.χ Χ10 8 κύκλους, χωρίς να σπάσει. Η τιμή της τάσης που χρησιμοποιήθηκε στο δοκίμιο αυτό λαμβάνεται τότε ως η συμβατική αντοχή του υλικού σε κόπωση. Στις περισσότερες περιπτώσεις, για τον καθορισμό μιας καμπύλης σ N, χρησιμοποιούνται συνολικά 8 έως 12 δοκίμια υλικού. Εκείνο που έχει εξαιρετική σημασία να γνωρίζουμε, είναι ότι τα αποτελέσματα των δοκιμών κόπωσης σε ένα συγκεκριμένο υλικό εμφανίζουν μεγάλη διασπορά. Δηλαδή, εάν πάρουμε αρκετά δοκίμια από το ίδιο υλικό και τα υποβάλλουμε σε δοκιμές κόπωσης με τις ίδιες ακριβώς συνθήκες (σmax, σmin, σm, κ.λ.π.), θα παρατηρήσουμε ότι η διάρκεια ζωής τους σε κόπωση (δηλ. ο αριθμός κύκλων φόρτισης μέχρι να σπάσουν), θα είναι αρκετά διαφορετικός από δοκίμιο σε δοκίμιο. Για το λόγο αυτό, τα αποτελέσματα δοκιμών κόπωσης, υποβάλλονται σε κατάλληλη στατιστική επεξεργασία, προκειμένου να καταστούν α- ξιόπιστα και ασφαλή και να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα ενός υλικού κατά το στάδιο της σχεδιομελέτης μιας κατασκευής. Βιβλιογραφία [1] Ν. Ανδριανοπουλος, Ε. Κυριαζή, Κ. Λιακόπουλος, Πειραματική Αντοχή των Υλικών, Εκδόσεις Συμεών, Αθήνα [2] Ι. Πρασιανάκης, Σ. Κουρκουλής, Σημειώσεις για τα Εργαστήρια Πειραματικής Αντοχής Υλικών, Εκδόσεις Ε.Μ.Π., Αθήνα Σελίδα 9 από 9