Únavové skúšky

Stanovenie odolnosti materiálov a súčastí proti vibráciám pomocou optickej 3D meracej techniky

Únavové skúšky sa delia do rôznych kategórií:

Nízkocyklové únavové skúšky podľa ISO 12106 a ASTM E606
Vysokocyklové únavové skúšky podľa DIN 50100, ASTM E466-15 alebo ISO 1099

Vysokocyklová únavová skúška (High Cycle Fatigue test), označovaná aj ako S-N test, Wöhlerova únavová skúška alebo kontinuálna vibračná skúška, je cyklická skúška zaťaženia na stanovenie únavového správania materiálov a súčastí. Únavové správanie alebo odolnosť proti vibráciám poskytujú informácie o deformačnom a poruchovom správaní materiálu alebo súčasti pri dynamickom kmitavom zaťažení. Výsledky skúšky zohrávajú dôležitú úlohu pri praktickom využití materiálov a súčastí, pretože cyklické mechanické zaťaženie je často príčinou ich poruchy. Znalosť únavového správania umožňuje vyvodiť presné závery o medzi únavy a časovej pevnosti materiálu alebo súčasti. Znalosť únavového správania materiálov a súčastí zaisťuje, že počas životného cyklu konečného produktu nedôjde ku kritickému poškodeniu materiálu ani k náhlemu únavovému zlyhaniu.

Koncentrácia napätia a vrubový efekt

Vysokocyklová únavová skúška (HCF) sa môže použiť na základný výskum, napríklad pri nových kompozitných materiáloch vystužených vláknami v oblastiach ako automobilový priemysel, letectvo a kozmonautika alebo biomechanika. Okrem toho je vysokocyklová únavová skúška (alebo Wöhlerova únavová skúška) neoddeliteľnou súčasťou testovania prototypov, kde sa môže použiť napríklad na vyhodnotenie konštrukcie súčasti alebo výpočet životnosti. Konštruktéri sa pri vývoji produktu nemôžu spoliehať na všeobecné charakteristiky materiálu bez testovania, pretože tieto charakteristiky nemožno preniesť 1:1 na každú súčasť. Dôvodom je, že otvory, veľkosť a tvar súčasti ako aj ďalšie konštrukčné charakteristiky vedú k zmene koncentrácie napätia na súčasti v porovnaní s koncentráciou napätia na štandardizovaných geometriách vzoriek pri materiálovom skúšaní. Jednotlivé konštrukčné vlastnosti tak výrazne ovplyvňujú únavové správanie súčastí a môžu urýchliť ich zlyhanie. Tento jav sa v technickej literatúre nazýva vrubový účinok (alebo efekt koncentrácie napätia).

Ako funguje vysokocyklová únavová skúška (HCF)?

Skúšobná vzorka sa umiestni do skúšobného stojana a podrobí sa cyklickému zaťaženiu (ťah, tlak, ohyb, krútenie alebo šmyk) zvyčajne pomocou sínusovej funkcie záťaže v čase. Počas Wöhlerovej únavovej skúšky zostáva stredné napätie konštantné. Vzorky skúšobnej série sa striedavo zaťažujú amplitúdou napätia na oboch stranách stredného napätia, až kým nenastane vopred definované kritérium poruchy, napr.:

Vysokocyklová únavová skúška prebieha, až kým vzorka nezlyhá (alebo nenastane jasne definované kritérium poruchy, napr. lom alebo trhlina).
Prahová hodnota v počte cyklov sa vopred definuje. Vysokocyklová únavová skúška (S-N test) končí, keď vzorka alebo súčasť dosiahne prahový počet zaťažovacích cyklov bez prejavenia viditeľných kritérií poruchy. V tomto prípade sa testovaná vzorka alebo súčasť označí za odolnú proti únave.
Vedci a skúšobní inžinieri vždy vykonajú niekoľko vysokocyklových únavových skúšok (S-N testov) na identických vzorkách, jednu po druhej. Amplitúda napätia sa od vzorky k vzorke postupne znižuje (schodisková metóda), až kým už vopred definovaná udalosť (napr. lom vzorky) nenastane alebo sa dosiahne prahový počet zaťažovacích cyklov. Všeobecne sa na každú amplitúdu zaťaženia vykonajú aspoň tri skúšky na štatistické overenie hodnôt.

Výsledky všetkých behov série Wöhlerových únavových skúšok sa nakoniec zaznamenajú do diagramu: Wöhlerov diagram. Tento diagram zobrazuje vzťah medzi amplitúdami napätia (os Y) a ich príslušným prahovým počtom zaťažovacích cyklov (os X). Výsledkom je Wöhlerova krivka (S-N krivka, Wöhlerova čiara).

Ako sa môže merať deformácia pri vysokocyklovej únavovej skúške?

Klasickým meracím zariadením pre vysokocyklovú únavovú skúšku je tenzometer, ktorého hodnota odporu sa mení pri deformácii alebo stlačení povrchu objektu. Tenzometre sú dostupné z rôznych materiálov a v rôznych tvaroch, takže pre každú štandardnú skúšku sa nájde vhodný tenzometer. Na zaznamenanie deformácie testovaného materiálu alebo súčasti sa jeden alebo viac tenzometrov ručne aplikuje na vzorku a pomocou káblov pripojí k zariadeniu na zosilňovanie alebo takzvanému systému na zber dát (DAQ).

Znie to jednoducho, ale v praxi sa to stáva zložitejším: Lokálne použitie tenzometra predstavuje fyzický zásah do zloženia povrchu vzorky. Aj keď je adhézna vrstva tenzometra veľmi tenká, možno pozorovať lokálny vrubový účinok. Vzniknuté malé povrchové defekty môžu viesť k nechceným lomom v oblasti tenzometra, čo skúšku skresľuje. Okrem toho použitie tenzometrov prináša druhý problém: Únave je vystavený nielen testovaný materiál, ale aj materiál tenzometra. Najmä pri high-tech kompozitoch sa únava materiálu tenzometra môže vyskytnúť skôr ako únava testovaného materiálu. V dôsledku toho môže byť vysokocyklová únavová skúška prerušená skôr, ako bolo pôvodne plánované, teda už pri poruche tenzometra.

Užitočnú alternatívu alebo doplnok k tenzometrom ponúka optická 3D meracia technika: Meracie systémy založené na kamerách sledujú priebeh skúšky v reálnom čase (v multisenzorových zostavách z rôznych uhlov pohľadu súčasne) a umožňujú bezkontaktný zber dát merania. Zachytené hodnoty deformácií a 3D posunov poskytujú jasné informácie o deformácii skúšobnej vzorky. Namerané dáta sa automaticky prenesú do softvéru merania, čo umožňuje rôzne vyhodnotenia (napr. porovnanie nameraných dát s dátami zo simulácie).

Ktorý merací systém je vhodný pre vysokocyklovú únavovú skúšku?

Optický 3D merací systém ARAMIS zaznamenáva s vysokou presnosťou 3D súradnice, 3D posuny a 2D povrchové deformácie ako na celom povrchu, tak aj v špecifických bodoch záujmu. Meriace pole systému ARAMIS možno flexibilne prispôsobiť vzorke. Bez ohľadu na to, či ide o malú súčiastku alebo špeciálnu konštrukciu dlhú niekoľko metrov, senzory ARAMIS vždy pokrývajú celé skúšobné usporiadanie. Na rozdiel od konvenčných tenzometrov systém zaznamenáva dáta merania úplne bezkontaktným spôsobom. V prípade potreby môže používateľ prostredníctvom pripojeného softvéru ZEISS INSPECT aplikovať na súčasť virtuálne tenzometre bez potreby predbežne riešiť, kde dôjde k najvyššej deformácii. Softvér sprevádza používateľa celým postupom merania: od získavania dát cez analýzu povrchových deformácií alebo bodových 3D posunov až po vytvorenie zmysluplných reportov, ktoré sú ľahko zrozumiteľné a interpretovateľné aj pre používateľov bez metrologických skúseností (napr. partnerské spoločnosti alebo zákazníci). Rozsah deformácie skúšobnej vzorky je možné vizualizovať napríklad farebným zobrazením odchýlky.

Zdieľať túto stránku