Frylunds Fagteori

Teori i industriteknik

Udmattelsesprøve / Materialetræthed

 

Følgende er omtalt:
Statisk belastning
Varierende belastning

Udmattelsesbrud
Udmattelsesprøvning
Prøveemne
Prøvemaskine
Wöhler diagram

Kærvvirkning


Når et materiale udsættes for svingende belastninger kan der opstå et udmattelsesbrud, også kendt som materialetræthed.
 

Statisk belastning

Hvis en bjælke understøttes i begge ender og belastes med kraften F på midten vil der komme tryk og trækspændinger i bjælken. De største trykspændinger ses for oven og de største trækspændinger ses forneden på bjælken.

 

Varierende belastning

Bytter vi bjælken ud med en aksel, understøtningerne med lejer og belastningen med et svinghjul vil vi igen se at akslen får trykspændinger for oven og trækspændinger for neden. Drejes svinghjulet 180º vil den del af akslen der før havde trykspænding nu få trækspænding og den del af akslen der før havde trækspænding nu få trykspænding. Akslen vil få svingende spændinger når svinghjulet roterer.
Selvom de vekslende spændinger ligger inden for elastisitetsgrænsen vil de i virkeligheden give en lille plastisk deformation. Der kommer slip på slipplaner i modsatte retninger og der opstår små kærvagtige ind og udskydninger i emnets overflade. Kærvene er forstadiet til revner da de giver spændingskoncentrationer bag kærvene. På grund af yderligere spændingsophobninger vil en revne brede sig ind i materialet og der vil indtræffe et trætheds eller udmattelsesbrud.

 

Udmattelsesbrud i stålaksel

Den muslingeformede del af bruddet er sket på grund af udmattelse. Den grovkornede del viser restbruddet. Da restbruddet er væsentligt større end udmattelsesbruddet, har der været tale om stor overbelastning.

udmattelses-brud.jpg

 

Udmattelsesprøvning

For at teste et materiales evne til at modstå svingende spændinger, fremstilles et antal prøveemner som testes i en prøvemaskine.


Prøveemne

Prøveemner der skal udsættes for vekslende bøjningsspændinger (som ved svinghjulet) skal have en overflade der er hel kærvfri og alle bearbejdnings spor skal være poleret væk.

 

Prøvemaskine

I prøvemaskinen opsættes prøveemnet i bøsninger der sættes i rotation med en elektromotor. Bøsningerne belastes med vægtlodder så prøveemnet får en bestemt bøjningspåvirkning. På prøvemaskinen er monteret en omdrejningstæller til at registrere antallet af omdrejninger indtil bruddet indtræffer.
Til at undersøge et materiales brudstyrke skal der bruges et antal prøveemner. Prøven starter med en stor belastning, omdrejningerne startes og ved brud noteres belastning og omdrejningstal, på næste prøveemne reduceres belastning omdrejningerne startes o.s.v. dette fortsætter indtil der ikke længere sker brud.

 

Wöhler diagram

Resultaterne fra prøvemaskinen plottes ind i diagram, et såkaldt Whöler diagram.
Wöhler diagram for stål har et knækpunkt hvis spændingerne i prøveemnet ligger under dette punkt (det grønne område) kan prøveemnet holde til uendelig mange omdrejninger i prøvemaskinen. Knækpunktet ligger her lige over 106 omdrejninger. Spændingen Ru kaldes materialets udmattelsesgrænse, og svarer til knækpunktet. Ligger belastningen højere end Ru (det røde område) vil materialet få udmattelsesbrud efter et antal omdrejninger. Dette gælder for stål med lige store ± bøjningsspændinger.

 

Kærvvirkning

På maskindele der udsættes for svingende belastninger er det vigtigt at indadgående hjørner ikke er skarpe.
Ved indadgående hjørner vil der opstå spændings koncentrationer som kan være starten på et brud, der opstår en såkaldt kærvvirkning. Kærvvirkning kan også opstå på f.eks. ru overflader (skrub bearbejdede) ved varierende godstykkelse og indfræste noter.

 

På diagrammet ses overfladeruhedens indflydelse på udmattelsesgrænsen.

Ståls udmattelsesgrænse stiger med øget trækstyrke, jo større trækstyrke jo højere udmattelsesgrænse.