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