Křivky životnosti

V předcházející kapitole bylo řečeno, že zatímco únavové porušení v oblasti konvenční vysokocyklové únavy vzniká na povrchu, únavová porušení v oblasti UHCF obecně vzniká z vnitřních defektů. Toto téma bylo ústředním bodem Euromech Colloquium 382 [3]. Hlavním otázka byla adresována tvaru S-N křivek (Wöhlerova křivka) v oblasti Nf > 106 cyklů a vyjasnění původu únavového porušení a odpovídající meze únavy v různých oblastech. V současnosti existují dva názory na tvar S-N křivek. První tvar je na obr. 5 a, jde o křivku na které se vyskytují dvě meze únavy, první v oblasti vysokocyklové únavy, kterou můžeme nazvat mezí únavy (porušení "z povrchu") a druhou v oblasti únavy gigacyklové (porušení z vnitřních defektů). U některých ocelí je únavové poškození v UHCF oblasti způsobeno vnitřními defekty (inkluze, póry) vedoucí k tzv. "fish-eye" porušení obr. 8. Stále však není vysvětlena otázka, proč v oblasti UHCF při velmi nízkých napětích a extrémně dlouhé únavové životnosti může únavové porušení vznikat uvnitř materiálu a ovlivňovat tak životnost, zatímco povrchové trhliny hrají vedlejší úlohu. Na obr. 7 je uveden tvar S-N křivky pro vysokouhlíkovou chromovou ocel SUJ2. Na typ S-N křivky mají vliv také podmínky provedení vlastních experimentů, ať už se jedná o typ zatěžování, či velikost, tvar případně příprava povrchu vzorku (tepelné zpracování, elektrolytické leštění apod.) obr. 9 a obr. 10.


Křivky životnosti materiálů typu I - čisté jednofázové materiály bez vnitřních defektů

Nezbytným předpokladem pro iniciaci trhlin na povrchu je částečná ireverzibilita cyklického skluzu v tom smyslu, že jednoduché skluzové přemístění v jednom půlcyklu není plně reverzováno v následném půlcyklu. Tím dochází ke kumulaci nevratných mikrostrukturních změn v objemu materiálu a také k akumulaci nevratného skluzu na povrchu. Při dané amplitudě zatěžování je nezbytný určitý kritický počet cyklů Ncrit pro vytvoření povrchového lokálního kritického reliéfu, kde dochází k iniciaci trhlin. Kritické podmínky pro iniciaci trhlin jsou závislé na kumulativní ireverzibilní plastické deformaci. Kritický počet cyklů Ncrit bude větší, čím menší je amplituda zatěžování. S klesající amplitudou napětí, či deformace se ireverzibilita postupně snižuje. Tedy jakýsi "práh ireverzibility" může být definován ve vztahu k jisté prahové hodnotě amplitudy napětí nebo deformace, pod kterým je cyklický skluz kvazi-reverzibilní a tedy nepoškozujícím pro jakýkoliv počet cyklů.

Pro posouzení diagramu únavové životnosti s ohledem na výše uvedené je vhodné vymezit následující oblasti dle velikosti zátěžné amplitudy:

(I) Oblast vysokocyklové únavy na prahem lokalizace deformace (PSP), v této oblasti je únavová životnost konečná a řídí se Manson-Coffinovým zákonem.

(II) Práh lokalizace cyklické deformace; tato amplituda odpovídá amplitudě napětí, či deformace na mezi únavy v oblasti vysokocyklové únavy.

(III) Oblast pod PSP-prahem, ale nad prahem ireverzibility, v této vysokocyklové oblasti je únavová životnost dlouhá, nicméně konečná, a to proto, že cyklický skluz je více méně homogenní a není lokalizován, ale stále částečně ireverzibilní.

(IV) Oblast pod prahem ireverzibility; je to oblast vysokocyklové oblast únavy, kde skluz je nepoškozující případně skluzová ireverzibilita je zanedbatelná a únavová životnost je neomezená.

Výše uvedené rozdělení oblastí je vyznačeno na obr. 5a. Na obr. 6 je v interpretaci Manson-Coffinovy ukázán diagram únavové životnosti. Pokud bychom tuto křivku přetransformovali na S-N křivku pomocí cyklické křivky napětí-deformace (CKND) získali bychom podobnou závislost. Oblast I odpovídá klasické oblasti Manson-Coffinovy přecházející od nízkocyklové oblasti únavy do vysokocyklové. Oblast II je mez únavy (v interpretaci amplitudy plastické deformace), odpovídající prahu lokalizace cyklické deformace, která bude PSP-prahem pro většinu houževnatých materiálů. Počátek oblasti III se objevuje hned pod PSP-prahem a je významně posunut k oblastem s vyšší únavovou životností. Důvodem je, že pod PSP-prahem nedochází k lokalizaci deformace. Proto lokální amplituda smykové deformace Ypl,loc bude významě menší než lokální hodnota Ypl,PSP v PSP a bude odpovídat spíše lokální hodnotě Ypl,M v struktuře matrice. Takže např. u mědi Ypl,loc Ypl,M 10-2 Ypl,PSP. Z tohoto důvodu a protože ireverzibilita skluzu "p" bude významně nižší a Ypl,loc je snížena, počet cyklů nezbytných k vytvoření kritického povrchového reliéfu pro iniciaci trhliny bude mnohem větší než nad PSP-prahem. Proto je začátek oblasti III posunut k vyšším hodnotám Nf o více než dva řády od počátku oblasti II.

Jestliže amplituda bude klesat dále pod PSP-práh, bude se paralelně snižovat i ireverzibilita skluzu a únavová životnost budě stále větší. Případně může být dosaženo bodu, kdy ireverzibilita cyklického skluzu "p" bude nevýznamná pro jakékoliv praktické účely. Takže jestliže amplituda bude nižší než tento "práh ireverzibility" bude únavová životnost nekonečně velká. Proto může být oblast IV interpretována jako skutečná mez únavy gigacyklové únavy.


Křivky životnosti materiálů typu II - materiály obsahující vnitřní defekty

Materiály tohoto typu jsou materiály obsahující vnitřní defekty jako jsou nekovové inkluze či staženiny. Diagram životnosti takovýchto materiálů v interpretaci S-N diagramu bude stejného typu jako je na obr. 5a. Za určitých okolností mohou být materiály obsahující póry, či kavity považovány za materiály typu II. Stejně jako pro materiály I typu v analogii s výše popsaným diagramem životnosti Manson-Coffin můžeme také očekávat víceúrovňovou křivku. V interpretaci S-N křivky mohou být 4 oblasti napětí charakterizovat jako:

(I) Oblast konečné únavové životnosti sahající od oblasti nízkocyklové únavy až do oblasti únavy vysokocyklové, poškozující trhliny jsou iniciovány zpravidla na povrchu.

(II) Oblast vysokocyklové únavy s konvenční mezí únavy, charakterizovaná jistou formou prahu lokalizace cyklické deformace.

(III) Oblast gigacyklové únavy s konečnou životností, porušení vznikající z vnitřních defektů ovlivňuje ve většině případů životnost.

(IV) Mez gigacyklové únavy, pod prahem ireverzibility a pod prahem iniciace a/nebo šíření z vnitřních defektů.

Předpokládá se, že pro poškození z vnitřních defektů u materiálu typu II musí být splněny tyto podmínky: 1) Přítomnost vnitřních defektů z nichž mohou vznikat poškozující trhliny, a 2) objemová hustota těchto defektů musí být taková, že je téměř jistě vyloučeno, že by některé z těchto defektů byly lokalizovány u povrchu. Na druhou stranu, není jasné proč by měly poškozující trhliny vznikat přednostně z vnitřních defektů a ne z povrchových defektů. Kromě nekovových inkluzí, mohou být za možné vnitřní defekty považovány také póry a staženiny (u litých materiálů) [9].