Minden új vizsgálati módszer bevezetése, alkalmazása esetén felmerül a kérdés: milyen a kapott mérési eredmények meghatározásának megbízhatósága? A kérdés megválaszolása érdekében az 1. ábrán látható két próbatest-típuson végzetünk vizsgálatokat.

A próbatestek anyagául – a szövetszerkezeti inhomogenitások hatásának csökkentésére – X 12 CrNiTi 18 9 acélminőséget választottunk. A fárasztást három különböző teljes alakváltozás amplitúdóval (e _a1=± 1,89%, e _a2=± 0,94%, e _a3=± 0,38%), terhelési szintenként 5-5 próbatesten, levegőn, szobahőmérsékleten, törésig végeztük. A különböző teljes alakváltozás amplitúdójú fárasztással kapott törési ciklusszámok (N_t), továbbá az élettartam 50%-ához tartozó feszültségamplitúdók átlagát, szórását és variancia együtthatóját az 1. táblázat mutatja.

 

Teljes alakváltozás amplitúdó, εa, %	A mért jellemző megnevezése	Próbatesttípus
		1. ábra a)			1. ábra b)
		átlag	szórás	szórási együttható	átlag	szórás	szórási együttható
± 1.89	Nt, ciklus	117	7.5	6.37	132	17.29	13.10
	σa50, N/mm2	595	4.82	0,81	534	3.35	0.62
± 1.94	Nt, ciklus	488	47.48	9.73	553	92.55	16.76
	σa50, N/mm2	425	11.97	2.82	404	5.03	1.25
± 0.38	Nt, ciklus	4609	530	11.51	5421	791	14.58
	σa50, N/mm2	317	7.33	2.31	309	8.22	2.66

Az 1. táblázat adatai alapján a következő megállapítások tehetők [16]:

A kisciklusú fárasztás eredményeit meghatározó módon befolyásolja a vezérelt változó, az alakváltozás amplitúdó szabályozásának pontossága. Mivel a gyakorlatban hossz- és keresztirányú nyúlásmérőket is alkalmaznak, és a kétféle mérőeszköz esetén nem szükségszerű a szabályozás pontosságának azonossága, célszerű a két kérdéskört összekapcsolni. Tekintettel arra, hogy a szabályozás pontossága az alakváltozás amplitúdó nagyságától is függhet, a vizsgálatokat különböző alakváltozás amplitúdókkal kívánatos elvégezni.

A szabályozás pontosságának elemzésére olyan kísérletsorozatot terveztünk, amelynél azonos anyagból (C10) készült, a 2. ábrán látható 5-5 próbatesten, hossz- és keresztirányú nyúlásmérővel is végeztünk vizsgálatokat [18].

A kisciklusú fárasztást két, állandó maximális alakváltozás amplitúdóval (e _a1=± 1%, illetve e _a2=± 0,5%), R=-1 aszimmetria tényezővel a maximális húzóerő 25%-os csökkenéséig végeztük, számítógéppel vezérelt MTS gyártmányú berendezésen, miközben regisztráltuk az alakváltozás amplitúdók minimális és maximális értékét minden tizedik ciklusnál. A hosszirányú nyúlásmérő mérőhossza 10 mm volt. A keresztirányú nyúlásmérővel végzett vizsgálatoknál az alakváltozás amplitúdót hosszirányú értékre számítottuk át [19], az összehasonlíthatóság érdekében. A kísérletekbe bevont, azonos feltételekkel fárasztott próbatesteken mért mintegy 200-200 maximális és minimális alakváltozás amplitúdó értékeket intervallumokra osztottuk és megrajzoltuk a relatív gyakorisági hisztogramjaikat [20]. Kiszámítottuk minden alakváltozás amplitúdó maximális és minimális értékeinek relatív hibáját, amiket szintén oszlopdiagramokban ábrázoltunk [21].

A mérési eredményhalmazból három csoportot mutatunk be a fontosabb következtetések érzékeltetésére. A 3. ábra az előzőkben ismertetett oszlopdiagramokat mutatja be hosszirányú nyúlásmérőre és e _a1=± 1%-os alakváltozás amplitúdóra, a 4. ábra ugyanezt szemlélteti, csak e _a2=± 0,5% esetén [22]. A keresztirányú nyúlásmérővel, e _a1=± 1%-os alakváltozás amplitúdóval végzet vizsgálatokra vonatkozó értékek a 5. ábrán láthatók

Az eredmények alapján a következő főbb megállapítások tehetők [18, 22]:

Meg kell jegyezni, hogy az előző megállapítások az adott berendezésre, mérőrendszerre érvényesek. Mivel az egyes gépek, műszerek pontossága nem feltétlenül azonos, az előző vizsgálatokat célszerű minden laboratóriumban elvégezni.

A próbatest alakját, méretét alapvetően meghatározza annak a terméknek az alakja és mérete, amelyből a próbatest kimunkálásra kerül. Az alak megválasztásánál fontos az is, hogy a rendszerint húzó-nyomó terheléssel fárasztott próbatestek ne hajoljanak ki. Ezért a kisciklusú fárasztó próbatestek többsége zömök [19], bár alakjuk eltérhet egymástól. A legfontosabb típusokat, méretarányaikkal együtt a [24] és a [16] közlemények összefoglalták. Az egyik típusnál a kihajlási veszély csökkentése érdekében a vizsgált rövid hengeres részt a lényegesen nagyobb fejjel rádiusz közi össze. A másik típusnál hiányzik az állandó keresztmetszetű szakasz, a próbatest felülete tórusz. Joggal tehető fel a kérdés, hogy e két típusú próbatesten meghatározott mérőszámok azonosnak tekinthetők-e?

A kérdés megválaszolásához felhasználhatók a kisciklusú fárasztási eredmények megbízhatóságának elemzésére kapott eredmények, amelyeket az 1. ábrán látható próbatesteken mértünk. A különböző anyagi mérőszámok halmazának azonosságát ebben az esetben is Wilcoxon-próbákkal vizsgáltuk, amelyek eredményeit figyelembe véve a következő megállapítások tehetők:

A kisciklusú fárasztó próbatestek mérete a leggyakrabban alkalmazott mérettartományban, ami hengeres próbatesteknél d₀=5 mm-től d₀=20 mm-ig terjed [25], nincs lényeges hatással a mérési eredményekre. A szokásos méretektől lényegesen nagyobb átmérők alkalmazása különlegesen nagy teljesítményű berendezést kívánna meg, ami miatt alkalmazásuk ritka, kevés mérési eredmény ismert.

Külön célszerű elemezni a próbatestek felületének minőségét. Amennyiben ezt a fogalmat komplexen értelmezzük, azaz abba a felületi érdességen túl a felületi réteg fémtani és feszültségállapotát is beleértjük, biztosan lényeges hatással van a kisciklusú fárasztás eredményeire. Tekintettel arra, hogy a felületi réteg fémtani és feszültségállapotát rendszerint olyan technológiák alkalmazásával változtatják meg, amelyek egyszerre mindkét állapotot módosítják (termokémiai kezelések, felületgörgőzés stb.), hatásukat külön-külön rendkívül nehéz elemezni. A felületi érdesség hatása – a nagyciklusú fárasztásnál tapasztaltakkal ellentétben – elhanyagolható [24], mivel a viszonylag nagy képlékeny alakváltozás már az első terhelésnél eltünteti azokat a mikroszkópi méretű egyenetlenségeket, amelyekből a kis terheléseknél, nagy élettartamoknál a repedések kiindulnak.

Kisciklusú fárasztásnál, amelyet rendszerint teljes alakváltozás amplitúdóra vezérelnek [26] az aszimmetria tényező értéke pedig -1£ R< 1 között változhat. A törésig elviselt igénybevételi szám az aszimmetria tényező növekedésével nő. Tehát a biztonság irányában tévedünk, ha a kedvezőbb aszimmetria tényezőjű terheléseknél is az R=-1-el meghatározott mérőszámokat alkalmazzuk. Ezért az kisciklusú fárasztóvizsgálatok többségét R=-1 értékű aszimmetria tényezővel végzik [27].

A terhelési függvény alakjának hatása előre becsülhető abból az ismert tényből kiindulva, hogy a képlékeny alakváltozásra jellemző feszültség-nyúlás görbe az előélettől [28, 29], azaz az előző terhelés jellegétől, nagyságától, tehát a terhelési függvény alakjától függ. E hatást úgy kívántuk kimutatni, hogy a hagyományosan alkalmazott szinusz alakú terhelési függvény mellett háromszög, négyszög és trapéz alakú terhelési függvénnyel is végezünk kisciklusú fárasztást. A vizsgálatokra kazánok és nyomástartó edények gyártásához használt KL 7D jelű acélminőségen került sor.

A vezérelt változó a teljes alakváltozás amplitúdó volt, amelynek értékét 0,5%-ra és 1%-ra választottuk. A két érték a szokásos kisciklusú fárasztási tartomány alsó és felső harmadába esik, az aszimmetria tényező R=-1 volt. Mindhárom terhelési függvénnyel és mindkét alakváltozási amplitúdóval 5-5 próbatestet fárasztottunk, szobahőmérsékleten. A vizsgálat során regisztráltuk a teljes alakváltozás- és feszültségamplitúdók időbeli változását, amelyekből a 6. ábrán – példaként – egy 0,5%-os, háromszög terhelési függvényű diagramot mutatunk be.

Minden sorozatnál meghatároztuk a tönkremeneteli ciklusszámok (N_t) és az élettartam 50%-ához tartozó feszültségamplitúdók (s _a50) átlagát, szórását, továbbá a teljes alakváltozás amplitúdók mellett a rugalmas és a képlékeny alakváltozás amplitúdók átlagát is (2. táblázat).

 

Terhelési függvény	Teljes alakváltozás	Tönkremeneteli ciklusszám		Az élettartam 50%-ához tartozó feszültségamplitúdó
	amplitúdó, %	átlaga	szórása	átlaga	szórása
szinusz	1	716	57.75	440	2.05
háromszög	1	833	89.65	444	1.00
trapéz	1	843	73.52	452	1.95
négyszög	1	799	86.16	447	8.51
szinusz	0.5	3592	84.00	371	2.55
háromszög	0.5	3898	367.0	372	1.30
trapéz	0.5	3499	155.0	371	1.92
négyszög	0.5	3501	184.6	371	10.52

A különböző terhelési függvénnyel meghatározott jellemzők azonosságát ebben az esetben is Wilcoxon-próbával ellenőriztük. Az eredmények alapján a következő megállapítások tehetők:

A mérési eredmények e látszólagos ellentmondása feloldható, ha a rugalmas és a képlékeny alakváltozás amplitúdók nagyságát is elemzzük. Az 1%-os teljes alakváltozás amplitúdójú vizsgálatoknál a képlékeny alakváltozás amplitúdók nagysága majdnem négyszeres a rugalmas alakváltozás amplitúdókénak, kifejtve a tönkremenetel szempontjából domináns képlékeny alakváltozás jelentőségét, érvényre juttatva a terhelési függvényalak hatását. Ezzel szemben a 0,5%-os teljes alakváltozás amplitúdójú vizsgálatok esetén a képlékeny alakváltozás amplitúdók még a rugalmas alakváltozás amplitúdók kétszeresét sem érik el. Ebben az esetben a reverzibilis rugalmas és az irreverzibilis képlékeny alakváltozás összemérhető, csökkentve az utóbbi hatásának érvényesülését, elmosva a terhelési függvény alakjának hatását [17, 31].

A kisciklusú fárasztóvizsgálatok végének megállapítására különböző tönkremeneteli kritériumokat alkalmaznak. Fizikailag leginkább megalapozott az a felfogás, amelynél a terjedőképes repedés megjelenését tekintik a vizsgálat végének. Ugyanakkor nehéz meghatározni és mérni a repedés ezen méretét. Ezért a gyakorlatban az előző helyett a közvetkező tönkremeneteli kritériumokat alkalmazzák [24, 26]:

E sokféle törési kritérium hatásának szisztematikus elemzésére még nem került sor, csupán néhány tényező, például az erőcsökkenés 10%-os és 25%-os értékének összehasonlítására vannak részeredmények [17].

A fémek és ötvözetek tulajdonságát azok összetételén, fémtani állapotán túl az állapottényezők is befolyásolják. A felhasználás szempontjából előnyös ismerni az állapottényezők kisciklusú fárasztás eredményeire gyakorolt hatását is.

Az egyik állapottényező, az alakváltozási sebesség jelentős mértékben az igénybevételi sebességtől, illetve az átlagos igénybevételi sebességtől, vagy a mérésnél gyakrabban használt fárasztási frekvenciától függ. A jelenleg alkalmazott méréstechnikai feltételek mellett a vizsgálati frekvencia kisciklusú fárasztásnál viszonylag szűk tartományban változtatható, maximum egy nagyságrendet fog át (néha tized Hz-től néhány Hz-ig terjed) [27]. Ilyen feltételek mellett az alakváltozás sebességének hatása érdemben nem elemezhető.

A másik állapottényező a feszültségállapot, amelynek hatása különböző módszerekkel tanulmányozható. Ezek közül a legegyszerűbben megvalósítható a bemetszett próbatestek vizsgálata. Ebben az esetben a próbatest feszültség- és alakváltozás állapota inhomogén lesz, ami megnehezíti a megbízható következtetések levonását [32, 33]. A másik lehetőség, hogy bonyolultabb vizsgáló berendezések alkalmazásával állítják elő a többtengelyű feszültségállapotot [33, 34]. A bonyolultabb és ezért kisebb számban végrehajtott ilyen vizsgálatok ma még nem tesznek lehetővé általánosítható, mennyiségi megállapításokat, bár úgy tűnik, hogy az egyenértékű alakváltozás alapján a mérési eredmények összevonhatók [35].

A harmadik állapottényező, a hőmérséklet, hatásának kimutatására végzett vizsgálatok jelentős számban előfordulnak a közleményekben [27]. Mi többféle acélon tanulmányoztuk a hőmérséklet hatását, az eredménye közül a KL 9 acélminőségen mért adatokat mutatjuk be. A 7. ábrán a 20° C-os, a 8. ábrán pedig az 500° C-os mérés alakváltozás amplitúdók-tönkremeneteli ciklusszámok kapcsolata látható. A Manson-Coffin egyeneseket, különböző hőmérsékleteknél, a 9. ábra, a képlékeny alakváltozás amplitúdó-feszültségamplitúdó kapcsolatát pedig a 10. ábra szemlélteti [36].

Irodalmi adatok és ezen eredmények felhasználásával készültek azok a fizikai modellek, valamint ellenőrző számításaik, amelyekre a korábbiakban – a [10, 11] hivatkozásoknál – már utaltunk.

A növelt hőmérsékletű vizsgálatoknál külön meghatároztuk a tönkremenetelig befektetett munkák értékeit. Azt tapasztaltuk, hogy az alakváltozás amplitúdóktól, a mérések szórásától eltekintve, függetlenek a munkák értékei, ugyanakkor jelentős mértékben változnak a vizsgálati hőmérséklet függvényében [37, 38]. A törésig befektetett munkák átlagát a 2. táblázatban foglaltuk össze.

 

Vizsgálati hőmérséklet, T [°C]	Befektetett munka, W [MJ/m2]
450	7500
500	6616
550	6023

A meghatározott munkák szórása, variancia együtthatói megfelelnek a fajlagos törésmunka mérésénél tapasztaltaknak.

3.fejezet.....