Únavové zkoušky

Únavové zkoušky se dělí do různých kategorií:

• Nízkocyklové únavové zkoušky podle ISO 12106 a ASTM E606
• Vysokocyklové únavové zkoušky podle DIN 50100, ASTM E466-15 nebo ISO 1099

Vysokocyklová únavová zkouška (HCF), označovaná také jako S-N test, Wöhlerova únavová zkouška nebo kontinuální vibrační zkouška, je cyklická zatěžovací zkouška pro stanovení únavového chování materiálů a součástí. Únavové chování neboli vibrační pevnost poskytuje informace o deformaci a poruchovém chování materiálu nebo součásti při dynamickém kmitavém zatížení. Výsledky zkoušky mají důležitou roli v praktickém použití materiálů a součástí, protože cyklické mechanické zatížení je často příčinou poruch součástí. Znalost únavového chování umožňuje vyvodit přesné závěry o únavové pevnosti a mezi únavy materiálu nebo součásti. Znalost únavového chování materiálů a součástí zajišťuje, že během životního cyklu konečného produktu nedojde ke kritickému poškození materiálu ani k náhlému únavovému selhání.

Zkušební vzorek je upnut do zkušebního stojanu a vystaven cyklickému zatížení (tah, tlak, ohyb, torze nebo smyk), obvykle s využitím sinusové funkce zatížení-čas. Během únavové zkoušky (S-N test) zůstává střední napětí konstantní. Vzorky ve zkušební sérii jsou střídavě zatěžovány amplitudou napětí na obou stranách středního napětí, dokud nenastane specifikované kritérium porušení, např.:

• Únavová zkouška probíhá, dokud vzorek neselže (nebo dokud nedojde k jasně definovanému kritériu porušení, např. lom nebo prasknutí).
• Únavová zkouška (S-N test) končí, když vzorek nebo součást dosáhne limitního počtu cyklů, aniž by se projevilo viditelné kritérium selhání. V tomto případě se zkoušený vzorek nebo součást označuje jako odolný proti únavě.
• Vědci a zkušební technici vždy provádějí postupně několik únavových zkoušek (S-N testů) na identických vzorcích. Amplituda napětí se od vzorku ke vzorku postupně snižuje (schodišťová metoda), dokud již nedojde k předem definované události (např. k lomu vzorku) nebo není dosaženo limitního počtu zatěžovacích cyklů. Obecně se pro každou amplitudu zatížení provedou nejméně tři testy, aby se hodnoty statisticky ověřily.
  

Výsledky všech běhů únavové zkoušky se nakonec znázorní v diagramu: ve Wöhlerově diagramu. Tento diagram zobrazuje vztah mezi amplitudami napětí (osa Y) a jejich příslušným prahovým počtem cyklů (osa X). Výsledkem je Wöhlerova křivka (Wöhlerova linie).

Klasickým měřicím zařízením pro S-N test je tenzometr (nebo měřidlo), jehož odpor se mění při natahování nebo stlačování povrchu předmětu. Tenzometry jsou komerčně dostupné v široké škále materiálů a tvarů, takže pro každou standardní zkoušku jsou k dispozici vhodné tenzometry. Pro zaznamenání deformace testovaného materiálu nebo součásti se jeden nebo více tenzometrů ručně přiloží na vzorek a kabelem se připojí k zesilovacímu zařízení nebo k systému pro sběru dat (DAQ).

Zní to jednoduše, ale v praxi se ukazuje jako složitější: Lokální použití tenzometru představuje fyzikální zásah do složení povrchu vzorku. I když je adhezní vrstva tenzometru velmi tenká, lze pozorovat lokální vrubový efekt. Vzniklé drobné povrchové vady mohou vést k nežádoucím prasklinám v oblasti tenzometru, což zkresluje zkoušku. Použití tenzometrů navíc přináší druhý problém: Únavě nepodléhá pouze testovaný materiál, ale také materiál tenzometru. Zejména u high-tech kompozitních materiálů může únava materiálu tenzometru nastat dříve než únava testovaného materiálu. V důsledku toho může být nutné ukončit únavovou zkoušku (Wöhlerovu zkoušku) dříve, než bylo skutečně zamýšleno, tj. již při selhání tenzometru.

Užitečnou alternativu nebo doplněk tenzometrickým měřidlům nabízí optická 3D metrologie: Měřicí systémy založené na kamerách sledují zkušební sekvenci v reálném čase (v sestavách s více senzory z různých perspektiv současně) a umožňují bezkontaktní získávání naměřených dat. Zaznamenané naměřené hodnoty deformace a 3D posunu poskytují jasné informace o deformaci zkušebního vzorku. Naměřená data se automaticky přenášejí do měřicího softwaru, což umožňuje různá vyhodnocení (např. porovnání naměřených dat s daty ze simulace).

Optický 3D měřicí systém ARAMIS zaznamenává s vysokou přesností 3D souřadnice, 3D posuny a 2D povrchové deformace jak na celém povrchu, tak i v konkrétních bodech. Měřicí pole systému ARAMIS lze flexibilně přizpůsobit vzorku. Nezáleží na tom, zda se jedná o malou součástku nebo speciální konstrukci o délce několika metrů, senzory ARAMIS vždy pokryjí celé zkušební uspořádání. Na rozdíl od konvenčních tenzometrů zaznamenává systém naměřená data zcela bezkontaktně. V případě potřeby může uživatel prostřednictvím připojeného softwaru ZEISS INSPECT aplikovat na součást také virtuální tenzometry, aniž by se musel předem starat o to, kde dochází k největší deformaci. Software provede uživatele celým postupem měření: od sběru dat přes analýzu deformací povrchu nebo bodových 3D posunů až po vytvoření smysluplných měřicích protokolů, které jsou snadno srozumitelné a interpretovatelné i pro uživatele bez metrologických zkušeností (např. kooperující partneři nebo zákazníci). Rozsah deformace zkušebního vzorku lze vizualizovat například v barevném zobrazení odchylek.