Požadavky na únavovou pevnost hliníkových výlisků?

Únavové selhání se často objeví bez varování. Mnoho kupujících se zaměřuje na mez kluzu a opomíjí únavu. Tento nedostatek vede k trhlinám, prostojům a vysokým nákladům na výměnu.

Únavová pevnost hliníkových výlisků závisí na slitině, temperaci, kvalitě povrchu a způsobu zatížení. Při většině průmyslových použití je únavová pevnost mnohem nižší než statická pevnost a musí být zkontrolována již při návrhu.

Mnoho projektů selhává ne proto, že by byl hliník slabý, ale proto, že se ignoruje jeho únavové chování. Včasné pochopení únavy pomáhá vyhnout se přepracování návrhu, zpoždění a bezpečnostním rizikům.

Jaká je typická únavová pevnost výlisků?

Únavová pevnost není jediné pevné číslo. Mění se v závislosti na slitině, temperaci, povrchové úpravě a napěťových cyklech. Konstruktéři často očekávají jednoznačnou hodnotu, ale hliník se při únavě nechová jako ocel.

Typická únavová pevnost hliníkových výlisků se pohybuje od 30 MPa do 100 MPa při 10 milionech cyklů v závislosti na slitině a temperaci. Pro hliník neexistuje žádný skutečný limit odolnosti.

To znamená, že s rostoucím počtem cyklů dochází k únavovému poškození, a to i při nízkém namáhání.

Proč hliník nemá žádný limit výdrže

Ocel často vykazuje plochou únavovou křivku. Pod mezním napětím může přežít nekonečné množství cyklů. Hliník se takto nechová.

Pro hliníkové výlisky:

• Každý zátěžový cyklus způsobí malé poškození
• Mikrotrhliny se časem pomalu zvětšují
• K selhání může dojít i při nízkém namáhání

Proto je počet cyklů rozhodující.

Typické rozsahy únavy podle skupiny slitin

Níže je uvedeno obecné srovnání použité v počátečním návrhu. Nejedná se o zaručené hodnoty. Pomáhají pouze při výběru.

Slitina	Temperament	Přibližná únavová pevnost při 10^7 cyklech (MPa)	Běžné použití
6063	T5	30 až 50	Architektonické, lehké rámy
6061	T6	60 až 95	Stavební, strojní
6082	T6	70 až 100	Rámy pro vysoké zatížení
7075	T6	90 až 130	Letectví a kosmonautika, vysoké zatížení

Stav povrchu může tyto hodnoty snížit o 20 a více procent.

Úloha kvality vytlačování

Únava začíná na slabých místech. U výlisků jsou to často:

• Výsekové linie
• Škrábance na povrchu
• Ostré rohy
• Svarové spoje v dutých profilech

Dobrá konstrukce matrice a řízení procesu tato rizika snižují. Hladký povrch v mnoha případech zvyšuje únavovou životnost více než zvětšování tloušťky stěn.

Záleží na poměru napětí

Únavová pevnost závisí na poměru napětí. Plně obrácené zatížení je závažnější než jednosměrné zatížení.

Návrháři musí definovat:

• Maximální napětí
• Minimální napětí
• Průměrný stres

Ignorování této skutečnosti vede k nebezpečným předpokladům.

Chyby v počátečním návrhu, kterých je třeba se vyvarovat

Mnoho kupujících požaduje pouze zprávy o pevnosti v tahu. Ta nepředpovídá únavovou životnost. Únavová pevnost je obvykle mnohem nižší než mez kluzu.

Jak ovlivňuje cyklování zátěže životnost vytlačování?

Únavové selhání je způsobeno opakovaným zatížením, nikoli jednorázovým přetížením. Mnoho výlisků selhává při zatíženích, která jsou mnohem nižší než jejich jmenovitá pevnost, a to v důsledku cyklování.

Cyklické zatěžování snižuje životnost výlisku tím, že vytváří mikrotrhliny, které s každým cyklem rostou, až dojde k náhlému lomu. Vyšší cykly a rozsahy napětí prudce zkracují životnost.

Pochopení vzorců zatížení je důležitější než špičkové zatížení.

Co se považuje za cyklus

Jeden cyklus je jedna úplná změna zatížení. To zahrnuje:

• Spuštění a zastavení strojů
• Vibrace způsobené větrem
• Tepelná roztažnost a smršťování
• Opakované zvedání nebo pohyb

I malé výkyvy stresu se počítají.

Základy křivky S-N

Únavové chování je znázorněno pomocí S-N křivky:

• S = amplituda napětí
• N = počet cyklů do selhání

Pro hliník:

• Vysoké namáhání vede k rychlému selhání
• Nízké napětí vede k dlouhé životnosti, ale ne nekonečné.

Konstruktéři se často zaměřují na konkrétní životnost, například 2 miliony nebo 10 milionů cyklů.

Únava při vysokém a nízkém cyklu

Existují dvě běžné únavové zóny.

Únava při nízkém cyklu

• Vysoký stres
• Plastická deformace
• Cykly obvykle nižší než 100 000
• Běžné při seismickém nebo rázovém zatížení

Únava při vysokém cyklu

• Nižší stres
• Pružná deformace
• Miliony cyklů
• Běžné v rámech a podpěrách strojů

Většina hliníkových výlisků pracuje při vysokocyklové únavě.

Směr zatížení a tvar profilu

Výlisky lépe zvládají únavu, když:

• Dráhy zatížení jsou plynulé
• Stres je rovnoměrně rozložen
• Žádná náhlá změna oddílu neexistuje

Mezi špatné návrhy patří:

• Ostré zářezy
• Tenké sítě v blízkosti otvorů
• Náhlá změna tloušťky

Praktické úpravy designu

Prodloužení únavové životnosti:

• Zvětšení poloměru krojové části
• Vyhněte se ostrým rohům
• Použijte jednotnou tloušťku stěny
• Snížení koncentrace stresu

Malé změny geometrie často zdvojnásobí únavovou životnost.

Skryté zdroje cyklistiky

Někteří kupující berou v úvahu pouze mechanické zatížení. Zapomínají na to:

• Teplotní cykly
• Montážní napětí
• Zbytkové napětí z rovnání

Ty se kombinují se servisním zatížením.

Skutečný vzor selhání

Únavové trhliny často vznikají v tichosti. Rostou pomalu. Pak dojde k náhlému selhání. Až do konečného zlomu často není žádné viditelné varování.

Které slitiny mají vyšší odolnost proti únavě?

Ne všechny hliníkové slitiny se při únavě chovají stejně. Volba slitiny má velký vliv na životnost.

Slitiny řad 6000 a 7000 mají lepší odolnost proti únavě než řada 3000, přičemž 6061-T6 a 6082-T6 jsou běžnou vyváženou volbou pro výlisky.

Samotná pevnost však nezaručuje únavový výkon.

Proč záleží na chemickém složení slitiny

Odolnost proti únavě závisí na:

• Struktura zrna
• Zpevnění srážek
• Kontrola nečistot

Tepelně zpracovatelné slitiny mají obvykle lepší vlastnosti.

Porovnání běžných vytlačovacích slitin

Slitina	Únavové chování	Výhody	Limity
6063-T5	Nízká až střední	Dobrý povrch, snadné vytlačování	Nižší únavová pevnost
6061-T6	Mírná až vysoká	Dobrá rovnováha mezi pevností a cenou	Mírně obtížnější vytlačování
6082-T6	Vysoká	Pevnější než 6061	Nižší kvalita povrchu
7075-T6	Velmi vysoká	Vynikající únava	Náklady, riziko koroze

Proč je 6061-T6 široce používán

6061-T6 se často volí proto, že:

• Stabilní údaje o únavě
• Dobrá obrobitelnost
• Přijatelná odolnost proti korozi
• Široká dostupnost dodavatelů

Není nejsilnější, ale je předvídatelný.

Úloha temperamentu

Chování při únavě se mění.

• T5: chlazené od vytlačování, nižší únava
• T6: ošetřeno roztokem a stárnutím, vyšší únavnost

Vylepšení temperace může zvýšit únavovou pevnost beze změny profilu.

Vliv svařování

Svařování prudce snižuje únavovou pevnost.

• Tepelně ovlivněné zóny změknou
• Změny mikrostruktury
• Trhliny často vznikají v blízkosti svarů

Konstruktéři by se měli vyhnout svařování v oblastech s vysokou únavou nebo lokálně zvětšit velikost průřezu.

Účinky povrchové úpravy

Některé léčebné postupy pomáhají, jiné škodí.

• eloxování: může mírně snížit únavu, pokud je silné
• Zpevňování povrchu: může zlepšit únavu
• Leštění: zlepšuje únavu

Kontrola povrchu je velmi důležitá.

Kompromis mezi náklady a únavou

Slitiny s vyšší únavou jsou dražší. Náklady na výměnu a prostoje jsou však často vyšší než náklady na modernizaci materiálu.

Existují normy pro zkoušky únavové pevnosti?

Únavové zkoušky se musí řídit normami. Bez standardních metod nelze údaje porovnávat ani jim věřit.

Ano, na únavové zkoušky hliníkových výlisků se vztahují normy ASTM, ISO a EN, které definují tvar vzorků, kontrolu zatížení a počítání cyklů.

Těmito normami se řídí testování i ověřování konstrukce.

Proč jsou normy důležité

Údaje o únavě se značně liší. Normy zajišťují:

• Opakovatelné testování
• Srovnatelné výsledky
• Jasná definice zatížení

Kupující by se měl vždy zeptat, která norma byla použita.

Společné normy pro únavu

Níže jsou uvedeny široce používané odkazy.

Standardní	Oblast působnosti	Typické použití
ASTM E466	Axiální únava	Zkoušení základního materiálu
ASTM E468	Prezentace údajů o únavě	Formát hlášení
ISO 1099	Axiální únava	Mezinárodní reference
CZ 1999	Hliníkové provedení	Konstrukční aplikace

Vzorek vs. skutečný profil

Při standardních zkouškách se používají hladké vzorky. Skutečné výlisky zahrnují:

• Rohy
• Otvory
• Svařovací švy

To znamená, že skutečná únavová pevnost je často nižší než zkušební hodnoty.

Testování komponent

U kritických projektů se doporučuje testování komponent.

• Používá skutečný profil
• Včetně svarů a spojů
• Odráží skutečný stav stresu

To je běžné v dopravě a u těžkých strojů.

Bezpečnostní faktory

Konstrukční normy používají únavové bezpečnostní faktory. Ty zohledňují:

• Výrobní odchylka
• Poškození povrchu
• Nejistota zatížení

Ignorování bezpečnostních faktorů vede k předčasnému selhání.

Kontrolní seznam kupujícího

Při kontrole údajů o únavě vždy potvrďte:

• Použitý poměr zatížení
• Cílová hodnota počtu cyklů
• Definice selhání
• Geometrie vzorku

Mnoho datových listů tyto údaje vynechává.

Konstrukční kódy vs. materiálové údaje

Údaje o únavě materiálu podporují konstrukční předpisy. Konstrukční předpisy řídí konečné přípustné napětí.

Inženýři se musí řídit konstrukčním předpisem, nikoli pouze údaji dodavatele.

Závěr

Únavová pevnost kontroluje dlouhodobou bezpečnost hliníkových výlisků. Záleží na výběru slitiny, kvalitě povrchu, zatěžovacích cyklech a normách. Včasné plánování únavy snižuje riziko poruchy, náklady na přepracování konstrukce a prostoje.