Fáradásvizsgálatok

A fáradásvizsgálatokat különböző kategóriákba sorolják:

• Kisciklusú fáradásvizsgálatok az ISO 12106 és ASTM E606 szerint
• Nagyciklusú fáradásvizsgálatok a DIN 50100, ASTM E466-15 vagy ISO 1099 szerint

A nagyciklusú fáradásvizsgálat (HCF), más néven S-N vizsgálat, Woehler-fáradásvizsgálat vagy folyamatos rezgésvizsgálat az anyagok és alkatrészek kifáradási viselkedésének meghatározására szolgáló ciklikus terheléses vizsgálat. A kifáradási viselkedés vagy rezgésállóság információt nyújt egy anyag vagy alkatrész dinamikus rezgő terhelés alatti deformációjáról és meghibásodási viselkedéséről. A vizsgálati eredmények fontos szerepet játszanak az anyagok és alkatrészek gyakorlati felhasználása szempontjából, mivel a ciklikus mechanikai terhelés gyakran az alkatrészek meghibásodásának oka. A kifáradási viselkedés ismerete pontos következtetéseket tesz lehetővé egy anyag vagy alkatrész véges élettartamú kifáradási szilárdságára és kifáradási határára vonatkozóan. Az anyagok és alkatrészek kifáradási viselkedésének ismerete biztosítja, hogy a végtermék életciklusa során ne következzen be kritikus anyagkárosodás vagy hirtelen kifáradásos meghibásodás.

A próbatestet egy próbapadba helyezik, és ciklikus terhelésnek (húzás, nyomás, hajlítás, csavarás vagy nyírás) vetik alá, jellemzően szinuszos terhelés-idő függvényt alkalmazva. A Woehler-fáradásvizsgálat során az átlagos feszültség állandó marad. A vizsgálatsorozat mintáit a feszültségváltozással (amplitúdóval) felváltva terhelik az átlagos feszültségszint mindkét oldalán, míg egy előre meghatározott meghibásodási kritérium be nem következik, pl.:

• A nagyciklusú fáradásvizsgálat (HCF) addig tart, míg a minta meg nem hibásodik (vagy egy egyértelműen meghatározott hibakritérium nem lép fel, pl. törés vagy repedés).
• Előzetesen meghatározzák a ciklusok számának küszöbértékét. A nagyciklusú fáradásvizsgálat (S-N vizsgálat) akkor ér véget, amikor a próbadarab vagy alkatrész eléri a terhelés ciklusainak számára vonatkozó küszöbértéket anélkül, hogy látható meghibásodási kritériumot mutatna. Ebben az esetben a vizsgált próbatest vagy alkatrész kifáradással szemben ellenállónak tekinthető.
• A tudósok és a tesztmérnökök mindig több nagyciklusú fáradásvizsgálatot (S-N vizsgálatot) végeznek azonos mintákon egymás után. A feszültség amplitúdóját mintáról mintára fokozatosan csökkentik (lépcsőzetes módszer), míg az előre meghatározott esemény (pl. a próbatest törése) már nem következik be, vagy a terhelési ciklusok küszöbszámát el nem érik. Általában legalább három vizsgálatot végeznek terhelés-amplitúdónként az értékek statisztikai ellenőrzéséhez.
  

A Woehler-fáradásvizsgálatok eredményeit végül egy diagramba, a Woehler-diagramba írják be. Ez a diagram a feszültségamplitúdók (Y tengely) és a hozzájuk tartozó terhelési ciklusok küszöbértékének (X tengely) összefüggését mutatja. Ennek eredménye a Woehler-görbe (más néven: Woehler-vonal).

A nagyciklusú fáradásvizsgálat klasszikus mérőeszköze a nyúlásmérő (vagy mérőműszer), amelynek ellenállási értéke megváltozik, amikor a tárgy felületét megfeszítik vagy összenyomják. A piacon a legkülönbözőbb anyagok és formák széles választékában kaphatók a nyúlásmérők/mérőműszerek, így minden szabványos vizsgálathoz rendelkezésre állnak megfelelő nyúlásmérők. A vizsgálandó anyag vagy alkatrész deformációjának rögzítéséhez egy vagy több nyúlásmérő kézzel kerül a mintára, és kábeleken keresztül egy erősítő eszközhöz vagy egy úgynevezett adatgyűjtő rendszerhez (DAQ) csatlakozik.

Egyszerűen hangzik, a gyakorlatban azonban ez sokkal bonyolultabb: A nyúlásmérő/mérőműszer helyi alkalmazása fizikai beavatkozást jelent a minta felületének összetételébe. Még akkor is megfigyelhető a helyi bemetszési hatás, ha a nyúlásmérő/mérőműszer ragasztórétege nagyon vékony. Az így keletkező kis felületi hibák nem kívánt törésekhez vezethetnek a nyúlásmérő/mérőműszer környezetében, ami meghamisítja a vizsgálatot. Ezenkívül a nyúlásmérők/mérőműszerek használata egy másik problémát is felvet: Nemcsak a vizsgált anyag fárad ki, hanem a nyúlásmérő/mérőműszer anyaga is kifáradásnak van kitéve. Különösen a csúcstechnológiájú kompozitok esetében a nyúlásmérő/mérőműszer anyagkifáradása hamarabb bekövetkezhet, mint a vizsgálandó anyag kifáradása. Következésképpen a nagyciklusú fáradásvizsgálatot (Woehler-fáradásvizsgálatot) a tervezettnél korábban, azaz már a nyúlásmérő/mérőműszer meghibásodásakor meg kell szakítani.

A nyúlásmérők/mérőműszerek hasznos alternatívája vagy kiegészítője az optikai 3D-s méréstechnika: A kamera alapú mérőrendszerek valós időben követik a vizsgálatsort (multiszenzoros elrendezésben egyszerre különböző perspektívákból), és lehetővé teszik a mérési adatok érintésmentes rögzítését. A rögzített nyúlások és 3D-s elmozdulások mérési értékei egyértelmű információt nyújtanak a próbatest deformációjáról. A mért adatok automatikusan továbbjutnak a mérőszoftverbe, ami lehetővé teszi a különböző kiértékeléseket (pl. a mérési adatok összehasonlítását a szimulációs adatokkal).

Az ARAMIS optikai 3D-s mérőrendszer nagy pontossággal rögzíti a 3D-s koordinátákat, a 3D-s elmozdulásokat és a 2D-s felületi alakváltozásokat mind a teljes felületen, mind pedig az adott pontokon. Az ARAMIS rendszer mérési területe rugalmasan a próbadarabhoz igazítható. Mindegy, hogy kis alkatrészről vagy több méter hosszú speciális szerkezetről van szó, az ARAMIS érzékelők mindig lefedik a teljes vizsgálati elrendezést. A hagyományos nyúlásmérőkkel/mérőműszerekkel ellentétben a rendszer teljesen érintésmentesen rögzíti a mérési adatokat. Szükség esetén a felhasználó a csatlakoztatott ZEISS INSPECT szoftveren keresztül virtuális nyúlásmérőket/mérőműszereket is alkalmazhat az alkatrészre anélkül, hogy előre aggódnia kellene amiatt, hol lesz a legnagyobb alakváltozás. A szoftver végigvezeti a felhasználót a teljes mérési folyamaton: a mérési adatok gyűjtésétől kezdve a felületi deformációk vagy a pontszerű 3D-s elmozdulások elemzésén keresztül egészen a mérési jelentések elkészítéséig, amelyek még a méréstechnikában járatlan felhasználók (pl. együttműködő partnerek vagy ügyfelek) számára is könnyen érthetőek és értelmezhetőek. A próbadarab deformációjának mértéke például egy színeltéréses ábrázolásban szemléltethető.