Výzkum únavy materiálů pomáhá předcházet katastrofám

Máloco utahá člověka natolik jako dlouhodobá jednotvárná činnost stále dokola zatěžkávající stejné svaly. Podobně jako lidské tělo se však unaví i části strojů a konstrukcí, ovšem bez možnosti účinné regenerace, jako je tomu u člověka. Únava materiálu se tak opakovaným zatěžováním postupně kumuluje – až do okamžiku selhání (lomu) namáhané součásti.

Problém únavy materiálů se týká železnice, automobilové a letecké dopravy a nejrůznějších strojů, v nichž se točí kola, hřídele, turbíny či lopatky, a jsou tak pravidelně, cyklicky zatěžovány. Často navíc pracují nejen za běžné teploty, ale i při zvýšených nebo naopak nízkých teplotách, takže jsou vystaveny kombinovanému teplotnímu a zároveň mechanickému namáhání.

Miliony opakovaných zatížení

Typickou oblastí, na niž se zaměřují odborníci z brněnského Ústavu fyziky materiálů AV ČR, je studium vzniku a šíření únavových trhlin jak v modelových, tak v reálných materiálech. Výzkum únavových charakteristik rozdělili do dvou hlavních okruhů.

Tým Jiřího Mana se věnuje nízkocyklové únavě, kdy počet zatížení (neboli cyklů) do lomu činí zhruba deset tisíc. Skupina Pavla Hutaře se zase zabývá vysokocyklovou únavou, kdy lom nastává mnohem později – počet zátěžových cyklů může dosáhnout až několik miliard! Experimenty v obou oblastech se samozřejmě neliší pouze počtem cyklů, ale i způsobem zatěžování, což se odráží také v používaném experimentálním vybavení.

Pro lepší materiály a odolnější konstrukce

Vědci se snaží odhalit podstatu mikrostrukturních změn v objemu celého tělesa, nikoli pouze na povrchu a různých rozhraních, a poznat tak vztah mezi mikrostrukturou materiálů a jejich únavovými vlastnostmi. „Nalezení vzájemných vztahů pomáhá v praxi lépe volit materiálové složení vhodné pro konkrétní účely, už existující materiály dál vylepšovat a navrhovat zcela nové, s lepšími vlastnostmi,“ dodává Jiří Man.

Výsledky laboratorních zkoušek na zmenšených tělesech definovaného tvaru mohou sloužit i k projektování bezpečnějších staveb, strojů a zařízení, které musí odolat pravidelnému, cyklickému namáhání. Dovolují také posuzovat chování reálných objektů (třeba železničního mostu, po němž jezdí s danou frekvencí vlaky určité hmotnosti). „Na jejich základě můžeme například odhadnout zbytkovou únavovou životnost konstrukce, pokud je již narušená či jisté poškození předpokládáme, přičemž bereme v úvahu konkrétní reálné naměřené spektrum zatěžování.“

Překonat riziková místa

Každá konstrukce má své kritické body, většinou jsou to její nejtenčí místa, různé náhlé geometrické přechody, ostré hrany, vruby atd., které jsou na únavu materiálu zvlášť citlivé. Na základě experimentů a počítačového modelování však lze stanovit, jak by se měl kritický průřez součástky dimenzovat, aby vydržel předepsaný počet cyklů.

Podle Pavla Hutaře se konstruktéři mohou vydat dvěma cestami. „Jedna vede přes zlepšování materiálu a jeho únavových charakteristik. Ve druhém případě je materiál víceméně daný a je třeba vymyslet, jak ho nově zpracovat nebo jinak ovlivnit – třeba povrchovým kalením nebo speciálním opracováním povrchu.“ Tyto techniky do něho totiž vnesou další napětí, které zavírá vznikající trhliny, takže výsledkem je vylepšený výrobek. „Nebo se geometrie konstrukce může upravit tak, aby v ní nebyly výrazné vruby, protože ty jsou vždy iniciátorem únavového poškození.“

Výzkum pro praxi

Ústav fyziky materiálů AV ČR se věnuje především základnímu výzkumu, který je však úzce provázaný s praxí. Skupina vysokocyklové únavy právě s velkou španělskou ocelárnou řeší evropský projekt, v němž se snaží dosáhnout toho, aby se silně namáhané komponenty v automobilových motorech daly vyrábět poměrně rychle a efektivně, ale přitom měly dobré únavové vlastnosti. Což jsou poněkud protichůdné požadavky.

Dnešní oceli totiž už mají tak vysokou pevnost a jsou tak kvalitní, že se nesmírně špatně opracovávají. Aby se daly lépe obrábět, přidávají se do nich různé legující prvky. Ty vytvářejí v oceli inkluze, které mají jiné materiálové složení než základní materiál a zlepšují obrobitelnost (např. sulfidy). Z pohledu únavy materiálu ovšem představují defekt, který se může stát původcem únavového poškození. „Hledáme složení, při němž bude ocel ještě dobře obrobitelná a zároveň bude mít dobré únavové vlastnosti.“

Defekty pevných materiálů

Další experimenty v Ústavu fyziky materiálů AV ČR reagují na akutní potřebu ochrany životního prostředí – s ní souvisí enormní tlak na snížení váhy různých konstrukcí, samozřejmě při zachování jejich bezpečnosti. Jedinou cestou je použít materiály s vyšší pevností, které umožní ztenčit plechy, zmenšit průměry hřídele atd. Ovšem musí se opět hledat určitá rovnováha, protože čím pevnější materiál, tím menší defekty v něm mohou vést ke vzniku únavové trhliny. Tudíž i velice malé vady či poškození, které by v měkkém materiálu nehrály žádnou roli, mohou u materiálů s vysokou pevností podnítit vznik trhlin a nakonec způsobit, že se součást rozlomí a následně se třeba i vážně poškodí celé zařízení či konstrukci.

„Vyvíjejí se stále nové materiály a jejich skupiny, například kompozity, které mají úplně jiné mechanismy vzniku defektů. U nich jsme vlastně pořád úplně na začátku, protože jde o proces podstatně složitější a stále je co objevovat. Takže budoucnost oboru je na desítky let dopředu zajištěna,“ věří Luboš Náhlík, který se zaměřuje také na porušování kompozitních materiálů.

Laboratořemi tak prochází široká škála moderních materiálů: ultrajemnozrnné, mikrokrystalické, nanokrystalické a amorfní, ale i intermetalika, superslitiny, pokročilé oceli a různé další slitiny s unikátními vlastnostmi, např. slitiny s paměťovým efektem. „Pro spolehlivou předpověď chování konkrétního materiálu či součásti je kromě sofistikovaných analyticko-numerických postupů zapotřebí také rozsáhlých experimentálních dat,“ doplňuje Jiří Man.

Bezpečné vlaky

Tým Pavla Hutaře se orientuje především na předpověď únavového poškození v materiálech pro odvětví, v nichž by mohlo dojít k velkým tragédiím, jako jsou jaderný průmysl nebo vlaková a letecká doprava. „Stále ještě nejsou dostatečně objasněné jevy, jako je zavírání únavové trhliny.“

Vědci dlouhodobě spolupracují s firmou vyvíjející železniční nápravy na zlepšení únavových vlastností běžně používaných materiálů. „Ústředním bodem našich výzkumů je definovat, jak má vypadat povrchové kalení nápravy. To totiž vnáší do celé komponenty další zbytkové napětí, jehož působením se únavové trhliny v nejkritičtějších místech povrchu zavírají. Tím se výrazně zvyšuje životnost nápravy.“

V poslední době své experimenty rozšířili i o vliv vlhkosti na růst únavových trhlin v materiálech pro železniční dvojkolí, protože vlak přirozeně jezdí celoročně, bez ohledu na teplotu, déšť, sníh… V laboratoři se zvolí určitá vlhkost prostředí, v něm se posléze zkušební vzorek zatěžuje a simulují se reálné vnější podmínky. „Znalosti ze základního výzkumu převádíme na metodiku, která se přímo aplikuje na vlakové nápravy. Na tomto základě vzniká třeba nový design náprav,“ vysvětluje Luboš Náhlík.

Významným přínosem brněnských vědců je i vytvoření metodiky predikce šíření únavových trhlin ve vysoce namáhaných nápravách a vypracování unikátních postupů, které umožní stanovit jejich chování při dlouhodobém provozním zatížení.

Ačkoli železniční doprava slouží lidem už téměř dvě století, železniční dvojkolí nebo nápravy se musí zkoumat dál, protože představují jedno z nejkritičtějších míst vagonů, upozorňuje Jiří Man: „Souvisí to s neustálým zrychlováním dopravy: Při vyšší rychlosti samozřejmě náprava prodělá za svou životnost mnohem víc cyklů, než když vlaky jezdily průměrnou rychlostí 80 km/h.“

Luboš Náhlík připojuje další důvod – ekonomiku provozu: „Operátoři chtějí provozovat vlakové soupravy co nejlevněji, prodlužují servisní intervaly vlaků násobně oproti dřívějším standardům a ptají se, jestli to vlakové nápravy vydrží. A pokud nikoli, žádají takové, které vydrží násobný projezd.“

Elektrárny a letadla

Tým Jiřího Mana zase studuje spolu s partnery z průmyslu chování vybraných typů materiálů pro energetiku a letectví: „Jsou to zejména niklové superslitiny, které pracují při 700, 800 i 900 °C, takže u nich provádíme zkoušky za vysokých teplot.“ Testují též speciální případy termomechanické únavy, kdy při složitých experimentech průběžně mění jak mechanickou deformaci, tak právě i teplotu. „K takovému komplexnímu proměnlivému namáhání dochází například u turbín motoru letadel při startu.“

Předmětem zájmu je i vysoce legovaná austenitická nerezavějící ocel, která se používá pro kotle v energetice a umožňuje zvýšit provozní teplotu zhruba o 100 °C, čímž se zlepší účinnost kotle a tím sníží i nežádoucí exhalace. „Jelikož jde o nový materiál, je opět nutné znát jeho chování od pokojových teplot, za nichž se kotel rozbíhá, až do provozních teplot, za nichž pracuje.“

Laboratorní přístroje, včetně různých typů mikroskopů, umožňují fyzikům detailně studovat jednotlivé etapyúnavového poškozování – iniciaci trhlin, jejich růst až po lom a následně pak také lomové plochy. Mohou poznávat a popisovat mechanismy vedoucí k únavě různých materiálů a vypracovávat metodiky, jak únavové charakteristiky měřit. Na základě spolehlivých experimentálních dat rovněž vytvářejí počítačové modely umožňující nejen predikovat únavová poškození, ale také navrhovat materiály nebo konstrukce, které mohou riziko výrazně omezit.

Text je převzat a upraven z článku Únava bez katastrof z časopisu A / Věda a výzkum 01/2019.

Zdroj: Akademie věd ČR