Wpływ chropowatości powierzchni na trwałość zmęczeniową elementów maszyn – postęp w dziedzinie badań i symulacji *

STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono podstawowe informacje dotyczące wpływu chropowatości powierzchni na trwałość/wytrzymałość zmęczeniową elementów maszyn wykonanych z różnych materiałów konstrukcyjnych i z zastosowaniem różnych metod obróbki. Podano zasady oceny wpływu chropowatości jako zbioru mikroskopijnych karbów na powierzchni rzeczywistej oraz odpowiednie formuły umożliwiające wyznaczenie współczynnika koncentracji naprężeń, który koryguje wartość dopuszczalnej trwałości zmęczeniowej. Wyniki testów zmęczeniowych porównano z wynikami obliczeń i symulacji metodą elementów skończonych (MES). Efekt wpływu chropowatości powierzchni odniesiono do elementów maszyn wykonanych ze stali, stopów aluminium, stopów lotniczych – tytanu i niklu oraz kompozytu wzmocnionego włóknami węglowymi.

SŁOWA KLUCZOWE: elementy maszyn, chropowatość powierzchni, trwałość zmęczeniowa, koncentracja naprężeń, karby powierzchniowe

ABSTRACT: In this paper fundamental information on the influence of surface roughness on fatigue life/limit stresses of machine elements made of different construction materials using different machining/manufacturing processes are presented. The rules for the assessment of surface finish influence represented by the set of microscopic notches on the real machined surfaces, which allow the determination of the stress concentration factor and the correction of a fatigue life limit, are provided. The results of fatigue tests are compared with computed data and predictions using FEM based simulations. The effect of surface discontinues resulting from surface roughness are related to machine elements made of steels, aluminium alloys, aerospace alloys – titanium and nickel based superalloys and composite reinforced by graphite fibres.

KEYWORDS: machine elements, surface roughness, fatigue life, stress concentration, surface notches

 

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Grzesik W. „Wpływ topografii powierzchni na właściwości eksploatacyjne części maszyn”. Mechanik. 8–9 (2015): 587–593.

[2] Grzesik W. “Influence of surface textures produced by finishing operations on their functional properties”. Journal of Machine Engineering. 16, 1 (2016): 15–23.

[3] Grzesik W. “Prediction of the functional performance of machined components based on surface topography: state of the art”. Journal of Materials Engineering and Performance. 25, 10 (2016): 4460– – 4468.

[4] Hashimoto F., Chaudhari R.G., Melkote S.N. “Characteristics and performance of surfaces created by various finishing methods”. Procedia CIRP. 45 (2016): 1–6.

[5] Kocańda S., Kocańda A. „Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa metali”. Warszawa: PWN, 1989.

[6] Jakubowicz A., Orłoś Z. „Wytrzymałość materiałów”. Warszawa: WNT, 1984.

[7] Schijve J. “Fatigue of structures and materials”. Springer, Milton Keynes, 2009.

[8] Gao S., Zhang Q. “Influence of machined surface integrity on fatigue performance”. Applied Mechanics and Materials. 373–375 (2013): 1999–2003.

[9] Novocic D., Dewes R.C., Aspinwall D.K., Voice W., Bowen P. “The effect of machined topography and integrity on fatigue life”. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 44, 2–3 (2004): 125–134.

[10] Xiao W.L., Chen H.B., Yin Y. “Effects of surface roughness on the fatigue life of alloy steel”. Applied Mechanics and Materials. 373–375 (2013): 417–420.

[11] Deng G., Nagamoto K., Nakano Y., Nakanishi T. “Evaluation of the effect of surface roughness on crack initiation life”. Proceedings of 12th International Conference on Fracture, (ICF12), Ottawa, Canada, 2 (2009): 1505–1512.

[12] Arola D., Williams C.L. “Estimating the fatigue stress concentration factor of machined surfaces”. International Journal of Fatigue. 24 (2002): 923–930.

[13] Arola D., Williams C.L. “Surface texture, fatigue, and reduction in stiffness of fiber reinforced plastics”. Transactions of the ASME. Journal of Engineering Materials and Technology. 124 (2002): 160–166.

[14] Ås S.K., Skallerud B., Tveiten B.W., Holme B. “Fatigue life prediction of machined components using finite element analysis of surface topography “. International Journal of Fatigue. 27 (2005): 1590–1596.

[15] Yang D., Liu Z., Xiao X., Xie F. “The effects of machining-induced surface topography on fatigue performance of titanium alloy Ti-6Al-4V”. Procedia CIRP. 71 (2018): 27–30.

[16] Ardi D.T., Li Y.G., Chan K.H., Blunt L., Bache M.R. “The effects of machined topography on fatigue life of a nickel based superalloy”. Procedia CIRP. 13 (2014): 19–24.

[17] Rao J.H., Zhang K., Rometsch P., Huang A., Wu X. “The influence of surface roughness on the fatigue performance of selective laser melted aluminium alloy A357”. Proceedings of the 16th International Aluminium Alloys Conference (ICAA16), 2018, Canada.

[18] Suraratchai M., Limido J., Mabru C., Chieragatti R. “Modelling the influence of machined surface roughness on the fatigue life of aluminium alloy”. International Journal of Fatigue. 30 (2008): 2119–2126.

[19] Adamczak S. „Pomiary geometryczne powierzchni”. Warszawa: WNT, 2008.

[20] Dumas M., Cabanettes F., Kaminski R., Valiorgue F., Picot E., Lefebvre F., Grosjean C., Rech J. “Influence of the finish cutting operations on the fatigue performance of Ti-6Al-4V parts produced by Selective Laser Melting”. Procedia CIRP. 71 (2018): 429–434.

[21] Burakowski T. „Areologia. Podstawy teoretyczne”. Radom: Wyd. Naukowe ITE, 2013.

[22] Przybylski W. „Technologia obróbki nagniataniem”. Warszawa: WNT, 1987.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2019.5-6.39

 

* Artykuł recenzowany