Únava materiálu

Únava materiálu (anglicky material fatigue) je postupné poškozování materiálu vlivem opakovaného, tedy cyklického zatížení. Díl, který by jednorázové zatížení stejné velikosti bez problémů vydržel, po dostatečném počtu cyklů praskne, a to i při napětí nižším než mez kluzu. Únava je jednou z nejčastějších příčin lomů strojních součástí v provozu.

Únavový lom probíhá ve třech fázích: vznik trhliny (obvykle na povrchu v místě koncentrace napětí, jako je vrub, otvor, ostrý přechod, závit nebo svar), její postupné šíření s každým cyklem a nakonec náhlý dolom zbylého průřezu. Lomová plocha má typicky hladší oblast šíření trhliny s odpočinkovými čarami a hrubou oblast dolomu.

Únavové vlastnosti popisuje Wöhlerova křivka (S-N křivka), tedy závislost amplitudy napětí na počtu cyklů do lomu. U většiny ocelí křivka v oblasti 1 až 10 milionů cyklů přechází do téměř vodorovné části a odpovídající amplituda se označuje jako mez únavy. U hladkých ocelových vzorků při ohybu za rotace bývá přibližně 0,4 až 0,5násobkem meze pevnosti, u skutečného dílu je kvůli vrubům, povrchu a velikosti výrazně nižší. Hliníkové slitiny výraznou mez únavy nemají, a únavová pevnost se u nich proto udává pro zvolený počet cyklů. Rozlišuje se nízkocyklová únava (obvykle do desítek tisíc cyklů, s plastickou deformací) a vysokocyklová únava.

Životnost dále snižuje tahové střední napětí, drsný povrch, koroze a zvýšená teplota, naopak ji zvyšuje tlakové zbytkové napětí v povrchu (například po kuličkování nebo válečkování). Při proměnlivém provozním zatížení se cykly počítají metodou stékajícího deště (rainflow) a poškození se sčítá podle Palmgrenova-Minerova pravidla.

S únavou je nutné počítat všude, kde se zatížení opakuje: rotující hřídele, pružiny, ojnice, svařované rámy vozidel a strojů, díly vystavené vibracím, tlakové nádoby s cyklickým plněním, západky a pružné plastové prvky. Počet cyklů přitom roste rychle: díl kmitající s frekvencí 50 Hz dosáhne milionu cyklů zhruba za 5,5 hodiny provozu.

Posouzení únavy proto patří do pevnostního výpočtu u většiny pohyblivých a vibrujících konstrukcí a u bezpečnostně důležitých dílů ho doplňují únavové zkoušky.

Typickou chybou je navrhnout díl jen na statickou pevnost. Únavové trhliny vznikají v detailech: ostré vnitřní rohy, náhlé změny průřezu, příčné otvory, začátky a konce svarů, závity a drsné nebo poškozené povrchy. Používejte velké přechodové rádiusy, svary umisťujte mimo nejvíce namáhaná místa a u kritických ploch předepište drsnost, případně zpevnění povrchu.

U hliníku, plastů a 3D tištěných dílů nepočítejte s trvalou mezí únavy. Plasty se navíc při vyšší frekvenci zatěžování zahřívají a u tištěných dílů se trhliny snadno šíří podél vrstev. Hodnoty únavové pevnosti berte pro konkrétní materiál, stav a technologii a u kritických dílů je ověřte zkouškou na více vzorcích, protože výsledky únavových zkoušek mají velký rozptyl.