Podczas pracy wszelkiego typu urządzeń można zaobserwować, że podczas działania zmiennych naprężeń występuje zjawisko osłabienia materiału (w szczególności metali). W takich warunkach pracy metal jest odporny tylko przez pewien okres czasu przy obserwacji jego powierzchni wydaje się nieuszkodzony. W miarę powtarzania obciążeń pojawiają się mikroskopowe pęknięcia, które następnie szybko się rozszerzają i gdy pęknięcie osiągnie dostateczną wielkość, następuje uszkodzenie elementu – złom zmęczeniowy, nawet w przypadku bardzo ciągliwych metali, przypomina złom kruchy, gdyż nie występują widoczne odkształcenia plastyczne ani w części ani w całości przekroju. Różnica w zachowaniu się materiału przy zmiennym obciążeniu tkwi w sposobie zapoczątkowania pęknięcia zmęczeniowego i następującego po nim rozwoju uszkodzenia. W takim ujęciu proces zmęczenia można nazwać propagacją pęknięcia. W przypadku statycznego obciążania materiału obserwuje się, że w obrębie poszczególnych ziaren występują odkształcenia trwałe przejawiające się na powierzchni jako pasma poślizgu. Każde pasmo poślizgu przedstawia zdecydowany uskok pojedynczy lub złożony z pakietu cienkich warstewek o grubości rzędu 5nm. Przy większych naprężeniach wzrasta wysokość uskoku. Wysoki uskok dochodząc do granicy ziarna przełamuje barierę, jaką ta granica stanowi obciążeniach powoduje zmianę jej kształtu. Przy obciążeniach cyklicznych mniejszych od granicy plastyczności materiału przebieg zjawisk jest inny. Występujące w materiale pasma poślizgu są znacznie szersze niż przy obciążeniu statycznym i ich struktura przypomina bruzdy. Podczas zmiany znaku obciążenia istniejący poprzednio uskok nie cofa się całkowicie i w miarę powtarzania się obciążeń bruzdy te zagłębiają się w materiał kosztem wypchniętej na zewnątrz części materiału. Następstwem tego jest rozdrobnienie ziarna i rozluźnienie jego struktury dające w wyniku submikroskopowe pęknięcia. W dalszym ciągu pęknięcia submikroskopowe wydłużają się i łączą w grupy aż do wystąpienia pęknięcia mikroskopowego przechodzącego przez całe ziarno. Pęknięcia zmęczeniowe tworzą się w zasadzie na powierzchni elementu, gdyż zewnętrzne ziarna są słabsze od wewnętrznych stykających się i wiążących na wszystkich swych granicach z ziarnami sąsiednimi. W ziarnach zewnętrznych natomiast mających jedną powierzchnię swobodną, istnieje zawsze zaburzenie atomów i osłabienie ich wiązań. Uwzględniając nieregularność kształtów, wymiarów i orientacji ziaren można stwierdzić, że mechanizm zniszczenia zależy od losowego rozkładu słabszych kryształów i ich wzajemnego na siebie wpływu. Dlatego technicznie pojęcie „wytrzymałości zmęczeniowej” ma sens jako prawdopodobieństwo pęknięcia po pewnej liczbie cykli obciążenia. W trakcie badań jednakowych elementów jednakowo obciążonych można otrzymać wartości ilości cykli różniące się o rząd a czasami o dwa rzędy wielkości. Stosując pojęcia statystyki, wyniki takich prób można przedstawić jako rozkłady częstości występowania. Rozkład taki najczęściej zbliża się do tzw. rozkładu normalnego (Gaussa). Znajomość parametrów charakteryzujących rozkład tj. wartości średniej i odchyłki standardowej umożliwia określenie prawdopodobieństwa, że element przetrzyma określoną liczbę cykli N. Z powyższego opisu wynika, że zjawisko zmęczenia jest uwarunkowane własnościami materiału w skali molekularnej i mikroskopowej. Z tego powodu stosowanie modelu ciała jednorodnego nie nadaje się do stworzenia teorii zmęczenia. Stosowane w tej teorii modele nie pozwalają prawidłowo interpretować zjawisk, jakie zachodzą w rzeczywistych materiałach przy zmiennych obciążeniach. Dlatego też tak ważne jest prowadzenie badań. Statyczna wytrzymałość materiałów, jak sama nazwa wskazuje, nie uwzględnia zmienności sił w czasie. W praktyce obciążenia elementów konstrukcyjnych zmieniają (np. okresowo) swoją wartość w czasie. Są to tzw. obciążenia zmienne, a naprężenia przez nie wywoływane nazywane są naprężeniami zmiennymi. W miarę rozwoju metod empirycznych (doświadczalnych) wytrzymałości materiałów zauważono, że elementy maszyn często ulegają zniszczeniu przy naprężeniach znacznie niższych od wytrzymałości doraźnej (Rm) określonej z prób statycznych (statyczna próba rozciągania, ściskania, zginania, ścinania) dla danego materiału konstrukcyjnego. Zniszczenia takie (najczęściej pęknięcia) zachodzą bez dostrzegalnych odkształceń plastycznych, zaś przyczyną uszkodzeń jest między innymi niedoskonała sprężystość materiału.

Obniżanie się wytrzymałości przy naprężeniach zmiennych nosi nazwę zmęczenia materiałów. W praktyce, w większości przypadków zmiany naprężeń w elementach maszynowych mają jeden z następujących przebiegów: Podobnie jak przy obliczeniach statycznych (granica Re lub Rm) do obliczeń uwzględniających zmęczenie materiału potrzebna jest pewna własność nazywana wytrzymałością zmęczeniową Z. Wytrzymałość zmęczeniowa lub granica zmęczenia jest to takie naprężenie maksymalne δmax dla danego cyklu naprężeń, przy którym element nie dozna zniszczenia po osiągnięciu umownej granicznej liczby cykli (dla stali N=10*106 cykli). Przeprowadzając badania dla próbek przy określonym cyklu obciążeń można otrzymać tzw. wykres Wöhlera (rysunek poniżej). Z wykresu można odczytać wartość wytrzymałości zmęczeniowej dla danego cyklu obciążeń.

Koła tarczowe produkowane w Firmie PRONAR podlegają (przy zachowaniu zgodności z normami polskimi jak i międzynarodowymi) badaniom wytrzymałości zmęczeniowej na obciążenia promieniowe i zginanie tarczy. W obu przypadkach badania prowadzone są metodą stanowiskową na urządzeniach badawczych znajdujących się w Laboratorium.

Wytrzymałość zmęczeniowa jest ustalana doświadczalnie dla znormalizowanych próbek wytrzymałościowych. Rzeczywisty element może mieć zupełnie inne właściwości i wytrzymałość zmęczeniowa części maszyny może być znacząco inna niż próbki z tego samego materiału. Wytrzymałość zmęczeniowa danego elementu będzie zależała od:

• kształtu przedmiotu (tzw. współczynnik kształtu)
  
• istnienia i działania karbu
• wpływu wrażliwości materiału na działanie karbu
• stanu powierzchni przedmiotu (chropowatość, rodzaj obróbki)
• wpływu spiętrzenia naprężeń
• wpływu wielkości przedmiotu

Koła tarczowe produkowane w Firmie PRONAR podlegają (przy zachowaniu zgodności z normami polskimi jak i międzynarodowymi) badaniom wytrzymałości zmęczeniowej na obciążenia promieniowe i zginanie tarczy. W obu przypadkach badania prowadzone są metodą stanowiskową na urządzeniach badawczych znajdujących się w Laboratorium.

Badanie wytrzymałości zmęczeniowej koła tarczowego na zginanie tarczy prowadzone jest na urządzeniu badawczym (typu AB-1), które umożliwia obciążenie tarczy koła stałym momentem gnącym, symulującym poruszanie się koła tarczowego zamocowanego w pojeździe w obszarze zakrętu drogi.

Symulacja odbywa się poprzez odebranie części stopni swobody obręczy i obciążenie tarczy poprzez zamocowane do jej otworów przyłącza ramienia obciążonego na drugim końcu siłą prostopadłą do osi ramienia (równoległą do powierzchni przylegania tarczy koła do piasty pojazdu). Podczas badania tarcza koła jest obciążana momentem gnącym wywołującym w materiale naprężenia w sposób cykliczny (sinusoidalny). Ponieważ dla obręczy odebrane są stopnie swobody i moment gnący jest stały (niezależny od położenia kątowego koła względem siły obciążającej) wywoływane naprężenia dla danego punktu tarczy są symetryczne w zakresie pełnego obrotu koła.

Badanie wytrzymałości zmęczeniowej koła tarczowego na obciążenia promieniowe prowadzone jest na urządzeniu badawczym (typu AB-2), które umożliwia obciążenie koła z zamontowanym na nim ogumieniem siłą prostopadłą do osi obrotu koła. Urządzenie to symuluje poruszanie się koła tarczowego z ogumieniem w trakcie jazdy na wprost. Symulacja odbywa się poprzez zamontowanie koła na piaście badawczej (identycznej jak w pojeździe) na ramieniu stanowiska badawczego, obciążenie go poprzez siłownik hydrauliczny odpowiednią siłą i nadanie mu obrotów poprzez napędzany bęben, po którym koło się toczy.

Na podstawie przeprowadzonych badań można sporządzić wykres zależności obciążenia od ilości cykli. Krzywa ta daje możliwość stwierdzenia, przy jakim obciążeniu dany typ obiektu badawczego posiada trwałą wytrzymałość zmęczeniową, tzn. jakie obciążenie nie spowoduje zniszczenia koła w użytkowaniu. Daje to możliwość dopuszczenia koła do produkcji i sprzedaży z zachowaniem pewności, co do jego wytrzymałości. Na urządzeniu typu AB–2 można również przeprowadzić badania trwałości ogumienia rolniczego. Zasada badania jest identyczna jak podczas badania kół tarczowych z tą różnicą, że określeniu podlega czas po jakim opona ulegnie uszkodzeniu przy założonych parametrach badań.

Rozwój Laboratorium W ostatnim kwartale laboratorium Pronaru poszerzyło zakres swojej działalności o badania materiałowe. Są to: badania składu chemicznego litych próbek stali, badania metalograficzne (mikroskopowe i makroskopowe). Badania składu chemicznego - procentowej zawartości pierwiastków takich, jak: węgiel, krzem, mangan, fosfor, siarka, chrom, molibden, nikiel, kobalt, glin, miedź, bar, tytan, wanad, wolfram, arsen, wapń, niob, ołów, cyna, cyrkon - są prowadzone przy pomocy optycznego spektrometru emisyjnego Solaris CCD marki GNR. Stosowane urządzenie pozwala na szybkie i dokładne sprawdzenie dostarczanych do firmy materiałów hutniczych oraz rozpoznanie materiału z jakiego wykonują detale poddostawcy naszej firmy. Umożliwia to zapewnienie wysokiej jakości naszych wyrobów, jak również eliminowanie niezgodności powstałych z powodu nieprawidłowych własności wyrobów hutniczych.

Badanie makroskopowe uszkodzonego elementu pierścienia Badań makro- i mikroskopowych z komp. systemem analizy obrazu

Stanowisko do badań mikro- i makroskopowych Stanowisko do badań metalograficznych jest wyposażone w mikroskop metalograficzny odwrócony, umożliwiający badanie dużych próbek w świetle odbitym z powiększeniami do 1250 razy, makroskop do badań struktur spoin w powiększeniach do 4,5 raza oraz komputerowy system rejestracji i analizy obrazu firmy Motic. Badania powyższe umożliwiają potwierdzenie poprawności wykonywania szeroko stosowanych w firmie połączeń spawanych, a także określenie jaką strukturę posiada wykorzystywany materiał.
		Przykładowe struktury materiałowe widziane w makro- i mikroskopii
Spektrometr emisyjny iskrowy SOLARIS CCD