Gigacyklová únava materiálů

Katastrofální následky havárií vlaků, letadel nebo elektráren byly vždy výzvou k prozkoumání jejich příčin. Náhlé porušení důležitých částí konstrukcí může být posledním projevem dlouhé historie zatěžování s nepozorovaným růstem trhliny, jejíž příčinou je únava materiálů.

K únavovému porušení dochází při docela malém, ale mnohokráte opakovaném zatížení. Jedním z prvních výzkumníků, kteří se únavě materiálů věnovali, byl německý železniční konstruktér August Wöhler (1819–1914), který v 19. století zkoumal porušení náprav vagonů a lokomotiv.¹⁾ K tomu ho vyprovokoval fakt, že k porušení náprav docházelo při zatíženích, která byla nejen hluboko pod mezí pevnosti (to je nejvyšší zatížení, které materiál vydrží), ale i pod mezí pružnosti. Do dosažení meze pružnosti se materiály chovají tak, že nedochází k deformacím trvalým, pouze k dočasným. Materiál je pružný, proto se při zatížení deformuje, ale po odlehčení se vrátí do původního stavu. Vrátí-li se do původního stavu, nemělo by u něho docházet k žádným změnám, a tedy ani k porušení. To však platí pouze pro makropohled. Z hlediska mikrostruktury dochází v materiálu ke změnám na úrovni pohybu dislokací,²⁾ pozorovatelných jen pomocí moderních mikroskopů s velikým zvětšením. Tyto změny časem vedou k vzniku zvrásněného reliéfu na povrchu součástí nebo ke změnám v blízkosti vnitřních defektů v materiálu. Výsledkem je pak iniciace mikrotrhlin. Jedna z nich obvykle začne růst a šíří se do okamžiku, kdy je dost velká, aby oslabila zbylý nosný průřez součásti, a dojde k rychlému dolomení. Tyto okamžiky jsou ony „náhle“ porušené nápravy či hřídele dopravních prostředků, prasklé lopatky turbín nebo tryskových motorů, roztržené trupy letadel, pády mostů atd. Když August Wöhler zpozoroval, že k porušení vlakových náprav dochází i při nízkém zatížení, začal provádět zkoušky, při nichž nechal rotovat hřídel a současně ji ohýbal. Takové zatížení dosti věrně odpovídalo zatížení hřídele nápravy lokomotivy nebo vagonu. Nepřekvapilo ho, že při vyšším zatížení dojde k porušení během menšího počtu zátěžných cyklů (otáček hřídele) a se snižujícím se zatížením vydrží hřídel více cyklů. Nakreslil tedy křivku počtu cyklů do lomu v závislosti na velikosti amplitudy zatížení. Dnes této závislosti říkáme Wöhlerova křivka. Wöhler si tehdy všiml, že s nižším zatížením se životnost prodlužuje logaritmicky a zároveň existuje jakási velikost zatížení, při které k lomu nedojde vůbec. V roce 1870 tedy stanovil mez únavy jako zatížení, které materiál vydrží desetmilionkrát. Postuloval, že při takovém nebo menším zatížení už nikdy nedojde k porušení. Není tomu však dávno, kdy tato pohádka o mezi únavy (o zatížení, které materiál vydrží navždy) skončila.