Wytrzymałość na zmęczenie

Narzędzia podlegające w pracy zmiennym i częstym obciążeniom narażone są na zmęczenie. Odnosi się to głównie do narzędzi pneumatycznych, a także do matryc kuziennych, stempli do tłoczenia, do wycinania i przebijania otworów, stempli do bicia monet itp. Przypadki przedwczesnego zmęczeniowego łamania się narzędzi zdarzają się często, zazwyczaj jednak nie są

spowodowane zbyt małą wytrzymałością stali na zmęczenie, lecz wadami kształtu, powierzchni lub obróbki cieplnej narzędzia. Zanim, bowiem prawidłowo wykonane narzędzie ulegnie zniszczeniu wskutek zmęczenia, dużo wcześniej zużyje się pod wpływem innych, energiczniej działających czynników, zwłaszcza ścierania. Dlatego przy jego konstruowaniu można nie brać pod uwagę bezwzględnej wytrzymałości na zmęczenie materiału, z którego się je wyrabia, i wolno dopuszczać do tego, aby naprężenia, jakim narzędzie podlega w pracy, przewyższały tę wytrzymałość. Trzeba tylko tak zwymiarować narzędzie i tak je obrobić cieplnie, aby zapewnić mu. na tyle dużą czasową wytrzymałość na zmęczenie, żeby je zabezpieczyła przed złamaniem się, zanim dojdzie do zniszczenia wskutek ścierania.

Jednocześnie trzeba dbać o to, aby nadać mu wystarczającą wytrzymałość postaciową, tj. nie zmniejszać jego odporności na zmęczenie przez niewłaściwy kształt lub zbyt grube wykończenie powierzchni.

Wytrzymałość na zmęczenie wzrasta wraz z wytrzymałością na rozciąganie, a więc i z twardością stali. Wobec tego, że stalom narzędziowym, ze względu na znaczną zawartość w nich węgla, łatwo nadać dużą twardość; uzyskanie w narzędziu dużej wytrzymałości na zmęczenie nie przedstawia żadnej trudności. Wraz z twardością wzrasta jednak wrażliwość stali na działanie karbów, których obecność na powierzchni może spowodować zmniejszenie wytrzymałości na zmęczenie nawet o 80 i więcej, czyli zlikwidować przyrost wywołany dużą twardością nadaną przez obróbkę cieplną. Podobnie jak karby działają wszelkie nierówności powierzchni, bądź to przypadkowe, bądź pochodzące np. z obróbki mechanicznej. Przy tej samej wytrzymałości na rozciąganie (twardości) największą wytrzymałość na zmęczenie zapewnia przedmiotowi powierzchnia polerowana, a kolejno coraz mniejsza szlifowana, obtaczana i surowa (po walcowaniu lub kuciu). Tak samo szkodliwie, jak drobne nierówności powierzchni, działają karby w postaci zbyt ostrych i nagłych zmian przekroju narzędzia. Również odwęglenie powierzchniowe zmniejsza wyraźnie wytrzymałość na zmęczenie.

Ze wzrostem twardości maleje, jak wiemy, ciągliwość. Pewien zapas ciągliwości, zbędny przy zmiennych, lecz spokojnie działających obciążeniach, konieczny jest jednak tam, gdzie narzędzie podlega gwałtownym wstrząsom i uderzeniom. Dlatego narzędzia takie, jak dłuta pneumatyczne i  matryce kuzienne, muszą mieć dostatecznie dużą udarność, co możliwe jest tylko przy niezbyt dużej twardości, a zwłaszcza nie nadmiernej zawartości węgla.

Wynikające z tego praktyczne wnioski można ująć następująco. Gdzie tylko nie jest konieczna bardzo duża odporność na ścieranie, należy do wyrobu narzędzi narażonych na zmęczenie używać stali o mniejszych zawartościach węgla. Tylko tym częściom narzędzia, które bezpośrednio stykają się z obrabianym materiałem, należy nadawać bardzo dużą twardość konieczną w pracy. Resztę (kadłuby) najlepiej ulepszać, tzn. hartować I odpuszczać na stosunkowo niewielką twardość, aby nadać im wystarczająco dużą udarność i uczynić je jak najmniej wrażliwymi na działanie karbów. Należy dbać o to, aby powierzchnia była jak najgładsza, a przede wszystkim, aby nie wykazywała śladów po obtaczaniu, zwłaszcza na przejściach pomiędzy różnymi przekrojami. Przejścia te powinny być łagodne i zaokrąglone, bez jakichkolwiek podcięć. Przy obróbce cieplnej nie należy dopuszczać do nadmiernego odwęglenia powierzchni.

Narzędzia, które muszą wykazywać dużą odporność na ścieranie (np. ze względu na konieczność utrzymania wąskich tolerancji wymiarowych), można wykonywać ze stali wysokowęglowych, jeżeli pracują w stosunkowo spokojnych warunkach (np. stemple do tłoczenia). Ze względu na bardzo dużą wrażliwość na działanie karbów należy wtedy w jeszcze większym stopniu przestrzegać wymagań co do stanu powierzchni i kształtu narzędzia.