Что такое усталость металла


как обнаружить, бороться и предотвратить

Если бы вы знали, как был взволнован весь технический мир, когда в середине XIX века начали обнаруживаться случаи внезапного разрушения осей почтовых карет, шеек вагонных осей и других механизмов, сделанных из вполне надежного и добротного металла!

Так, в 1842 г. неподалеку от Версаля переполненный пассажирский состав с французами, возвращавшимися с дворцового праздника, сошел с рельсов и загорелся из-за того, что в локомотиве сломалась ось. Именно тогда французы отказались от практики запирать железнодорожные вагоны, а ученые начали всесторонне исследовать причину возникшей проблемы. Инженерам, металлургам, материаловедам лишь предстояло понять и сформулировать, что такое усталость металлов и сплавов и от чего она зависит.

Испытание на усталость металла

Постепенно было замечено, что разрушения происходят в случаях, когда металлическое изделие подвергается либо многочисленным повторным нагрузкам (в сочетании с разгрузками) либо нагрузкам в противоположных направлениях. Например, поочередные сжатия и растяжения, повторные изгибы в разные стороны и т.п. Для выяснения причин этих тревожных явлений было решено изучить вопрос пригодности железа как материала для постройки мостов. Наблюдавшиеся поломки можно было объяснить двумя причинами. Либо прочность металла имеет свойство падать вне зависимости от условий его эксплуатации (это стало бы настоящей катастрофой для активно развивающегося промышленного производства!), либо разрушение вызывается многократной сменой напряжений.

Чтобы решить, какая из догадок была верна, исследователи провели следующий опыт. Несколько чугунных стержней были нагружены до напряжений, еще не вызывающих разрушения, но уже очень близких к таковым (напомним, что чугун – достаточно хрупкий материал, который разрушается без остаточной деформации). В нагруженном состоянии стержни были оставлены на четыре года. По прошествии этого срока оказалось, что образцы не разрушены. Следовательно, первое предположение естествоиспытателей являлось ошибочным. Затем были поставлены опыты с изломом чугунных балок под действием падающего на них груза. При каждом ударе измерялся полученный балкой прогиб. Выяснилось, что при прогибе, равном половине того прогиба, который дает излом балки от однократного удара, образец ломался после 4 тыс. ударов. А вот при прогибе, равном одной трети прогиба излома, балка выдерживала значительно больше, чем 4 тыс. ударов.

Таким образом, была доказана опасность повторных напряжений, которые достигают по величине половины от однократно ломающих металл. Чтобы исключить решающую роль вибраций, которые неизбежно сопровождают каждый удар, провели и опыты со спокойно действующей повторной нагрузкой – они привели к тем же результатам. Целый ряд систематических исследований, проведенных впоследствии, доказал внешнюю, механическую картину разрушений от повторных нагрузок. Эти разрушения пришлось приписать новому свойству металлов. Как и живому организму, им оказалось присуща способность испытывать усталость.

Впервые термин «усталость металла» употребил в 1854 г. физик, английский ученый Фридрик Брейтуэйт в своем труде «Об усталости и последующем разрушении металлов».

Усталость металла в действии

Сейчас изучением усталостных напряжений в конструкциях и деталях машин занимается специальное направление механики - сопромат (или сопротивление материалов). Согласно современным формулировкам, усталость металла – это ослабление материала, вызванное циклической нагрузкой. Она приводит как к локализованным, так и к прогрессирующим повреждениям структуры металла и росту трещин. Как только усталостная трещина появляется, каждый следующий цикл напряжения способствует ее увеличению. При этом на некоторых участках, которые разрушаются, появляются характерные выпуклости. Сама же трещина продолжает расти, пока не достигнет критического для материала размера. После чего стремительно распространяется, вызывая полное разрушение структуры изделия. При этом, обратное усталости свойство называется «выносливость металла», т.е. способность материала переносить повторные нагрузки и не разрушаться.

Чтобы до конца понять, что такое усталость металла, и оценить всю серьезность этого свойства материала, нужно указать на одну характерную сторону прогресса в машиностроении. С каждым годом скорости машинрастут. Вместе с ними растет и число переменных напряжений, которые «суждено» испытать механизмам за весь срок ее эксплуатации. В свою очередь, вместе с ростом переменных напряжений чрезвычайно быстро возрастает и риск разрушения конструкции от усталости и негативных последствий возможной поломки.

Стоит вспомнить аварию на Саяно-Шушенской ГЭС, которую по социальным и экономическим последствиям сравнивали с аварией на Чернобыльской АЭС. Эта техногенная катастрофа на р. Енисей произошла в 2009 г. и до сих пор считается крупнейшей поломкой в истории гидроэнергетики, повлекшей за собой человеческие жертвы, инфраструктурный ущерб и серьезное загрязнение акватории реки. В результате аварии погибло 75 человек, здание станции и технологическое оборудование было затоплено и практически разрушено, а производство электроэнергии остановлено. Перебои со связью и отсутствие информации о состоянии плотины вызвали панику у местных жителей, которые начали спонтанную эвакуацию в населенные пункты выше по течению Енисея. Нормальная жизнь и энергетическая безопасность региона были серьезно нарушены. Для восстановления Саяно-Шушенской ГЭС потребовалось целых пять лет. В выводах Ростехнадзора о причинах аварии фигурируют именно усталостные повреждения узлов креплений, удерживающих крышку турбины гидроэлектростанции.

Как определить усталость металла?

Несмотря на то, что усталость – это свойство, присущее самой природе металла, подобные катастрофы, вызванные усталостным напряжением, сейчас случаются редко. Дело в том, что законы усталости уже хорошо изучены. Это позволяет вести с ней организованную борьбу в конструктивном, технологическом и металлургическом направлениях. Но для начала поговорим о том, как можно определить, что металл начинает уставать. Для этого существует несколько методов:

  • Визуальный контроль. Выявление трещин или других деформаций
  • Прослушивание. Поврежденный металл издает специфический стук
  • Ультразвуковой контроль и радиологическое исследование (рентген). В этом смысле диагностика металлической конструкции и человеческого тела очень схожи
  • Флуоресцентные пигменты. Они делают трещины видимыми.
  • Магнитные порошки. Применяются для деталей, изготовленных из железа.

Отдельно оговоримся, что если металл находится в среде, оказывающей вредное разъедающее действие или, иначе говоря, в коррозионной среде, он ведет себя особым образом. Коррозия значительно способствует распространению усталостной трещины, которая при этом может зарождаться при меньших напряжениях, а углубляться ускоренными темпами. Возникает так называемая коррозионная усталость металла. Защиту от нее дают всевозможные поверхностные покрытия - от окраски до гальванизации.

Как бороться с усталостью металла?

Конструктивные меры борьбы с усталостью заключаются в придании деталям таких форм, при которых отсутствуют острые или мало закругленные входящие углы, резкие переходы сечений, выточки малого радиуса и т.п. В противном случае возникает опасность резкой концентрации напряжений. Часто для устранения конструктивных ошибок достаточно просто увеличить размеры детали. Это снизит напряжение и будет препятствовать превышению предела усталости.

Технологические меры борьбы с усталостью зачастую сводятся к правильной технологической обработке деталей. К примеру, в деталях из высокопрочной стали в первую очередь обращается внимание на шлифовку поверхности. При этом неправильная сборка конструкций также способна создать опасные переменные напряжения.

Нельзя забывать и о металлургической линии борьбы с поломками от усталости. Центрами, из которых начинается усталостная трещина, могут являться посторонние включения, встречающиеся в металле из-за загрязнения при его отливке (например, шлаковые включения). Однако, отметим, что на современном этапе развития отрасли ведущие металлургические предприятия целенаправленно работают как над повышением чистоты металла, так и над усовершенствованием химического состава и процессов термообработки выпускаемых продуктов.

В результате инженеры и строители сейчас имеют дело с принципиально иными, более прочными сортами стали. Им все еще знакома усталость, но критические поломки металлических конструкций и деталей из-за усталостного напряжения практически сведены к минимуму.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ УСТАЛОСТЬ | Определение

в кембриджском словаре английского языка Группа экспертов, расследующая аварию, считает, что это первая авиакатастрофа со смертельным исходом в мире, непосредственно связанная с металлом усталостью . Из

Википедия

Этот пример взят из Википедии и может быть повторно использован по лицензии CC BY-SA.Первые ремонтные работы потребовались в 1923 году в результате погодных условий металла усталости . Из

Википедия

Этот пример взят из Википедии и может быть повторно использован по лицензии CC BY-SA.

Эти примеры взяты из Cambridge English Corpus и из источников в Интернете.Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Cambridge Dictionary, Cambridge University Press или его лицензиаров.

Еще примеры Меньше примеров

По мнению следователей, это было первое крушение самолета из-за металла усталости .Из

Википедия

Этот пример взят из Википедии и может быть повторно использован по лицензии CC BY-SA. Вместо этого он взял кого-то, кто был знатоком металла усталости ..

Испытания на усталость металлов 101

Добро пожаловать в Thomas Insights - каждый день мы публикуем последние новости и аналитические материалы, чтобы держать наших читателей в курсе того, что происходит в отрасли. Зарегистрируйтесь здесь, чтобы получать самые популярные новости дня прямо на ваш почтовый ящик.

Металлическое сырье часто изготавливается в виде частей или компонентов, которые выдерживают циклические нагрузки в течение всего срока их службы; Это постоянное повторяющееся воздействие напряжения часто может привести со временем к деформации, трещинам или другим повреждениям металла.

Для точной оценки допусков и срока службы детали при испытании на усталость имитируются циклические нагрузки, которые деталь будет испытывать в данном приложении. При использовании метода, называемого циклическим нагружением, при испытаниях на усталость металла к детали прикладываются повторяющиеся напряжения до тех пор, пока ее структурная целостность не будет нарушена.

Почему важны испытания на усталость металлов

Используя испытания металла на усталость, производители могут надежно оценить срок службы новых конструкций, прежде чем применять их в реальных приложениях, где усталостный отказ иногда может иметь неприятные, если не катастрофические, последствия.Установка непроверенных деталей в приложениях, где они будут выдерживать циклические нагрузки, создает серьезные риски как для рабочих, так и для оборудования. Знание того, как и когда деталь или материал будут проявлять признаки усталости - от начальных трещин до критического отказа - позволяет производителям производить наиболее безопасный и долговечный продукт.

Помимо решения проблем безопасности, усталостные испытания являются для инженеров эффективным способом проверить ограничения своих конструкций. Если определенные области детали подвержены преждевременному утомлению, это указывает на конструктивный недостаток или неправильный выбор материала, который необходимо исправить, прежде чем проект сможет перейти в массовое производство.

Варианты испытаний металла на усталость

Циклические напряжения бывают разных форм, например:

  • Масса
  • Сжатие
  • Напряжение
  • Вибрация
  • Гибка
  • Торсион
  • Осевой

Ряд испытаний металлов на усталость обычно используется для испытания готовых металлических деталей и сырья в различных отраслях промышленности.Эти тесты включают:

Температурные испытания

Испытания на высокотемпературную и криогенную усталость определяют функциональные пределы материалов, которые будут работать при экстремальных температурах. Воздействие экстремально высоких или низких температур часто вызывает расширение и сжатие материалов, поэтому анализ этого эффекта с помощью испытаний на криогенную и высокотемпературную усталость помогает определить, как суровые температурные условия повлияют на материал.

Механические испытания

Испытание на циклическое смещение, испытание на излом, испытания на многоцикловую и малоцикловую усталость, испытания на изгиб и другие механические испытания оценивают физические свойства испытательного образца, чтобы предсказать, насколько он будет выдерживать соответствующие физические нагрузки. Физические стресс-тесты обычно выполняются с применением максимального уровня соответствующего типа напряжения, прогнозируемого приложением, в течение заданного количества циклов или до тех пор, пока материал не разрушится.В зависимости от конкретного применения материалы также могут испытываться при различных нагрузках.

Металлургические испытания

Если сырью присущи недостатки, они впоследствии будут присутствовать в готовой детали. В сочетании с циклическими нагрузочными испытаниями металлургический анализ может выявить потенциально опасные качества металлического материала на уровне микроструктуры, которые могут сделать его более восприимчивым к преждевременной усталости.Эти типы испытаний часто проводятся на деталях, предназначенных для использования в отраслях с высокими ставками, таких как аэрокосмическая, медицинская или нефтегазовая.

Важность испытаний металлов на усталость

Испытания металла на усталость - это важный этап в процессе проектирования и производства, который помогает инженерам определять жизнеспособность конструкций и качество материалов, которые они планируют использовать. С помощью этих испытаний производители узнают ограничения для материалов, с которыми они работают, и деталей, которые они производят, и могут вносить важные корректировки для повышения прочности и срока службы.

Испытания на усталость - это очень сложный процесс, который должны проводить опытные профессионалы, чтобы гарантировать точность и продуктивность результатов. Хорошо оборудованная лаборатория с новейшим оборудованием и высокообразованный персонал с многолетним опытом необходимы для обеспечения прочности и безопасности конечных продуктов.

Ресурсы:

Изображение предоставлено: Kimtaro / Shutterstock.com

Многоканальные и многоканальные цепочки поставок 101Следующая статья »

Больше от Engineering & Design

.

Обзор методов прогнозирования усталостной долговечности металлов

Металлические материалы широко используются в инженерных конструкциях, и усталостное разрушение является одним из наиболее распространенных видов отказа металлических конструкций. Явления усталости возникают, когда материал подвергается колебаниям напряжений и деформаций, которые приводят к отказу из-за накопления повреждений. Различные методы, включая методы линейного повреждения (LDR-) на основе правила Палмгрена-Майнера, многоосные и переменные амплитудные нагрузки, стохастические, энергетические и сплошные методы механики повреждений, прогнозируют усталостную долговечность.В данной статье рассматриваются методы прогнозирования усталостной долговечности металлических материалов. Идеальная модель прогнозирования усталостной долговечности должна включать в себя основные особенности уже установленных методов, а ее реализация в системах моделирования может помочь инженерам и ученым в различных приложениях. В заключение, основанные на LDR, многоосные и переменные амплитудные нагрузки, стохастические, сплошные механики повреждений и основанные на энергии методы просты, реалистичны, зависят от микроструктуры, своевременны и связаны с повреждениями, соответственно, для идеальной модели прогнозирования.

1. Введение

Предотвращение или, скорее, отсрочка выхода из строя любого компонента, подверженного циклическим нагрузкам, является важной проблемой, которую необходимо решить во время предварительного проектирования. Чтобы получить полное представление о ситуации, необходимо дополнительно обратить внимание на параметры обработки, учитывая сильное влияние, которое они оказывают на микроструктуру литых материалов и, следовательно, на их свойства.

Усталостное повреждение является одной из основных проблем в проектировании, потому что оно возрастает с увеличением количества примененных циклов нагружения кумулятивным образом и может привести к разрушению и отказу рассматриваемой детали.Таким образом, прогнозирование усталостной долговечности имеет исключительную важность, которую необходимо учитывать на этапе проектирования механического компонента [1].

Методы прогнозирования усталостной долговечности можно разделить на две основные группы в соответствии с используемым подходом. Первая группа состоит из моделей, основанных на прогнозировании зарождения трещин с использованием комбинации правила развития повреждений и критериев, основанных на напряжении / деформации компонентов. Ключевым моментом этого подхода является отсутствие зависимости от нагрузки и геометрии образца, поскольку усталостная долговечность определяется только критерием напряжение / деформация [2].

Подход второй группы вместо этого основан на механике сплошных повреждений (CDM), в которой усталостная долговечность прогнозируется путем вычисления параметра повреждения цикл за циклом [3].

Как правило, прогноз срока службы элементов, подверженных усталости, основан на подходе «безопасной жизни» [4] в сочетании с правилами линейного кумулятивного повреждения (Палмгрен [5] и Майнер [2]). Действительно, так называемое правило линейного повреждения (LDR) Палмгрена-Майнера широко применяется из-за его внутренней простоты, но оно также имеет ряд серьезных недостатков, которые необходимо учитывать [6].Более того, некоторые металлические материалы демонстрируют сильно нелинейную эволюцию усталостных повреждений, которая зависит от нагрузки и полностью игнорируется правилом линейного повреждения [7]. Основное предположение правила Майнера состоит в том, чтобы рассматривать предел выносливости как материальную константу, в то время как ряд исследований показал его зависимость амплитуды нагрузки от последовательности [8–10].

Различные другие теории и модели были разработаны для прогнозирования усталостной долговечности нагруженных конструкций [11–24]. Среди всех доступных методов были предложены периодические измерения на месте для расчета вероятности возникновения макротрещины [25].

Ограничения механики разрушения мотивировали развитие локальных подходов, основанных на механике разрушения сплошной среды (CDM) для моделей микромеханики [26]. Преимущества CDM заключаются в том, что наличие микроструктурных дефектов (пустот, неоднородностей и неоднородностей) оказывает на ключевые величины, которые можно наблюдать и измерять на макроскопическом уровне (например, коэффициент Пуассона и жесткость). С точки зрения прогнозирования срока службы CDM особенно полезен для моделирования накопления повреждений в материале до образования обнаруживаемого дефекта (например,г., трещина) [27]. Подход CDM получил дальнейшее развитие Леметром [28, 29]. Позднее термодинамика необратимых процессов обеспечила необходимую научную основу для обоснования CDM как теории [30], а в рамках термодинамической теории внутренних переменных Чандракант и Пандей [31] разработали модель изотропного пластического пластического повреждения. Де Хесус и др. [32] сформулировали модель усталости, включающую подход CDM, основанный на явном определении усталостного повреждения, в то время как Xiao et al.[33] предсказал многоцикловую усталостную долговечность, используя модель CDM, основанную на термодинамике.

Бхаттачарья и Эллингвуд [26] предсказали время зарождения трещины для усталостного нагружения с управляемой деформацией, используя основанную на термодинамике модель CDM, в которой уравнения роста повреждений были выражены в терминах свободной энергии Гельмгольца.

На основе характеристик усталостного повреждения были предложены и разработаны некоторые нелинейные теории кумулятивного повреждения, подходы к сплошной механике повреждений и энергетические методы повреждения [11–14, 21–23, 34, 35].

Учитывая строгую связь между энергией гистерезиса и усталостным поведением материалов, впервые выраженную Инглисом [36], были разработаны энергетические методы для прогнозирования усталостной долговечности с использованием энергии деформации (пластическая энергия, упругая энергия или их сумма) как ключевой параметр повреждения, учитывающий последовательность нагружения и совокупное повреждение [18, 37–45].

Недавно, используя статистические методы, Макконен [19] предложил новый способ построения расчетных кривых, чтобы изучить зарождение трещин и получить оценку усталостной долговечности для любого материала.

Очень интересный подход к прогнозированию усталостной долговечности, основанный на методах механики разрушения, был предложен Ghidini и Dalle Donne [46]. В этой работе они продемонстрировали, что с помощью широко распространенных программных средств, основанных на механике разрушения в аэрокосмической отрасли, можно получить хороший прогноз усталостной долговечности исходных, предварительно подвергнутых коррозии образцов, сваренных трением с перемешиванием, даже в условиях переменных амплитудных нагрузок и остаточных напряжений [ 46].

В данной обзорной статье обсуждаются различные методы прогнозирования, разработанные к настоящему времени.Особое внимание будет уделено прогнозированию стадий зарождения и роста трещин, что играет ключевую роль в прогнозировании общей усталостной долговечности. Объясняются теории накопления повреждений и механика сплошных повреждений, а также подробно обсуждаются методы прогнозирования, основанные на этих двух подходах.

2. Методы прогноза

Согласно Макконену [19], общий усталостный ресурс компонента можно разделить на три фазы: (i) зарождение трещины, (ii) стабильный рост трещины и (iii) нестабильный рост трещины.На зарождение трещин приходится примерно 40–90% общей усталостной долговечности, это фаза с наибольшей продолжительностью времени [19]. Возникновение трещины может останавливаться на барьерах (например, на границах зерен) на длительное время; иногда трещины полностью останавливаются на этом уровне и никогда не достигают критического размера, ведущего к устойчивому росту.

Степенной закон, сформулированный Пэрис и Эрдоганом [47], обычно используется для моделирования устойчивого роста усталостной трещины: усталостная долговечность получается из следующего интегрирования: где - диапазон коэффициента интенсивности напряжения, а и - константы, связанные с материалом. .Пределы интегрирования и соответствуют начальной и конечной длинам усталостной трещины.

Согласно механике упруго-пластического разрушения (EPFM) [48–50], теория распространения трещин может быть выражена как где - интервал интеграла, соответствующий (1), а и - константы.

Обобщение закона Парижа было недавно предложено Pugno et al. [51], где мгновенная скорость распространения трещины получается с помощью процедуры интерполяции, которая работает на интегрированной форме закона распространения трещины (в терминах - кривой), в наложенном условии согласования с законом Велера [52] для непротрещенных материал [51, 53].

2.1. Прогнозирование возникновения усталостных трещин

Усталостные трещины давно стали предметом исследований [54]. Hachim et al. В [55] рассматривается вопрос планирования технического обслуживания конструкции из стали S355, прогнозируется количество циклов грунтования усталостной трещины. Вероятностный анализ разрушения показал, что на стадию грунтования, а точнее на стадию зарождения трещины, приходится более 90% срока службы детали. Более того, результаты показали, что фазой распространения можно пренебречь, если выполняется большое количество циклов тестирования [55].

Танака и Мура [56] были пионерами в изучении возникновения усталостных трещин в пластичных материалах с использованием концепции пластического течения со скольжением. Трещина начинает формироваться, когда поверхностная энергия и запасенная энергия (определяемая скоплениями дислокаций) становятся равными, превращая слои дислокационных диполей в свободную поверхность [56, 57].

В дополнительной статье [58] те же авторы смоделировали зарождение усталостной трещины, сначала классифицируя трещины как (i) возникновение трещин из-за включений (тип A), (ii) растрескивание включений при столкновении с полосами скольжения (тип B), и (iii) трещина полосы скольжения, исходящая от включений без трещин (тип C).Возникновение трещины типа А от полностью разорванного включения рассматривалось как зарождение трещины из пустоты (надреза). Возникновение трещин типа B на границе раздела матрица-частица происходит из-за столкновения полос скольжения с частицами, но только с теми, которые имеют меньший размер по сравнению с шириной полосы скольжения. Этот эффект тормозит движения дислокаций. Усталостная трещина возникает, когда дислокационные диполи достигают уровня энергии самодеформирования, соответствующего критическому значению. При зарождении трещины вдоль полосы скольжения накопление дислокационных диполей можно описать следующим образом: где - удельная энергия разрушения на единицу площади вдоль полосы скольжения, - напряжение трения дислокации, - модуль сдвига, - диапазон напряжений сдвига, - размер зерна [58].Тип C был аппроксимирован задачей скопления дислокаций при распределении напряжений в однородной бесконечной плоскости. Механизм типа А был обнаружен в высокопрочных сталях, а два других наблюдались в высокопрочных алюминиевых сплавах. Количественные соотношения, полученные Танакой и Мурой [58], коррелировали свойства матриц и включений, а также их размер, со снижением усталостной прочности при заданном сроке зарождения трещины и со снижением срока возникновения трещины при зарождении трещины. учитывая постоянный диапазон приложенного напряжения [58].

Данг-Ван [59] также считал, что локальное пластическое течение необходимо для зарождения трещины, и попытался предложить новый подход для количественной оценки возникновения усталостной трещины [59].

Мура и Накасоне [60] расширили работу Данг-Вана, чтобы рассчитать изменение свободной энергии Гиббса для зарождения усталостных трещин от скопившихся дислокационных диполей.

Предполагая, что только часть всех дислокаций в полосе скольжения вносит вклад в зарождение трещины, Чан [61] предложил дальнейшее развитие этой теории.

Учитывая критерий минимального накопления энергии деформации в полосах скольжения, Венкатараман и др. [62–64] обобщили модель дислокационного диполя и разработали связь между напряжением и временем возникновения, предсказывающую зависимость от размера зерна, что контрастировало с теорией Танаки и Мура [56, 58]: где - член поверхностной энергии, а - коэффициент необратимости скольжения (). Это подчеркнуло необходимость включения ключевых параметров, таких как размеры трещин и микроструктуры, для получения более точных моделей возникновения усталостной трещины на основе микроструктуры [61].

Другие модели роста усталостной трещины, основанные на микроструктуре, были разработаны и проверены Чаном и соавторами [61, 65–67].

Что касается усталости металла, после исследования поведения очень коротких трещин Миллер и его коллеги предложили модель немедленного зарождения трещин [68–71]. Первые две фазы трещины следуют механике упругопластического разрушения (EPFM) и были переименованы в (i) рост микроструктурных коротких трещин (MSC) и (ii) рост физически малых трещин (PSC).На рисунке 1 показана модифицированная диаграмма Китагава-Такахаши, на которой выделены фазовые границы между МСК и ПСК [69, 71].


Размер трещины был определен рядом авторов как решающий фактор, потому что короткие усталостные трещины (имеющие небольшую длину по сравнению с масштабом локальной пластичности, или с ключевым микроструктурным размером, или просто меньше 1- 2 мм) в металлах растут быстрее и при меньшем номинальном напряжении по сравнению с большими трещинами [72, 73].

2.1.1. Генерация второй акустической гармоники

Kulkarni et al. В [25] предложен вероятностный метод прогнозирования возникновения макротрещины из-за усталостного повреждения. Используя акустическую нелинейность, было количественно определено повреждение до зарождения макротрещины, а затем собранные данные были использованы для выполнения вероятностного анализа. Вероятностный анализ усталостного повреждения является результатом сочетания подходящего уравнения эволюции повреждений и процедуры расчета вероятности возникновения макротрещины, в данном конкретном случае - метода Монте-Карло.Действительно, при передаче одночастотной волны через образец искажение, обусловленное нелинейностью материала, генерирует гармоники второго более высокого уровня, амплитуда которых возрастает с нелинейностью материала. В результате как накопленные повреждения, так и нелинейность материала можно охарактеризовать соотношением, где - амплитуда второй гармоники, - амплитуда основной гармоники. Ожидается, что это соотношение будет увеличиваться по мере накопления повреждений. Важно отметить, что эта характеристика акустической нелинейности [74] отличается от подхода, предложенного Моррисом и др.[75].

В работе Ogi et al. [74] два разных сигнала были переданы отдельно в образец, один на резонансной частоте, а другой на половине этой частоты. Передача сигнала на частоте генерирует измеренную амплитуду, и хотя сигнал передается на частоте, амплитуда была получена. Измерение обоих сигналов обеспечивает более высокую точность этого метода [74]. На рис. 2 показано, что соотношение увеличивается почти монотонно, и в точке зарождения макротрещины можно наблюдать отчетливый пик.Этот результат предполагает, что состояние повреждения образца во время испытаний на усталость можно отследить путем измерения отношения.


Согласно модели Ogi et al. [74], Kulkarni et al. [25] показали, что скалярная функция повреждения может быть записана как, обозначающая состояние повреждения в образце в конкретном цикле усталости. Значение соответствует состоянию отсутствия повреждений, а обозначает появление первой макротрещины. Эволюция повреждений в зависимости от количества циклов определяется следующим уравнением: Когда он превышает предел выносливости (), в противном случае - коэффициент

.

Определение усталости материала

Структурная механика Усталость материала

Что такое усталость материала?

Усталость материала - это явление, при котором конструкции разрушаются под действием циклической нагрузки. Этот тип структурного повреждения возникает даже тогда, когда диапазон испытанных напряжений намного ниже статической прочности материала. Усталость - наиболее частая причина отказов механических конструкций.

Процесс до тех пор, пока компонент не выйдет из строя при повторной загрузке, можно разделить на три этапа:

  1. В течение большого количества циклов повреждения развиваются на микроскопическом уровне и нарастают до образования макроскопической трещины.
  2. Макроскопическая трещина растет с каждым циклом, пока не достигнет критической длины.
  3. Треснувший компонент ломается, потому что он больше не может выдерживать пиковую нагрузку.

Для некоторых приложений вторая стадия не наблюдается.Вместо этого микроскопическая трещина быстро растет, вызывая внезапный выход из строя компонента.

Детали двух последних стадий обычно рассматриваются в рамках темы Механика разрушения . Термин усталость применяется в основном к первой стадии. Однако есть некоторое совпадение между дисциплинами, и измеренное количество циклов до утомления часто включает также последние два этапа. Поскольку большая часть срока службы компонента тратится на то, чтобы можно было наблюдать макроскопическую трещину, большинство конструкций стремятся избежать такого повреждения.

Переменные усталости

Под влиянием непостоянной внешней нагрузки состояние материала также меняется со временем. Состояние в точке материала можно описать множеством различных переменных, таких как напряжение, деформация или рассеяние энергии. Обычно считается, что процесс утомления контролируется конкретной такой переменной. Цикл нагрузки определяется как продолжительность от одного пика исследуемой переменной до следующего пика. В общем случае не все циклы имеют одинаковую амплитуду.Однако для поверхностного обсуждения можно предположить, что переменная состояния, контролирующая усталость, имеет одинаковое значение в начале и в конце каждого цикла нагрузки. В эластичных материалах циклическая нагрузка вызывает периодически-циклическую реакцию на напряжение. Для таких случаев легко определить цикл нагрузки. Это показано на рисунке ниже, где напряжение является переменной состояния, контролирующей усталость.

Рисунок, на котором показаны общие переменные, которые используются для прогнозирования усталости материала. Общие переменные, используемые для прогнозирования утомляемости.

Напряжение варьируется между максимальным напряжением , \ sigma _ {\ textrm {max}} и минимальным напряжением , \ sigma _ {\ textrm {min}} во время цикла нагрузки. В области утомления изменение напряжения часто определяется с помощью амплитуды напряжения , \ sigma _ {\ textrm {a}} и среднего напряжения \ sigma _ {\ textrm {m}}. Кроме того, переменные, определяющие диапазон напряжений , , \ Delta \ sigma и значение R , часто используются для описания цикла напряжения.Связь между различными переменными усталостного напряжения составляет

\ begin {align *} \ sigma _ {\ textrm {m}} & = \ frac {\ sigma _ {\ textrm {max}} + \ sigma _ {\ textrm {min}}} {2} \\ \ sigma _ {\ textrm {a}} & = \ frac {\ sigma _ {\ textrm {max}} - \ sigma _ {\ textrm {min}}} {2} \\ \ Delta \ sigma & = \ sigma _ {\ textrm {max}} - \ sigma _ {\ textrm {min}} \\ R & = \ frac {\ sigma _ {\ textrm {min}}} {\ sigma _ {\ textrm {max}}} \ end {выровнять *}

Самым важным параметром усталостного повреждения является амплитуда напряжения. Однако для любого подробного анализа необходимо также учитывать среднее напряжение.Среднее напряжение растяжения увеличивает чувствительность к усталости, тогда как среднее напряжение сжатия допускает более высокие амплитуды напряжения.

Реакция материала на последовательность циклов нагружения сильно зависит от характера внешней нагрузки, которая может быть периодической, случайной и даже состоять из повторяющихся блоков. Для последних двух случаев описание цикла нагрузки не так просто, как в чисто периодическом случае; это требует специальных процедур.

Материальная характеристика рамы с вырезом, подверженная трем обобщенным нагрузкам. Рама с вырезом подвергается случайной нагрузке. Показаны временные характеристики трех обобщенных нагрузок - двух изгибающих моментов и одного крутящего момента. Контуры напряжения представляют реакцию материала на соответствующую удельную нагрузку.

Мало- и многоцикловая усталость

Анализ усталости не всегда основан на реакции на стресс. Тем не менее, эта отрасль исторически привлекала большое внимание, поскольку большинство исследований проводилось в режимах, в которых полезны модели, основанные на стрессе.Основываясь на количестве циклов нагружения, необходимых для образования трещины, принято различать малоцикловую усталость (LCF) и многоцикловую усталость (HCF). Предел между ними не является четким, но обычно составляет порядка 10 000 циклов. Физическое обоснование состоит в том, что в случае HCF напряжения достаточно малы, чтобы соотношение напряжения и деформации можно было считать упругим. При работе с HCF диапазон напряжений обычно используется для описания локального состояния.Между тем, для LCF обычно выбирают диапазон деформации или рассеиваемую энергию.

Усталостные модели

Исследования в области утомления впервые начались в 19, и годах, и их продолжение привело к появлению ряда методов прогнозирования утомляемости. Одна из классических моделей - это так называемая кривая S-N . Эта кривая связывает количество циклов до разрушения (т.е. срок службы), N , с амплитудой напряжения при одноосном нагружении. Общая тенденция заключается в том, что увеличение срока службы достигается за счет уменьшения амплитуды напряжения.Обычно зависимость очень сильная, так что уменьшение амплитуды напряжения на 10% может увеличить срок службы на 50%. Некоторые материалы демонстрируют порог напряжения при испытаниях на усталость. При напряжениях ниже этого порога, известного как предел выносливости, усталостных повреждений не наблюдается, и компоненты могут работать в течение бесконечного срока службы. Однако не все материалы имеют предел выносливости. Поэтому они могут выйти из строя из-за переутомления даже при небольших нагрузках.

Кривая S-N, одна из классических моделей для прогнозирования усталости. Кривая S-N для материала с пределом выносливости (сплошная линия) и без предела выносливости (пунктирная линия).

При многоосном нагружении направления или места внешней нагрузки меняются и, таким образом, деформируют конструкцию в разных направлениях. Это означает, что в каждый момент времени необходимо оценивать полный тензор напряжений или деформаций, а не скалярное значение. Это часто лечится методами критической плоскости, когда многие плоскости в космосе исследуются в поисках критической, где ожидается появление усталости.

При случайном нагружении цикл напряжения нельзя описать с помощью одной амплитуды напряжения, так как каждый цикл отличается от следующего. Для прогнозирования утомляемости полную историю напряжений необходимо преобразовать в спектр напряжений, который может быть связан с утомляемостью на следующем этапе анализа. Алгоритм подсчета дождевого потока можно использовать для определения набора амплитуд напряжений с соответствующими средними напряжениями. Правило линейного повреждения Палмгрена-Майнера - популярный способ прогнозирования утомляемости при таком наборе различных уровней стресса.

График моделирования, показывающий использование алгоритма подсчета дождевого потока для прогнозирования распределения цикла напряжений. Распределение цикла напряжений согласно алгоритму подсчета дождевого потока.

Случайная нагрузка является обычным явлением при вибрационной усталости, когда конструкции испытывают динамические нагрузки. Поскольку напряжение зависит от частоты возбуждения, оценка усталости может быть произведена в частотной области, например, с использованием методов спектральной плотности мощности.

В случае некоторых материалов на усталостную долговечность сильно влияет количество микромеханических дефектов. В этих материалах расположение дефектов сильно влияет на срок службы компонента. Например, дефект в непосредственной близости от концентрации напряжений значительно сокращает срок службы компонента по сравнению с компонентом с дефектом, который находится далеко от концентрации напряжений. Вероятностные методы могут использоваться для обработки этих типов приложений.

Когда дело доходит до выбора модели для прогнозирования усталости, общего выбора нет.Возможность применения каждой модели зависит как от материала, так и от типа загрузки. Однако можно сузить число применимых моделей, просто задав несколько качественных вопросов (как показано в сообщении блога «Какую модель усталости мне выбрать?»).

Данные по усталостному материалу

Для оценки усталости требуются как модель усталости, так и данные о материале. Для каждой модели требуется свой набор параметров материала, которые можно получить в результате испытаний материалов. Испытания на усталость могут быть довольно трудоемким процессом, поскольку одно испытание может выполняться в течение многих циклов, прежде чем будет обнаружено утомление.Например, при многоцикловой усталости образец может выдержать один миллион циклов, прежде чем он выйдет из строя.

Кроме того, влияние микроструктуры на чувствительность к усталости вносит разброс в результаты испытаний. Это вызвано тем, что материалы неоднородны на микромеханическом уровне. Возьмем, например, сплав, в котором есть кристаллизованные зерна, а границы зерен вызывают концентрацию напряжений. В отливке из металла могут даже образоваться поры в процессе затвердевания.Следовательно, в локальном масштабе деформации могут быть намного больше, чем макроскопические средние значения, и в кристаллах могут возникать дислокации. Поскольку места таких микромеханических неровностей распределены более или менее случайным образом, существует большой разброс в количестве циклов нагрузки, которым может подвергаться определенный тип компонента, даже если внешняя нагрузка четко определена. Из-за этого необходимо испытать большое количество образцов, прежде чем будут получены надежные данные об усталости.

График данных по усталостному материалу с использованием кривой S-N. Кривая S-N для разных компонентов одного материала. Черные квадраты представляют результаты отдельных тестов и указывают на разброс данных.

При оценке результатов испытаний важно также учитывать статистические эффекты. Вот два примера таких эффектов:

  1. Если два набора стержней разного диаметра испытывают на растяжение с одинаковым номинальным напряжением, срок службы большего из них будет меньше.Причина в том, что в большем объеме материала больше риск обнаружить микроскопический дефект определенного размера.
  2. Если один и тот же тип стержня испытывается при воздействии как растягивающей, так и изгибающей нагрузок, но дает одно и то же пиковое напряжение, то, по всей видимости, испытанный на изгиб имеет более длительный срок службы. Во время изгиба наибольшей нагрузке подвергается только небольшой объем материала.

Кроме того, на усталостную прочность дополнительно влияют такие эффекты, как обработка поверхности и условия эксплуатации.

Комбинация всех этих эффектов, а также последствия потенциального отказа должны быть приняты во внимание при преобразовании измеренных данных в допустимые значения для определенной конструкции.

Дата публикации: 15 марта 2016 г.
Последнее изменение: 21 февраля 2017 г.
.

Смотрите также