Как определить 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.

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 испытаниях 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 нести циклические нагрузки, представляет 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

.

Анализ усталостной долговечности ПММА при различных частотах на основе новой модели механики повреждений

Были проведены испытания на малоцикловую усталость при различных частотах и ​​испытания на ползучесть при различных уровнях нагрузки Plexiglas Resist 45. Соответственно, были получены время разрушения при ползучести, - кривые, циклическая ползучесть и петля гистерезиса. Эти результаты показали, что усталостная долговечность увеличивается с частотой в области низких частот. После анализа было обнаружено, что усталостная долговечность зависит от скорости нагрузки и зависит от повреждений при ползучести.Кроме того, была создана новая модель механики сплошных повреждений (CDM) для анализа долговечности при ползучести и усталости, в которой было предложено правило нелинейного суммирования приращений повреждений и внесено изменение частоты в уравнение эволюции усталостных повреждений. Алгоритм дифференциальной эволюции (DE) был использован для определения параметров модели. Предложенная модель описывает усталостную долговечность при различных частотах, а результаты расчетов хорошо согласуются с результатами экспериментов.

1.Введение

Благодаря своей высокой ударопрочности, достаточной прочности и отличному коэффициенту пропускания материал ПММА имеет широкое применение. Поскольку многие конструкции должны выдерживать циклические нагрузки в течение своего срока службы, исследования усталости ПММА вызывают повышенный интерес [1–3].

ПММА - типичный вязкоупругий материал. Усталостные свойства вязкоупругих материалов чувствительны к температуре и циклической частоте, что является одним из самых больших отличий от обычных металлических материалов.Эта статья посвящена частотной чувствительности. Многие исследователи исследовали усталостные свойства ПММА и других полимеров на разных частотах. Cheng et al. [2] провели эксперименты по распространению усталостной трещины (FCP) из ПММА на частотах 1, 10, 50 и 100 Гц. Температура испытаний составляла от –30 до 100 ° C. Их результаты показали, что скорости FCP уменьшаются с увеличением циклической частоты до тех пор, пока температура не приблизится к области стеклования. Jia et al. [4] и Feng et al. [5] выполнили усталостные испытания ПММА, используемого в авиационной и обычной промышленности; все они заметили, что частота FCP снижается с увеличением циклической частоты.Луо и др. [6] провели несколько испытаний ПММА YB-3 на усталость при частотах 0,1, 1 и 10 Гц; Результаты показали, что усталостная долговечность увеличивалась с увеличением частоты, хотя это увеличение было не столь заметным в высокочастотном диапазоне. Wang et al. [7] также провели испытания на усталость из ПММА с частотой 1, 2 и 5 Гц, разница заключалась в том, что усталостная долговечность уменьшалась с частотой, за исключением высокого уровня нагрузки.

Усталости жизнь ПММЫ меняется с частотой, бесспорно, и что его скорость распространения усталостной трещины уменьшается с частотой является последовательным выводом большинства экспериментов.Однако не существует такой постоянной зависимости между усталостной долговечностью и частотой нагружения. Многие исследования анализировали механизм влияния частоты на утомляемость. Его можно суммировать до трех атрибутов: гистерезисный нагрев, ползучесть и чувствительность к скорости. При циклическом нагружении петля гистерезиса формируется противофазными напряжениями и деформациями из-за высокого внутреннего демпфирования полимеров. Петля гистерезиса указывает на рассеивание энергии или выделение тепла, называемое гистерезисным нагревом. Если частота высока, гистерезисное тепло не может рассеиваться достаточно быстро из-за низкой теплопроводности полимеров, и, следовательно, температура будет расти.Гистерезисный нагрев смягчит материал, при этом его жесткость и прочность уменьшатся. Это является причиной частого уменьшения усталостной долговечности в некоторых экспериментах. Явление ползучести является значительным и обычным явлением для полимеров. Во время процесса усталости с ненулевым средним напряжением деформация ползучести и повреждение при ползучести могут наблюдаться, по-видимому, даже без удержания нагрузки. Больше повреждений от ползучести накапливается за один цикл при более низкой частоте в течение более длительного времени за цикл. Это приведет к уменьшению усталостной долговечности при уменьшении частоты.Механические свойства вязкоупругого материала зависят от скорости деформации. Для полимеров влияние скорости деформации является важным свойством ползучести. В области исследований однонаправленного растяжения или сжатия и удара эффекту скорости деформации уделяется гораздо больше внимания. Явления скоростного упрочнения и скоростного упрочнения ПММА наблюдались во многих экспериментах [8, 9]. Логично предположить, что частота выше, скорость деформации обязательно выше, и тогда жесткость и предел прочности на разрыв будут выше, а также выше будет усталостная прочность.То есть при том же уровне нагрузки частота выше, а усталостная долговечность будет выше. К сожалению, влияние скорости утомления от ПММА упоминалось лишь изредка; Внимание, уделяемое эффекту скорости, было недостаточным. В целом изменение усталостной долговечности с частотой связано с частотным диапазоном, уровнем напряжения и другими параметрами и определяется доминирующим механизмом. Например, гистерезисное нагревание заметно на высокой частоте, повреждение от ползучести вносит больший вклад при более низкой частоте, а эффект скорости может играть роль в широком диапазоне частот.

Гистерезисный нагрев в полимерах был замечен и исследован с самого начала; выполнено много работ [10, 11]. Для повреждения из-за ползучести были предложены уравнения, аналогичные закону Парижа, включая усталость и ползучесть, для описания скорости FCP [12, 13]. Луо и др. [6] установили модель долговечности при ползучести, основанную на механике сплошных повреждений. Однако в модели прогнозирования усталостной долговечности, по-видимому, не учитывается эффект скорости.

Авторы данной статьи выполнили испытание на усталость при 0.03, 0,1 и 0,5 Гц с помощью Plexiglas Resist 45 и записали его механический отклик на разных частотах, чтобы накопить данные испытаний для лучшего понимания влияния частоты на усталостное поведение ПММА и соответствующих теоретических исследований. Установлено, что повышение температуры незначительно на частотах не более 0,5 Гц [1]. Частота нагрузки в этой статье была достаточно низкой, чтобы не учитывать гистерезисный нагрев. Таким образом, проблему можно упростить, исследуя чисто частотное влияние.Для оценки повреждений при ползучести в процессе усталости были проведены испытания на ползучесть. Кроме того, была предложена модифицированная модель усталостной ползучести CDM для описания усталостной долговечности при низкой частоте. Предлагаемая модель может быть использована и в условиях удержания нагрузки.

2. Экспериментальная
2.1. Материал и образец

Лист Plexiglas Resist 45, разработанный и произведенный компанией Röhm, представляет собой твердый пластиковый лист, изготовленный методом экструзии из ударно-модифицированного ПММА. Некоторые свойства материала Plexiglas Resist 45 представлены в таблице 1.

1,19 г / см 3

Плотность Коэффициент пропускания Предел прочности на разрыв Модуль упругости (кратковременное значение) Коэффициент Пуассона Номинальное удлинение при разрыве

91% 60 МПа 2700 МПа 0,41 10%

Образцы ползучести и усталости (см. Рисунок 1) равны 3 мм толщиной и спроектированы в соответствии со стандартом испытаний механики высоких полимеров [14].

2.2. Испытание на ползучесть

В этой статье испытания на ползучесть проводились при постоянной нагрузке. Чтобы снизить стоимость испытаний, испытания на ползучесть проводились на оборудовании собственной разработки, которое прикладывает постоянную нагрузку путем подвешивания груза. Для наблюдения и записи времени разрушения использовалась камера. Предварительно на образце была нанесена калибровочная длина с начальным значением около 55 мм. В некотором интервале калибровочная длина измерялась микрокалипером. Хотя погрешность этого метода измерения была большой, примерную форму кривой ползучести можно было получить из-за большой деформации ползучести образца.При испытаниях на ползучесть использовались пять уровней номинального напряжения: 30 МПа, 33 МПа, 36 МПа, 37 МПа и 40 МПа. На каждом уровне нагрузки были испытаны по три образца.

2.3. Испытание на усталость

Испытания на усталость проводились путем приложения синусоидальных растягивающих нагрузок с постоянной амплитудой в режиме управления нагрузкой на сервогидравлической испытательной машине MTS809. Температура окружающей среды поддерживалась на уровне около 27 ° C на протяжении всех испытаний. В качестве максимального напряжения были выбраны 30, 33, 39, 42 и 44 МПа соответственно. Было проведено три серии испытаний со значениями частоты циклической нагрузки 0.03, 0,1 и 0,5 Гц. Чтобы предотвратить коробление образцов под сжимающей нагрузкой, для всех испытаний применялись циклы растягивающей нагрузки с коэффициентом нагрузки 0,01. Во время испытаний на усталость с контролируемой нагрузкой для наблюдения за циклической ползучестью и петлей гистерезиса осевые деформации были измерены экстензометром MTS632.13F-20 с длиной основания 10 мм. Циклы полного напряжения-деформации регистрировались через фиксированные интервалы времени.

3. Результаты и обсуждения
3.1. Результат ползучести

Кривая ползучести Plexiglas Resist 45 состоит из трех типичных стадий, с высокой скоростью деформации на начальной стадии и до разрыва.Время разрушения было представлено на Рисунке 2, где график (время разрушения) был нанесен в зависимости от логарифма (напряжения). Время разрушения составляло от 4 часов до 200 часов и резко уменьшалось с увеличением напряжения. Как показано на рисунке 2, точки данных были почти на одной линии.


3.2. Результат испытания на усталость
3.2.1. Усталостная долговечность

Результаты испытаний на усталость представлены на Рисунке 3, где они представлены в зависимости от. Эти три кривые были далеки от совпадения, поскольку усталостная долговечность увеличивалась с увеличением частоты циклов.


3.2.2. Циклическая ползучесть

Петля гистерезиса всегда наблюдается постепенное перемещение вдоль оси деформации во время процесса усталости полимеров при ненулевом среднем напряжении, и это указывает на постепенное накопление деформации циклической ползучести. Для разных материалов время или частота выдерживания нагрузки по-разному влияют на скорость циклической ползучести. Для некоторых высокополимеров частота оказывает ускоряющее действие на скорость циклической ползучести [15]. В этой статье предпринята попытка наблюдать циклическую ползучесть Plexiglas Resist 45 на разных частотах.Поскольку коэффициент напряжений при испытании на усталость в этой статье был близок к нулю (), упругий компонент, включенный в минимальное (минимальное) смещение, был очень мал; минимальное смещение можно приблизительно рассматривать как циклическое смещение ползучести. Минимальные смещения на разных частотах представлены на Рисунке 4 (МПа) и Рисунке 5 (МПа). Результаты при других уровнях стресса были аналогичными. Из рисунков 4 (а) и 5 ​​(а) видно, что частота немного увеличивала скорость циклической ползучести первой ступени.Для второй стадии большей части кривой циклической ползучести частота не оказала заметного эффекта ускорения. Сравнение рисунков 4 (а) и 4 (б) и рисунков 5 (а) и 5 ​​(б) продемонстрировало, что циклическая ползучесть больше связана со временем, чем с циклами.

3.2.3. Петля гистерезиса

Поскольку механические свойства вязкоупругого материала, такие как модуль упругости и вязкая влажность, связаны со скоростью деформации, петля гистерезиса на разных частотах имеет некоторые различия. В данной работе исследовалось влияние частоты на петлю гистерезиса.Петля гистерезиса МПа в период полураспада была представлена ​​на рисунке 6. Результаты для других уровней напряжения были аналогичными. Площадь внутри петли гистерезиса рассчитывалась интегрированием. Результаты интегрирования показали, что площадь существенно не менялась с частотой. Результаты теста Wang et al. [7] на оргстекле также продемонстрировали, что частота не оказывает заметного влияния на площадь петли гистерезиса. Однако, как видно на рисунке 6, «крутизна» петли гистерезиса уменьшалась с увеличением частоты. Модуль упругости был определен как, и вычисленное значение было обозначено точками на Рисунке 7, где была построена соответствующая функциональная кривая мощности.Как показано на рисунке 7, модуль упругости увеличивается с частотой, особенно на низкой частоте, и может быть выражен как степенная функция частоты.



4. Модель CDM для прогнозирования усталостной долговечности

Поскольку подход механики сплошных повреждений может справиться с сосуществованием множественных повреждений, это подходящий и многообещающий метод прогнозирования усталостной долговечности при ползучести. Луо и др. [6] создали модель повреждений оргстекла YB-3 в результате усталости на основе CDM; Кроме того, чистое усталостное повреждение было отделено от усталостного испытания, включая повреждение при ползучести.Эта газета продолжила их работу.

Основная работа подхода CDM к прогнозированию усталостной долговечности включает в себя создание уравнения развития повреждений и определение начального и критического значения повреждений. Для удобства исходное значение повреждений чаще всего принимается равным нулю, а критическое значение - за единицу.

4.1. Уравнение эволюции усталостного повреждения с частотной модификацией

Следующая формула представляет собой постоянно используемую эволюцию усталостного повреждения в условиях простой нагрузки [16]: где и - константы материала, - переменная повреждения, - амплитуда напряжения.

Приведенный выше анализ показал, что, поскольку механические свойства вязкоупругого материала связаны со скоростью деформации, усталостная прочность будет увеличиваться с частотой. Но количественную зависимость усталостной прочности от частоты определить трудно. Экспериментальные результаты в [9] показали, что начальный модуль упругости вместе с пределом прочности на растяжение увеличивается с увеличением скорости деформации, и оба они имеют аналогичную функциональную связь со скоростью деформации. Должно быть возможно, что функциональная зависимость между усталостной прочностью и частотой аналогична модулю и частоте.Согласно результатам, полученным в [17] и в этой статье, модуль значительно увеличивается с частотой, когда частота низкая, а затем становится стабильной на более высокой частоте. На рисунке 7 показано, что модуль может быть выражен как степенная функция частоты в низкочастотном диапазоне. Таким образом, в данной статье было предложено уравнение эволюции усталостных повреждений с частотной модуляцией, выраженное как где - циклическая частота, постоянная. Поскольку повреждение при ползучести неизбежно возникает в процессе усталости, а частота нагружения полимеров с высоким содержанием полимеров не может быть слишком высокой, трудно получить чистую усталостную долговечность непосредственно из испытаний на усталость.Параметры в (2) будут определены путем последующего подгоночного расчета долговечности при ползучести.

4.2. Уравнение эволюции повреждений при ползучести

Как видно из результата циклической ползучести, форма кривой циклической ползучести была аналогична статической ползучести, а частота не увеличивала значительно скорость циклической ползучести. Можно предположить, что ползучесть при циклической нагрузке может происходить по тому же механизму, что и статическая ползучесть. Уравнение эволюции повреждений при статической ползучести можно использовать для описания чистого повреждения при ползучести в процессе усталости.Поэтому уравнение Качанова использовалось для описания эволюции повреждений плексигласа Resist 45 при ползучести, и это уравнение предлагалось в течение длительного времени и было проверено во многих аспектах [18]: где и - константы материала, которые могут быть получены путем испытания на ползучесть.

Интегрируя (3) с начальным условием, уравнение повреждений можно получить следующим образом: Когда материал разрушается, время разрушения можно записать как

.

Как определить плотность металла - Канадский институт охраны природы (CCI) Примечания 9/10

Введение

Плотность объекта - это масса объекта, деленная на его объем. Плотность является характеристикой материала, из которого изготовлен объект, и ее значение может помочь идентифицировать материал.

За исключением объектов простой формы, напрямую определить объем сложно. Простой способ определить плотность металлического объекта - взвесить его в воздухе, а затем снова взвесить, когда он будет погружен в жидкость, как описано в разделе «Наука, лежащая в основе измерений плотности».Вода - самая удобная жидкость для использования, но если объект нельзя погрузить в воду, можно использовать органические растворители, такие как этанол или ацетон. Плотность объекта можно рассчитать по двум измерениям веса и плотности жидкости.

При правильном балансе и контейнере подходящего размера этот метод можно использовать для различных объектов: больших и малых, металлических или неметаллических. Этот метод работает для сложных форм, даже для объектов с отверстиями, пока жидкость может проникать и заполнять отверстия.После того, как плотность определена, ее можно сравнить с плотностями известных материалов, чтобы уточнить, из чего может быть сделан объект.

В этом примечании описывается процедура и необходимые материалы для определения плотности металлического объекта. Первым шагом является выполнение процедуры на одном или нескольких металлических объектах известного состава, будь то чистый металл или сплав, чтобы получить опыт использования метода и убедиться, что он используется правильно. Затем можно определить плотность неизвестных металлов.

Методика определения плотности металла

Оборудование и материалы, необходимые для определения плотности

  • Мелкие металлические предметы, которые можно погружать в воду
  • Весы с возможностью взвешивания ниже весов (то есть могут взвешивать предметы, подвешенные под ними) и которые могут измерять с разрешением не менее 0,01 грамма (см. Раздел Весы без взвешивания ниже весов, чтобы узнать, как адаптировать процедуру взвешивания ниже весов баланс)
  • Металлическая проволока для крепления к крючку внутри баланса (хорошо подойдет изогнутая скрепка)
  • Поддерживающая подставка или платформа для удержания весов, чтобы под них можно было подвешивать предметы на крючке
  • Стаканы, достаточно большие, чтобы предметы можно было полностью погрузить без перелива жидкости
  • Опоры для удержания стаканов на нужной высоте под весами
  • Водопроводная вода
  • Калькулятор
  • Нить нейлоновая (e.грамм. леска или аналогичный легкий материал) для подвешивания предметов под весами
  • Одноразовые нитриловые перчатки
  • Дополнительно: зажимы для крепления опоры баланса к краю счетчика

Методика определения плотности при взвешивании ниже весов

  1. Снимите крышку с нижней стороны весов, чтобы открыть крючок внутри.
  2. Поместите весы на подставку с отверстием для доступа к внутреннему крючку.
  3. Присоедините проволочный крюк к внутреннему крюку и затем тарируйте весы (установите на ноль).
  4. Подвесьте какой-либо предмет на крючок под весами, используя нейлоновую нить или аналогичный предмет, и взвесьте его в воздухе. Надевайте перчатки при работе с металлическими предметами, особенно с теми, которые предположительно содержат свинец.
  5. Наполните химический стакан водой и поместите его под весы.
  6. Поднимите стакан до полного погружения объекта. Установите подставку под стакан, чтобы удерживать его на нужной высоте.Убедитесь, что под объектом или в пустотах внутри объекта нет пузырей.
  7. Взвесьте погруженный объект.
  8. Рассчитайте плотность, используя приведенное ниже уравнение.
  9. Сравните рассчитанную плотность с известными значениями плотности металлов и сплавов, используя приведенную ниже таблицу или более полные списки, доступные в справочных материалах.
  10. Повторите шаги 4–9 с остальными объектами.

Расчет плотности

Плотность ρ объекта или материала определяется как масса m, деленная на объем V; в символах ρ = m / V.Если объект взвешивается в воздухе, чтобы определить его фактическую массу, и взвешивается в жидкости, чтобы определить его (кажущуюся) массу в жидкости, то плотность объекта определяется по формуле:

Плотность воды 0,998 г / см 3 при 20 ° C и 0,997 г / см 3 при 25 ° C.

Результаты процедуры

Примеры объектов

На рис. 1 показаны примеры восьми различных металлических образцов, использованных для демонстрации этой процедуры.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0358
Рис. 1. Металлические предметы, используемые для демонстрации процедуры.

Измеренные плотности металлических образцов на Рисунке 1 представлены ниже.

В верхнем ряду слева направо:

  1. Вероятно, чугун (7,13 г / см 3 )
  2. Алюминий высокой чистоты (2,70 г / см 3 )
  3. Красноватый медный сплав (возможно, 85% меди и 15% цинка, 8,23 г / см 3 )
  4. Медь высокой чистоты (8.88 г / см 3 )

В нижнем ряду слева направо:

  1. Цинковое литье (сплав неизвестен, 7,09 г / см 3 )
  2. Свинец высокой чистоты (11,20 г / см 3 )
  3. Олово высокой чистоты (7,27 г / см 3 )
  4. Желтый картридж, латунь (70% меди и 30% цинка, 8,45 г / см 3 )

В каждом образце плотность определялась по приведенной выше формуле. Например, для алюминиевого объекта (б) масса оказалась равной 110.18 г в воздухе и 69,45 г в воде, что дает плотность 2,70 г / см. 3 . Для чугунного объекта (а) масса составила 209,47 г в воздухе и 180,13 г в воде, что дает 7,13 г / см 3 . Для свинцового объекта (f) масса составила 102,44 г в воздухе и 93,31 г в воде, что дает 11,20 г / см 3 .

Измеренные плотности алюминия, чугуна и свинца (2,70, 7,13 и 11,20 г / см 3 ) близки к известным значениям плотности (2,71, 7,20 и 11,33 г / см 3 из таблицы 1).Таким образом, предметы из алюминия и свинца легко идентифицируются по плотности.

Для чугунного изделия одной плотности недостаточно, чтобы исключить другие металлы, такие как цинк (известная плотность 7,13 г / см 3 ). Когда плотность неизвестного металла приближается к плотности нескольких металлов и сплавов (например, цинка, железа и олова), тогда необходимо определить другие свойства, такие как магнетизм и цвет, чтобы помочь идентифицировать его.

Известная плотность выбранных металлов и сплавов

Известная плотность выбранных металлов и сплавов приведена в таблице 1 в порядке возрастания плотности (ASTM 2006, Lide 1998).

Таблица 1: известная плотность выбранных металлов и сплавов
Металл или сплав Плотность (г / см 3 )
Алюминий 2,71
Алюминиевые сплавы 2,66–2,84
цинк 7,13
Чугун (серое литье) 7,20
Олово 7.30
Сталь (углеродистая) 7,86
Нержавеющая сталь 7,65–8,03
Латунь (картридж: 70% меди, 30% цинка) 8,52
Латунь (красный: 85% меди, 15% цинка) 8,75
Нейзильбер (65% меди, 18% никеля, 17% цинка) 8,75
Бронза (85% меди, 5% олова, 5% цинка, 5% свинца) 8.80
Никель 8,89
Медь 8,94
Серебро 10,49
Свинец 11,33
Золото 19,30
Реквизиты баланса

Весы с возможностью взвешивания под весами обычно поставляются с крышкой под внутренним крючком.На рис. 2 показан пример расположения крышки на дне весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0359
Рис. 2. Весы с возможностью взвешивания под весами.

На рис. 3 показан увеличенный вид с закрытой крышкой; на рис. 4 крышка открыта, чтобы обнажить внутренний крючок.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0360
Рис. 3. Деталь нижней стороны весов с подвижной металлической крышкой, закрывающей внутренний крюк.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0361
Рис. 4. Деталь нижней стороны весов, показывающий внутренний крючок после поворота металлической крышки.

На рисунке 5 показана металлическая проволока, изогнутая в виде крючков на обоих концах. На рис. 6 показан крючок на одном конце проволоки, прикрепленный к внутреннему крючку внутри весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0363
Рис. 5. Проволока с загнутыми концами в виде крючка.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0362
Рис. 6. Деталь проволоки, загнутой в крючки с обоих концов. Верхний конец крючка прикреплен к другому крючку внутри весов.

На рис. 7 показаны весы, которые устанавливаются на подставку из оргстекла с прорезью в верхней части. Отверстие обеспечивает доступ к крючку на нижней стороне весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0365
Рисунок 7.Весы устанавливаются на подставку из оргстекла с крюком, который вот-вот пройдет через отверстие в подставке.

На рис. 8 показаны весы на подставке из оргстекла с прямоугольным купоном из чистой меди, взвешиваемым на воздухе. На рисунке 9 показаны весы на стенде из оргстекла с прямоугольным купоном из чистой меди, взвешиваемым в воде. Меньшая подставка из оргстекла используется для поддержки стакана на нужной высоте.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0366
Рис. 8. Прямоугольный купон чистой меди, взвешиваемой на воздухе.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0367
Рис. 9. Прямоугольный купон из чистой меди, погруженной в воду.

На рисунке 10 показан пример объекта с отверстием, в котором застряли пузырьки воздуха. Будьте осторожны, чтобы не захватить предметом пузырьки воздуха, так как это приведет к неточному показанию.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0375
Рис. 10. Три пузырька воздуха застряли в отверстии.

Дополнительная информация

Использование других растворителей, кроме воды

Если погружать какой-либо предмет в воду, например железо, нецелесообразно, поскольку он очень подвержен коррозии, можно использовать органический растворитель, такой как ацетон или безводный этанол. Необходимо использовать надлежащую вентиляцию и соответствующие средства индивидуальной защиты. Обратитесь к паспорту безопасности (SDS) конкретного растворителя для рекомендованного оборудования.Плотность ацетона составляет 0,790 г / см 3 , а плотность безводного этанола составляет 0,789 г / см 3 , оба при 20 ° C. Тем, кому может понадобиться использовать одну из этих жидкостей, попробуйте измерить плотность объекта, используя воду и одну из этих жидкостей, и сравните результаты.

Советы по настройке весов
Альтернативная подставка для весов

Лист фанеры с отверстием можно прижать к краю прилавка, если нет подставки для балансировки (Рисунок 11).

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0296
Рис. 11. Платформа для весов, сделанная из фанеры и зажимов.

Весы без взвешивания под весами

Весы без крюка для взвешивания можно использовать для определения плотности, но для этого требуется рама, чтобы подвешивать объект под весами и переносить вес объекта на весы. Баланс должен быть установлен на платформе; может использоваться установка, аналогичная показанной на рисунке 11.(В этом случае отверстие в дереве на Рисунке 11 не требуется.) Затем вокруг весов и платформы устанавливают четырехстороннюю рамку (имеющую форму рамки для изображения), опираясь только на чашу весов и не касаясь ни одной другая часть баланса (рисунок 12). Весы тарируют с установленными рамой и крюком, затем объект прикрепляют к крюку на раме и взвешивают в воздухе и в жидкости, как в шагах 4–9 процедуры: определение плотности металла.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0298
Рис. 12. Вид спереди (левая сторона рисунка) и вид сбоку (правая сторона), показывающие весы без возможности взвешивания ниже весов. Верхний сегмент прямоугольной рамки опирается на чашу весов, а предмет прикрепляется к нижнему сегменту.

Наука, лежащая в основе измерений плотности

Плавучесть и принцип Архимеда

Техника этой процедуры датируется третьим веком до нашей эры. В своей книге «Плавающие тела» Архимед Сиракузский предположил, что если объект погрузить в жидкость и взвесить, он будет легче, чем его истинный вес, на вес жидкости, которую он вытесняет.История гласит, что Архимед использовал эту идею, чтобы показать, что корона не была чистым золотом, а скорее смесью золота и серебра (Heath 1920).

Объект кажется более легким в жидкости, потому что на него действует сила, называемая выталкивающей силой. Сила возникает из-за того, что давление в жидкости увеличивается с глубиной, поэтому давление на нижнюю часть объекта (толкая объект вверх) выше, чем давление на верхнюю часть (толкающее его вниз). Разница между давлением, направленным вверх и вниз, создает подъемную силу.Выталкивающая сила, толкая объект вверх, действует против силы тяжести, которая тянет объект вниз. Если подъемная сила меньше силы тяжести, объект утонет, но будет казаться, что в жидкости он весит меньше, чем в воздухе. Если выталкивающая сила больше силы тяжести, объект всплывет к поверхности жидкости.

Плотность объекта рассчитывается по формуле, приведенной ранее

Когда плотность известна, ее можно использовать для расчета объема объекта по следующей формуле:

Объем объекта = (масса в воздухе) / (плотность объекта)

Подобно воде, воздух также производит подъемную силу.(Вот почему гелиевые шары плавают вверх.) Выталкивающая сила воздуха слишком мала, чтобы иметь значение в этой процедуре, но ее необходимо учитывать, когда требуется высокая точность взвешивания (Skoog et al. 2014).

Плотность определяется по вытесненному объему

Более простой, но менее точный способ измерения плотности - поместить объект в жидкость и измерить объем вытесненной жидкости. Это можно использовать для небольших объектов, которые помещаются в градуированный цилиндр, например, чтобы решить, сделан ли объект из свинца или менее плотного металла.

Порядок действий следующий. Найдите градуированный цилиндр диаметром не намного больше, чем объект. Определите массу объекта с помощью подходящих весов. Добавьте воду в мерный цилиндр и запишите начальный объем. Полностью погрузите объект в воду, стараясь не образовывать пузырьков, а затем запишите объем во второй раз. Объем объекта равен разности конечного и начального объемов, считанных с градуированного цилиндра, а плотность - это масса, деленная на объем объекта.

В качестве примера была измерена фигурка лося. Масса 4,088 г. На рис. 13 фигурка показана за пределами градуированного цилиндра, а на рис. 14 - в погруженном состоянии. Вода в градуированном цилиндре увеличилась с 5,0 мл до 5,6 мл при погружении фигурки, что привело к изменению объема на 0,6 мл. Без учета ошибок при измерении объема плотность рассчитывается как 4,088 г / 0,6 мл = 6,8 г / см 3 . (Примечание: 1 мл = 1 см 3 .) Это меньше плотности цинка и может указывать на сплав цинка и более легкого металла, возможно, магния или алюминия.Но, учитывая небольшой объем, есть неточности в измерениях. Объем может быть измерен только с точностью до 0,1 мл с помощью градуированного цилиндра, поэтому объем может составлять от 0,5 до 0,7 мл. Таким образом, плотность может быть от 4,088 г / 0,7 мл = 5,8 г / см 3 до 4,088 г / 0,5 мл = 8,2 г / см 3 . В этом диапазоне измерений фигурка может быть из цинка, железа, олова, стали или других сплавов, но не из чистого алюминия или чистого свинца. Фактически анализ показал, что это олово, имеющее плотность 7.30 г / см 3 .

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0373
Рис. 13. Небольшой металлический предмет перед погружением в воду в мерном цилиндре на 25 мл. Обратите внимание на уровень воды.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0374
Рис. 14. Небольшой металлический предмет после погружения в воду в мерном цилиндре объемом 25 мл. Уровень воды примерно на 0,6 мл больше, чем до погружения объекта.

Другое применение

Вышеуказанные процедуры можно использовать не только для идентификации металлов по их плотности.

Вес для литья металлов

При отливке скульптуры необходимо оценить количество металла, необходимое для заполнения формы модели скульптуры. Если отливаемая модель может быть погружена в воду, объем модели можно определить с помощью описанных выше методов. Тогда необходимую массу металла m можно рассчитать из объема V модели и плотности металла ρ по формуле m = ρV.(Имейте в виду, что обычно требуется дополнительный металл для заполнения каналов, которые направляют расплавленный металл в форму.)

Благодарности

Особая благодарность Миган Уолли, Люси 'т Харт и Кэтрин Мачадо, бывшим стажерам CCI, за их помощь в разработке этой заметки.

Список литературы

ASTM G1-03. «Стандартная практика подготовки, очистки и оценки образцов для испытаний на коррозию». В Ежегодной книге стандартов ASTM, т. 03.02. Вест Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов, 2006, стр.17–25.

Heath, T.L. Архимед. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макмиллан, 1920.

Lide, D.R., ed. CRC Справочник по химии и физике, 79-е изд. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 1998, стр. 12-191–12-192.

Скуг, Д.А., Д.М. Вест, Ф.Дж. Холлер и С. Присядь. Основы аналитической химии, 9-е изд. Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул, 2014 г., стр. 22–23.

Написано Линдси Селвин

Également publié en version française.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы, 2016

ISSN 1928-1455

.

Анализ надежности предела усталости материала с надрезом с некоторыми видами плотных неоднородностей с использованием механики разрушения

1. Введение

Алюминиевые литые сплавы широко применяются, например, в автомобилях, кораблях, самолетах, машинах и конструкциях, благодаря высокая литейная способность и высокая удельная прочность [1, 2, 3]. Их можно улучшить, чтобы они соответствовали определенным механическим свойствам, путем настройки метода литья, легирующих элементов, а также условий охлаждения и термообработки [4, 5, 6].Обычно дисперсионное упрочнение, также называемое упрочнением против старения, используется для упрочнения алюминиевых литых сплавов, что приводит к образованию плотного осадка частиц, таких как эвтектический Si. Осадки образуют мелкие микроструктуры, такие как дендриты, которые значительно улучшают механические свойства. Однако, к сожалению, результирующая концентрация напряжений в осадках приводит к усталостному разрушению [7, 8, 9]. Более того, возможность усталостного разрушения возрастает все больше, если в процессе литья создаются микроструктурные дефекты, такие как пористость [10, 11, 12, 13, 14, 15].Поскольку частицы осадка и микроструктурные дефекты уникальны, усталостную прочность алюминиевых литых сплавов необходимо анализировать статистически.

Статистические методы испытаний на усталость [16, 17] стандартизированы для определения надежности усталостной прочности. Однако, поскольку они требуют множества испытаний на усталость, определение надежности усталостной прочности при 10 7 циклах напряжений занимает много времени. Более того, поскольку самая слабая область, которая контролирует усталостную прочность образца, неизвестна, настоящие материалы не могут быть улучшены рационально.Следовательно, более быстрый и рациональный метод количественного и неразрушающего прогнозирования влияния неоднородностей на усталостную прочность необходим для безопасных и надежных конструкций машин, а также для экономичной и быстрой разработки материалов.

Было предложено несколько методов прогнозирования усталостной прочности при 10 7 циклах напряжений, которые эквивалентны статистически определенному пределу выносливости алюминиевых литых сплавов [18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]. После серии анализов стресса и экспериментов с утомляемостью Murakami et al.[18, 19, 20] уточнили предел нераспространения усталостной трещины, вызванной микроструктурным дефектом, и предложили простую формулу для прогнозирования предела выносливости плоского образца, содержащего дефекты [18, 19, 20]. Предел нераспространения усталостной трещины, вызванной дефектом микроструктуры, определяется размером дефекта и механическими характеристиками матрицы вблизи дефекта. Поэтому предполагается, что причиной усталостного разрушения является максимальный дефект, который часто оценивается экстремальной статистикой.Большинство методов основаны на предположении, что усталостное разрушение начинается с максимальных дефектов, и часто не учитывают интерференционные эффекты неоднородностей и разброс твердости матрицы [25]. Поскольку алюминиевые литые сплавы имеют гораздо более высокую плотность неоднородностей, предполагается, что интерференционным эффектом нельзя пренебречь, и максимальная неоднородность не обязательно находится в самом тяжелом механическом состоянии. Кроме того, в случае образца с надрезом напряжение значительно варьируется.Для прогноза следует использовать наиболее серьезный механический дефект, даже если он не является максимальным. Как правило, предел выносливости образца из однородного металла с надрезом, в котором микроструктурный дефект не является причиной усталостного разрушения, состоит из пределов нераспространения микротрещин и макротрещин [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32] . Этот факт широко используется при прогнозировании предела выносливости. Однако, поскольку микроструктурные дефекты действуют как места зарождения трещин, предел выносливости неоднородного металла также не может быть предсказан с помощью этих двух типов пределов нераспространения трещин.

В данном исследовании предлагается количественный метод прогнозирования предельной надежности по усталости металла с надрезом, содержащего неоднородные частицы. Настоящий метод также основан на модели прочности при напряжении и применяется к образцам из сплава Al-Si-Cu с надрезом (JIS AC4B). Неоднородная частица в сплаве состоит из эвтектических соединений Si и Fe и пористости в матрице. Испытания на усталость при вращении и изгибе выполняются на образцах AC4B-T6 с надрезом путем различного изменения радиуса основания надреза.Достоверность настоящего метода проверяется путем сравнения его численного прогноза с экспериментальными результатами.

2. Пределы нераспространения трещин для прогнозирования предела выносливости образца с надрезом

Номенклатура
t глубина надреза
ρ радиус основания надреза
ρ0 точка разветвления
ρd предельный радиус корня надреза
σw предел выносливости образца с надрезом
σw0 предел выносливости плоского образца
σw1 отсутствие распространения микротрещин предел
σw2 Предел нераспространения длинной макротрещины
σwd Предел нераспространения малой макротрещины

Обычно, когда усталостные испытания проводят на образце с надрезом, изменяя радиус основания надреза ρ для заданной глубины надреза t, типичное соотношение между предел выносливости σw и ρ показан на рисунке 1; здесь σw0 - предел выносливости плоского образца, σw1 - предел нераспространения микротрещины, σw2 - предел нераспространения макротрещины, а ρ0 - свойство материала, известное как точка ветвления, критическое значение которого определяет, будет ли нераспространяющаяся трещина существует вдоль корня надреза [26, 27].Если вырез достаточно глубокий, ρ0 остается постоянным [27].

Рисунок 1.

Схематическое изображение предела выносливости конструкции с надрезом без дефектов.

Если ρ> ρ0, σw1 является пределом выносливости [33]. σw1 можно предсказать по механическим характеристикам микроструктуры. Наоборот, если ρ≤ρ0, σw2 является пределом выносливости [33]. σw2 постоянна и не зависит от ρ. Это означает, что σw2 равно пределу выносливости образца с трещиной при ρ → 0. То есть можно предположить, что надрез является трещиной, а σw2 может быть предсказано механикой разрушения.

В случае металлов, содержащих микроструктурные дефекты, предел нераспространения усталостной трещины, которая возникает из-за микроструктурного дефекта, может быть пределом выносливости. Поскольку дефект классифицируется как макротрещина, низкий предел нераспространения макротрещины отличается от σw2. Диапазон порогового коэффициента интенсивности напряжений ΔKth определяет, устранена ли усталостная трещина, возникающая из макротрещины. Величина ΔK указывает на зависимость различных длин трещин [20].В этом исследовании трещина, для которой ΔK является постоянной независимо от ее длины, и которая демонстрирует мелкомасштабную текучесть (SSY), определяется как длинная макротрещина. И наоборот, трещина, для которой ΔKth зависит от длины и которая демонстрирует крупномасштабную текучесть (LSY), определяется как небольшая макротрещина [33, 34]. Введены и определены три следующих типа пределов нераспространения трещин для прогнозирования предела выносливости образца из алюминиевого литого сплава с надрезом [35]:

σw1: Это предел нераспространения трещин. микротрещина, которая возникает в результате повторяющихся необратимых пластических деформаций в однородном поле напряжения надреза без микроструктурных и структурных концентраций напряжений
σwd: Это предел нераспространения трехмерной усталостной трещины, которая возникает из-за микроструктурных дефектов, таких как в виде неметаллических включений и ямок в однородном поле напряжения надреза без других микроструктурных и структурных концентраций напряжений
σw2: Это предел нераспространения структурных длинных макротрещин, таких как глубокие надрезы с ρ <ρ0

На рисунке 2 схематически показаны отношения между ρ и каждым из σw1, σwd и σw2.Кроме того, ρ0 и ρd - соответственно точка ветвления и предельный радиус корня надреза, который определяет, влияют ли микроструктурные дефекты на предел выносливости. σw1 и σwd уменьшаются с уменьшением ρ, тогда как σw2 принимает постоянное значение и перестает зависеть от ρ. Если ρ≥ρd, σwd равно пределу выносливости σw. Если ρ0 <ρ <ρd, σw1 равно σw. Если ρ≤ρ0, σw1 и σwd отсекаются на σw2, а σw2 равно σw.

Рис. 2.

Схематическое изображение предела выносливости надрезанной конструкции с дефектами.

Поскольку твердость распределена локально, а многочисленные дефекты распределены по материалу, микротрещины и дефекты, определяющие усталостное разрушение, не могут быть определены заранее. В этой ситуации вероятности остановки микротрещины и усталостной трещины, возникающей из дефекта, соответственно, определяются статистическими характеристиками твердости и статистическими характеристиками дефекта. То есть σw1 и σwd соответственно описываются распределениями вероятностей.

3. Метод прогнозирования предельной надежности по усталости металла с надрезом, содержащего неоднородные частицы

Номенклатура
Aj размер j-го элемента поверхности
Aj ∗ размер j-й области, где относительное первое главное напряжение соответствует σ1, j ∗
Anpc, AnpcR, AnpcP область, необходимая для предотвращения распространения усталостной трещины
areaP размер поверхностного дефекта
areaP1 ниже предельный размер малой поверхностной трещины
areaR размер внутреннего дефекта
F, FP, FR геометрический поправочный коэффициент
Fσw Предел прочности надрезанного образца
fHVM1, fHVMS, fHVMR, fHVMP Распределение HVM
fχ2 90 026 χ2распределение
gP, gR, gS предельная твердость
γm эффект релаксации напряжений
HV, HVM твердость по Виккерсу
KIn,
.

Смотрите также