来源:Roberto Leon,弗吉尼亚理工学院土木与环境工程系,美国弗吉尼亚州布莱克斯堡
1967年,美国西弗吉尼亚州波因特普莱森特的银桥(Silver Bridge)发生坍塌,使民用基础设施项目中金属疲劳研究的重要性受到广泛关注。这座横跨俄亥俄河的眼杆链式悬索桥在晚高峰期间突然倒塌,造成46人死…
在承受循环载荷的金属结构中,疲劳破坏可能在远低于结构极限强度的载荷下突然发生,且无明显预兆。这种行为难以通过模型预测,因此在实验室中评估材料的疲劳特性,并在实际应用中监测疲劳裂纹的发展至关重要。
1967年,俄亥俄河上的银桥坍塌事件使金属疲劳问题引起了工程界的广泛关注。该桥梁因腐蚀疲劳而发生脆性断裂,造成46人死亡。疲劳断裂发生在一个检查人员无法看到的眼杆连接处,可能源于制造缺陷。
当材料在远低于其极限强度(可能仅为极限强度的30%至40%)的应力下经历大量载荷循环时,可能发生疲劳破坏。此类循环载荷作用下的裂纹扩展与传播可导致突然的疲劳断裂,且几乎无预警迹象。疲劳是一个复杂的过程,影响疲劳抗力的因素众多。
高周次、低应力幅值条件通常出现在具有运动部件或载荷的设备或结构中,例如桥梁上的车辆或制造厂中的旋转机械。低周次、高应力幅值疲劳则发生在诸如地震等情况下。
本视频将说明对承受重复低应力、高周载荷的材料进行实验室测试以及对结构进行监测的必要性,以避免发生灾难性的疲劳失效。
疲劳裂纹通常在与正应力成一定角度的位置萌生,随后转向并沿垂直于主拉应力的方向扩展。裂纹在拉应力或剪切应力作用下扩展,但在压应力作用下不会扩展。
经过反复加载后,裂纹达到临界长度,并以声速突然扩展,导致立即失效。初始裂纹扩展会在疲劳断口表面形成特征性的海滩条纹。材料表面突然断裂时,则会形成更粗糙的断口表面。
疲劳失效由失效前的循环次数和应力幅值决定。随着施加的应力幅值增加,失效前的循环次数减少。大多数金属和铁基合金具有疲劳极限,当应力幅值低于该极限时,无论循环次数多少均不会发生失效。在实际的循环载荷中,特定应力幅值下的循环次数是随机的。因此,存在多个不同的应力幅值,以及各自对应的多个失效循环次数。
通过定义一组应力范围并将循环次数归入这些范围来应用 Miner 法则。将预期的加载循环次数除以每个应力范围下的失效循环次数,然后将结果求和。如果该和大于 1,则可能发生疲劳失效。尽管此方程没有物理依据,但在工程设计中具有实用价值。可使用旋转梁试验测试大量应力范围及对应的失效循环次数。
在此试验中,采用悬臂弯曲构型,并在加载过程中旋转试样。根据材料的屈服强度确定施加的荷载,以计算一组应力范围。例如,一种典型的结构钢屈服强度为 50 ksi,其第一个应力范围为±15%时,对应的荷载为±7.5 ksi。施加该荷载后,试样在每次旋转过程中经历完全的拉伸和完全的压缩。
通过绘制应力幅值与失效循环次数对数值之间的关系,可得到S-N曲线。在下一节中,我们将使用旋转梁试验机对钢制试样进行测试,以获得该材料的S-N曲线。
使用 Moore 旋转梁试验机上的旋转悬臂装置,获取五个 A572 级试样进行测试。所用试样的尺寸及加载点距离取决于所使用的试验机。
这些尺寸可能因您自身的测试装置而有所不同。我们的试样长度为 2.40 英寸,直径为 0.15 英寸。每个试样的细颈部分长度为 0.50 英寸,直径为 0.04 英寸。
将第一个试样安装到机器上,使试样缩颈部分位于梁的中部附近。测量试样中心到加载点的距离。仔细对准试样,确保梁能够自由旋转且无晃动,然后在悬臂端施加载荷。悬臂试样通过一组弹簧产生的集中载荷在尖端加载,载荷值由载荷传感器监测。载荷通过轴承施加,以确保梁旋转时作用力始终向下。
将机器转速设置为1400转/分钟,循环计数器归零,然后启动测试。转速、试样尺寸和施加的应力会因测试设备的不同而有所变化。等待试样发生失效,记录失效时的循环次数。从测试机上取下已失效的试样,并检查其断口表面。
重复实验,每个应力范围测试一个样本。为了获得具有统计学意义的数据,每个应力范围需要测试更多的样本。
将应力范围和循环次数列表,并绘制结果。试样的实际屈服应力为 65.3 ksi,抗拉强度为 87.4 ksi。此处所示的应力范围对应于屈服强度的 23% 至 92%。
数据显示,当应力幅值超过15 ksi且循环次数少于100,000次时,应力幅值与循环次数对数之间的线性关系减弱。最佳拟合线表明,当应力幅值为25 ksi时,失效循环次数约为31,000次。
在15 ksi的应力范围内,未观察到失效现象。此值被视为疲劳极限。通过在10 ksi至20 ksi之间测试更多的试样,可提高疲劳极限的可靠性。
如果假设桥梁的循环载荷历史由一定数量的循环次数和应力幅值组成,并且已知材料的疲劳性能,则可采用迈因纳法则(Miner's rule)来计算导致破坏的循环次数。
正如预期,从百分比来看,较高的应力范围对损伤累积的影响要大得多。由于该数值接近1.0,结构似乎已接近其设计疲劳寿命极限。
了解了循环载荷、测试和监测在疲劳失效中的作用后,让我们来看看疲劳如何影响日常使用的结构的一些实例。
桥梁每天都会经历周期性荷载。1997年,一名在威尔明顿特拉华州布兰迪万河大桥下方小路上跑步的慢跑者发现了一条严重裂纹,该裂纹从一处焊接缺陷处开始扩展,幸运地避免了一场灾难性事故。此后已对该桥进行了修复,目前该桥仍在承载六车道交通,并在其使用过程中持续进行监测。
20世纪50年代,三架飞机在飞行中发生爆炸后,工程师将飞机机身浸入游泳池中,以模拟加压和减压过程。研究发现,由于窗户角落处的应力集中,在反复载荷作用下发生了疲劳断裂。因此,现代飞机设计采用了更圆润的窗角,以抵消这种作用力并降低应力集中。
您刚刚观看了 JoVE 关于金属疲劳的简介视频。现在,您应该理解循环载荷的概念及其对金属疲劳失效的影响。
感谢观看!
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Q1: Why does metal fatigue occur at stresses below the ultimate strength?
Metal fatigue occurs under cyclic loading at stresses typically 30-40% of ultimate strength. Repeated stress cycles cause crack initiation and propagation perpendicular to principal tensile stress. After many cycles, cracks reach critical length and suddenly propagate at sound speed, causing immediate failure without significant prior warning or deformation.
Q2: What is the endurance limit and how does it affect fatigue design?
The endurance limit is the maximum stress range below which a metal will not fail regardless of cycle count. Most ferrous alloys exhibit this threshold. In S-N curve testing, stress ranges below the endurance limit show no failure. Engineers use this value to design structures for infinite fatigue life, improving reliability by testing multiple specimens near the threshold stress range.
Q3: How does the rotating beam test produce an S-N curve?
A rotating beam test applies cantilever bending loads to rotating specimens, creating full tension and compression cycles. Multiple specimens are tested at different stress ranges determined from yield strength percentages. Results plot stress range versus logarithmic cycles to failure, revealing the relationship between applied stress and fatigue life, establishing the material's fatigue characteristics.
Q4: What is Miner's rule and when is it used in fatigue assessment?
Miner's rule predicts fatigue failure by summing damage fractions across multiple stress ranges. Each stress range's expected cycles are divided by cycles-to-failure for that range, then summed. If the total exceeds 1.0, fatigue failure is possible. Though lacking physical basis, it is useful for engineering design when structures experience variable cyclic loading histories.
Q5: How do fatigue cracks initiate and propagate in metals?
Fatigue cracks typically initiate at angles to normal stress, then turn and grow perpendicular to principal tensile stress. Cracks propagate under tensile or shear stress but not under compressive stress. Initial growth produces characteristic beach marks on fracture surfaces. Once cracks reach critical length, they propagate rapidly at sound speed, causing sudden failure with characteristic rough fracture surfaces.
Q6: What factors influence fatigue resistance in structural materials?
Fatigue resistance is affected by multiple factors including stress amplitude, mean stress, frequency, stress concentrations, material properties, surface conditions, grain size, temperature, and corrosion. Environmental conditions and combined stresses also play roles. This complexity underscores the need for routine inspection of structures subjected to repeated loadings like bridges, cranes, vehicles, and aircraft.
Q7: Why is laboratory testing and field monitoring essential for fatigue assessment?
Laboratory testing establishes material fatigue characteristics through S-N curves and stress-strain characteristics of steels, enabling engineers to predict failure. Field monitoring detects crack propagation before catastrophic failure. The Silver Bridge collapse demonstrated that fatigue cracks can initiate from manufacturing flaws hidden from inspectors, making continuous assessment critical for public safety.