Ermüdung von Metallen

Ermüdungsversagen bei zyklisch belasteten Metallkonstruktionen kann ohne Vorwarnung bei Lasten auftreten, die deutlich unter der Endfestigkeit einer Struktur liegen. Es ist schwierig, dieses Verhalten zu modellieren, daher ist es wichtig, die Ermüdungseigenschaften im Labor zu beurteilen und Ermüdungsrisse im Feld zu überwachen.

Der Einsturz der Silver Bridge über den Ohio River im Jahr 1967 machte die Ingenieursgemeinschaft auf die Bedeutung der Metallermüdung aufmerksam. Die Brücke versagte aufgrund von Korrosionsermüdung auf spröde Weise, wobei 46 Menschen ums Leben kamen. Das Ermüdungsversagen trat in einer für die Prüfer nicht sichtbaren Ösenverbindung auf und war wahrscheinlich auf einen Herstellungsfehler zurückzuführen.

Ermüdungsversagen kann auftreten, da Materialien vielen Belastungszyklen bei Spannungen ausgesetzt sind, die möglicherweise nur 30 bis 40 % ihrer Endfestigkeit betragen. Risswachstum und -ausbreitung während dieser Art von zyklischer Belastung können zu einem plötzlichen Ermüdungsversagen mit wenigen Warnzeichen führen. Ermüdung ist ein komplexer Prozess mit vielen Faktoren, die die Ermüdungsbeständigkeit beeinflussen.

Bedingungen mit hohen Zyklen und niedrigem Spannungsbereich treten in Geräten oder Strukturen mit beweglichen Teilen oder Lasten auf, wie z. B. Autos auf Brücken oder rotierende Maschinen in einer Fertigungsanlage. Ermüdung mit niedrigen Zyklen und hohem Spannungsbereich tritt in Situationen wie Erdbeben auf.

Dieses Video veranschaulicht die Notwendigkeit von Labortests von Materialien und die Überwachung von Strukturen, die wiederholt niedrigen Belastungen und hohen Zyklenbelastungen ausgesetzt sind, um katastrophale Ermüdungsausfälle zu vermeiden.

Ein Ermüdungsriss beginnt in der Regel in einem Winkel zur Normalspannung, dreht sich dann aber und wächst senkrecht zur Hauptzugspannung. Der Riss breitet sich unter Zug- oder Schierespannung, aber nicht unter Druckspannung aus.

Nach wiederholter Belastung erreicht der Riss eine kritische Länge und breitet sich plötzlich mit Schallgeschwindigkeit aus, was zum sofortigen Versagen führt. Das anfängliche Risswachstum erzeugt charakteristische Strandmarkierungen auf der Ermüdungsbruchoberfläche. Auf der Materialoberfläche entsteht eine rauere Bruchfläche, die plötzlich versagt.

Das Ermüdungsversagen wird durch die Anzahl der Zyklen und den Spannungsbereich bis zum Versagen definiert. Mit zunehmendem Spannungsbereich nimmt die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen ab. Die meisten Metalle und Eisenlegierungen haben eine Belastungsgrenze, unterhalb derer sie unabhängig von der Anzahl der Zyklen nicht versagen. Die Zyklen in einem bestimmten Belastungsbereich sind bei zyklischer Belastung im realen Leben zufällig. Aus diesem Grund gibt es mehr als einen Spannungsbereich und mehr als eine entsprechende Zahl, die Zyklen bis zum Versagen darstellt.

Die Miner-Regel wird verwendet, indem eine Reihe von Spannungsbereichen definiert und Zyklen in diese Bereiche gruppiert werden. Die Anzahl der erwarteten Belastungszyklen wird für jeden Spannungsbereich durch die Zyklen bis zum Versagen dividiert und addiert. Wenn die Summe größer als 1 ist, ist ein Ermüdungsversagen möglich. Obwohl es keine physikalische Grundlage für diese Gleichung gibt, ist sie für Konstruktionszwecke nützlich. Eine Vielzahl von Belastungsbereichen und Zyklen bis zum Versagen kann mit einem Drehbalkenversuch getestet werden.

Bei diesem Versuch wird eine freitragende Biegekonfiguration verwendet, während die Probe gedreht wird. Die aufzubringende Last wird unter Verwendung der Streckgrenze bestimmt, um einen Satz von Spannungsbereichen zu berechnen. Ein typischer Baustahl hat beispielsweise eine Streckgrenze von 50 ksi, und die Berechnung für den ersten Spannungsbereich von plus/minus 15 % ergibt eine Belastung von plus/minus 7,5 ksi. Diese Last wird aufgebracht und die Probe erfährt bei jeder Umdrehung die volle Spannung und volle Kompression.

Es wird eine S-N-Kurve erstellt, die den Spannungsbereich mit dem logarithmischen Wert der Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall in Beziehung setzt. Im nächsten Abschnitt werden wir Stahlproben mit einer stärker rotierenden Balkenmaschine testen, um eine S-N-Kurve für das Material zu erzeugen.

Beschaffung von fünf Proben der Güteklasse A572, die mit einem rotierenden Ausleger auf einer Moore-Drehbalkenmaschine getestet werden sollen. Die Abmessungen der verwendeten Proben und die Abstände zu den Belastungspunkten sind spezifisch für die eingesetzte Prüfmaschine.

Diese Abmessungen können je nach eigenem Testaufbau variieren. Unsere Exemplare sind 2,40 Zoll lang und 0,15 Zoll im Durchmesser. Der kleine Halsabschnitt jedes Exemplars hat eine Länge von 0,50 Zoll und einen Durchmesser von 0,04 Zoll.

Montieren Sie die erste Probe in der Maschine, wobei sich das Einhalsprofil in der Nähe der Mitte des Balkens befindet. Messen Sie den Abstand von der Mitte der Probe zum Lastpunkt. Richten Sie die Proben vorsichtig so aus, dass sich der Balken frei und ohne Wackeln dreht, und bringen Sie dann eine Last am Auslegerende auf. Die freitragende Probe wird an der Spitze mit Hilfe einer Punktlast belastet, die durch einen Satz Federn erzeugt wird und deren Wert von einer Wägezelle überwacht wird. Die Last wird über ein Lager aufgebracht, so dass die Kraft bei der Drehung des Balkens immer nach unten gerichtet ist.

Die Maschinendrehzahl wird auf 1400 U/min eingestellt, der Zykluszähler auf 0 gesetzt und der Test gestartet. Die Geschwindigkeit, die Probengröße und die aufgebrachte Spannung variieren je nach Prüfmaschine. Warten Sie, bis die Probe ausfällt, und notieren Sie die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall. Entnehmen Sie die ausgefallene Probe aus der Prüfmaschine und prüfen Sie ihre Bruchflächen.

Wiederholen Sie diesen Vorgang und prüfen Sie eine Probe in jedem der zu prüfenden Belastungsbereiche. In jedem Belastungsbereich müssten viel mehr Proben getestet werden, um statistisch valide Daten zu erhalten.

Tabellarische Darstellung der Spannungsbereiche und der Anzahl der Zyklen und Darstellung der Ergebnisse. Die tatsächliche Streckgrenze der Probe betrug 65,3 ksi und ihre Zugfestigkeit 87,4 ksi. Die hier gezeigten Spannungsbereiche entsprechen zwischen 23 % und 92 % der Ausbeute.

Die Daten zeigen, dass bei einem Spannungsbereich über 15 ksi und Zyklen unter 100.000 die lineare Beziehung zwischen dem Spannungsbereich und dem Logarithmus der Anzahl der Zyklen abnimmt. Die Best-Fit-Linie zeigt dann für einen Spannungsbereich von 25 ksi an, dass die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen etwa 31.000 beträgt.

Unterhalb eines Spannungsbereichs von 15 ksi wird kein Ausfall angezeigt. Dies wird als Belastungsgrenze bezeichnet. Die Zuverlässigkeit der Dauerfestigkeit kann verbessert werden, indem mehr Proben zwischen 10 ksi und 20 ksi getestet werden.

Wenn man davon ausgeht, dass die zyklische Belastungshistorie einer Brücke aus einer Reihe von Zyklen und Spannungsbereichen besteht, und wir das Ermüdungsverhalten des Materials kennen, können wir die Minersche Regel verwenden, um die Zyklen bis zum Versagen zu berechnen.

Erwartungsgemäß haben die höheren Belastungsbereiche prozentual einen viel größeren Einfluss auf die Schadensakkumulation. Die Struktur scheint nahe ihrer Ermüdungslebensdauer zu sein, da der Wert nahe 1,0 liegt.

Nachdem Sie nun die Rolle der zyklischen Belastung, Prüfung und Überwachung bei Ermüdungsversagen zu schätzen wissen, werfen wir einen Blick auf Beispiele dafür, wie sich Ermüdung auf Strukturen auswirkt, die wir täglich verwenden.

Brücken werden täglich zyklisch belastet. Ein katastrophaler Ausfall der Brandywine River Brücke in Wilmington, Delaware, wurde glücklicherweise vermieden. Ein bedeutender Riss, den ein Jogger 1997 auf dem Weg entdeckte, wurde gefunden, der sich durch einen Defekt des Schwingers ausbreitete. Die Reparaturen wurden durchgeführt und die Brücke ist weiterhin auf 6 Fahrspuren befahrbar, während sie in ihrer Nutzung überwacht wird.

Ingenieure versenkten den Rumpf in einem Schwimmbad, um den Druck und die Druckentlastung zu simulieren, nachdem in den 1950er Jahren 3 Flugzeuge während des Fluges explodiert waren. Es wurde festgestellt, dass es nach wiederholter Belastung aufgrund von Spannungskonzentrationen an den Ecken der Fenster zu einem Ermüdungsversagen kam. Infolgedessen enthält das moderne Design von Flugzeugen rundere Ecken, um dieser Kraft entgegenzuwirken und die Spannungskonzentrationen zu reduzieren.

Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Ermüdung von Metallen gesehen. Sie sollten nun die Idee der zyklischen Belastung und ihre Auswirkungen auf das Ermüdungsversagen von Metallen verstehen.

Danke fürs Zuschauen!