עייפות של מתכות
מקור: רוברטו ליאון, המחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית, וירג'יניה טק, בלקסבורג, VA
החשיבות של לימוד עייפות מתכת בפרויקטים של תשתיות אזרחיות הובאה לאור הזרק…
- השג חמש דגימות בדרגת A572 עם מידות ותצורת מכונה המתאימות לשימוש במכונת הקרן המסתובבת של מור. במקרה זה נשתמש התקנה cantilever מסתובב עם דגימות 2.40 באורך ו 0.15 אינץ '. קוטר עם סעיף צוואר קטן 0.50 אינץ 'ארוך ו 0.04 אינץ '. בקוטר מינימלי.
- עבור מידות הדגימה ותצורת המכונה, לחשב את המשקל הנדרש כדי לייצר טווחי מתח כיפוף שווה ±75%, ±60%, ±45%, ±30% ו -±15% של לחץ התשואה הנומינלית של החומר המשמש אם הלחץ התחתון נלקח כאפס מתח. לניסוי זה נשתמש בפלדה בדרגת A572 עם Fy = 50 ksi, עם דגימה אחת שנבדקה בכל אחד מטווחי הלחץ. זעם מתח של ±15% מתאים ±(0.15*50 ksi) = ±7.5 ksi. דגימות רבות נוספות יצטרכו להיבדק בכל טווח לחץ כדי לקבל נתונים תקפים סטטיסטית.
- הר את הדגימה הראשונה במכונה; במקרה זה אנחנו צריכים להכניס את החלק הצווארי ליד אמצע הקרן וליישר אותו בזהירות, כך הקרן מסתובבת על centroid שלה. דגימת הקנטילוור נטענת בקצה באמצעות עומס נקודה שנוצר על ידי קבוצה של קפיצים וערכה מנוטר על ידי תא עומס. העומס מוחל דרך נושא כך שהכוח תמיד כלפי מטה כשהקרן מסתובבת. מהירות המכונה מוגדרת על 1400 סל"ד, מונה המחזור מוגדר לאפס, והבדיקה החלה. המהירות, גודל הדגימה והלחץ החל ישתנו עם מכונת הבדיקה.
- המתן עד שהדגימה תיכשל ורשום את מספר המחזורים לכישלון.
- חזור על הפעולה עבור הדגימות האחרות.
כשל עייפות במבני מתכת העוברים עומס מחזורי יכול להתרחש ללא אזהרה בעומסים נמוכים משמעותית מהחוזק האולטימטיבי של מבנה. קשה למדל התנהגות זו, ולכן חשוב להעריך את מאפייני העייפות במעבדה ולעקוב אחר סדקי העייפות בשטח.
קריסת גשר הכסף מעל נהר אוהיו הביאה את חשיבות עייפות המתכת לתשומת לבה של קהילת המהנדסים בשנת 1967. הגשר כשל בצורה שבירה עקב עייפות קורוזיה, והרג 46 בני אדם. כשל העייפות התרחש בחיבור מוט עיניים שלא נראה לפקחים, וככל הנראה נבע מפגם בייצור.
כשל בעייפות יכול להתרחש מכיוון שחומרים חווים מחזורים רבים של עומסים במתחים שעשויים להיות רק 30 עד 40% מהחוזק האולטימטיבי שלהם. צמיחה והתפשטות של סדקים במהלך סוג זה של עומס מחזורי עלולה לגרום לכשל עייפות פתאומי עם מעט סימני אזהרה. עייפות היא תהליך מורכב עם גורמים רבים המשפיעים על עמידות לעייפות.
תנאי מחזור גבוה וטווח מתח נמוך מתרחשים בציוד או במבנים עם חלקים נעים או עומסים, כמו מכוניות על גשרים או מכונות מסתובבות במפעל ייצור. עייפות במחזור נמוך וטווח מתח גבוה מתרחשת במצבים כמו רעידות אדמה.
סרטון זה ימחיש את הצורך בבדיקות מעבדה של חומרים וניטור מבנים הנתונים למתח נמוך חוזר ונשנה, עומס מחזור גבוה כדי למנוע כשלים בעייפות קטסטרופלית.
סדק עייפות מתחיל בדרך כלל בזווית ללחץ הרגיל, אך לאחר מכן מסתובב וגדל בניצב למתח המתיחה העיקרוני. הסדק מתפשט תחת מתח מתיחה, או לחץ טהור, אך לא תחת לחץ דחיסה.
לאחר טעינה חוזרת ונשנית, הסדק מגיע לאורך קריטי והוא מתפשט לפתע במהירות הקול, מה שמוביל לכישלון מיידי. צמיחת הסדק הראשונית מייצרת סימני חוף אופייניים על פני שבר העייפות. משטח שבר מחוספס יותר מיוצר על פני החומר שנכשל בפתאומיות.
כשל בעייפות מוגדר על ידי מספר המחזורים וטווח הלחץ לכישלון. ככל שטווח המתח המופעל גדל, מספר המחזורים לכישלון פוחת. לרוב המתכות וסגסוגות הברזל יש מגבלת סיבולת שמתחתיה הן לא ייכשלו ללא קשר למספר המחזורים. המחזורים בטווח מתח מסוים הם אקראיים בטעינה מחזורית בחיים האמיתיים. בגלל זה, יש יותר מטווח מתח אחד ויותר ממספר מקביל אחד המייצג מחזורים לכישלון.
כלל הכורה משמש על ידי הגדרת קבוצה של טווחי מתח וקיבוץ מחזורים לטווחים אלה. מספר מחזורי הטעינה הצפויים מחולק במחזורים לכשל עבור כל טווח מתח ומסוכם. אם הסכום גדול מ-1, תיתכן כשל בעייפות. למרות שאין בסיס פיזי למשוואה זו, היא שימושית למטרות תכנון הנדסי. ניתן לבדוק מספר רב של טווחי מתח ומחזורי כישלון באמצעות בדיקת קרן מסתובבת.
בבדיקה זו משתמשים בתצורת כיפוף שלוחה בזמן סיבוב הדגימה. העומס שיש להפעיל נקבע באמצעות חוזק התפוקה לחישוב קבוצה של טווחי מתח. לדוגמה, לפלדה מבנית טיפוסית יש חוזק תפוקה של 50 ksi, והחישוב עבור טווח המתח הראשון של פלוס מינוס 15% נותן עומס של פלוס מינוס 7.5 ksi. עומס זה מופעל והדגימה חווה מתח מלא ודחיסה מלאה במהלך כל סיבוב.
נוצרת עקומת S-N המקשרת את טווח המתח לערך הלוג של מספר המחזורים לכשל. בחלק הבא, נבדוק דגימות פלדה באמצעות מכונת קורות מסתובבת יותר כדי לייצר עקומת S-N עבור החומר.
השג חמש דגימות בדרגת A572 לבדיקה באמצעות מערך שלוחה מסתובב במכונת קרן מסתובבת של מור. מידות הדגימות המשמשות והמרחקים לנקודות הטעינה הם מיוחדים למכונת הבדיקה שבה נעשה שימוש.
מידות אלה עשויות להשתנות בהתאם להגדרת הבדיקה שלך. הדגימות שלנו הן באורך 2.40 אינץ' ובקוטר 0.15 אינץ'. קטע הצוואר הקטן של כל דגימה הוא באורך 0.50 אינץ' ובקוטר 0.04 אינץ'.
הרכיב את הדגימה הראשונה במכונה כשהחלק הצוואר קרוב לאמצע הקורה. מדוד את המרחק ממרכז הדגימה לנקודת הטעינה. יישר בזהירות את הדגימות כך שהקורה תסתובב בחופשיות ומבלי להתנדנד, ולאחר מכן הפעל עומס בקצה השלוחה. דגימת השלוחה נטענת בקצה באמצעות עומס נקודתי שנוצר על ידי סט קפיצים וערכו מנוטר על ידי תא עומס. העומס מופעל דרך מיסב כך שהכוח תמיד כלפי מטה כאשר הקורה מסתובבת.
מהירות המכונה מוגדרת ל-1400 סל"ד, מונה המחזור מוגדר ל-0 והבדיקה מתחילה. המהירות, גודל הדגימה והלחץ המופעל ישתנו בהתאם למכונת הבדיקה. המתן עד שהדגימה תיכשל ורשום את מספר המחזורים לכישלון. הסר את הדגימה הכושלת ממכונת הבדיקה ובדוק את משטחי השבר שלה.
חזור על הפעולה, בדוק דגימה אחת בכל אחד מטווחי הלחץ שיש לבדוק. דגימות רבות נוספות יצטרכו להיבדק בכל טווח מתח כדי לקבל נתונים תקפים סטטיסטית.
טבלאות טווחי מתח ומספר מחזורים ושרטטו את התוצאות. מתח התפוקה בפועל של הדגימה היה 65.3 ksi, וחוזק המתיחה שלו היה 87.4 ksi. טווחי הלחץ המוצגים כאן תואמים בין 23% ל-92% מהיבול.
הנתונים מראים כי עבור טווח מתח מעל 15 ksi ומחזורים פחות מ-100,000, יש ירידה בקשר הליניארי בין טווח המתח ליומן מספר המחזורים. קו ההתאמה הטוב ביותר מציין אז לטווח מתח של 25 ksi, מספר המחזורים לכישלון הוא כ -31,000.
מתחת לטווח מתח של 15 ksi, לא מצוין כשל. זה נחשב למגבלת הסיבולת. ניתן לשפר את האמינות של מגבלת הסיבולת על ידי בדיקת דגימות נוספות בין 10 ksi ל -20 ksi.
אם מניחים שהיסטוריית העומס המחזורית של גשר מורכבת ממספר מחזורים וטווחי מתח, ואנו יודעים את התנהגות העייפות של החומר, אנו יכולים להשתמש בכלל הכורה כדי לחשב את המחזורים לכישלון.
כצפוי, מבחינת אחוזים, לטווחי הלחץ הגבוהים יותר יש השפעה גדולה בהרבה על הצטברות הנזק. נראה שהמבנה קרוב ליכולת החיים של עייפות העיצוב שלו מכיוון שהערך קרוב ל-1.0.
כעת, כשאתם מעריכים את התפקידים של העמסה מחזורית, בדיקות וניטור בכשל עייפות, בואו נסתכל על דוגמאות לאופן שבו עייפות משפיעה על מבנים שאנו משתמשים בהם מדי יום.
גשרים חווים טעינה מחזורית מדי יום. למרבה המזל נמנע כישלון קטסטרופלי בגשר נהר ברנדיוויין בווילמינגטון, דלאוור. סדק משמעותי שהתגלה על ידי רץ בשביל למטה ב-1997 נמצא מתפשט מפגם בשימוש. בוצעו תיקונים והגשר ממשיך לשאת 6 נתיבי תנועה תוך פיקוח על השימוש בו.
מהנדסים הטביעו את גוף המטוס בבריכת שחייה כדי לדמות לחץ וירידת לחץ לאחר ש-3 מטוסים התפוצצו בטיסה בשנות ה-50. נקבע כי לאחר העמסה חוזרת ונשנית עקב ריכוזי מתח בפינות החלונות, התרחש כשל בעייפות. כתוצאה מכך, העיצוב המודרני של מטוסים כולל פינות עגולות יותר כדי לנטרל את הכוח הזה ולהפחית את ריכוזי הלחץ.
זה עתה צפיתם במבוא של JoVE לעייפות המתכות. כעת עליכם להבין את הרעיון של העמסה מחזורית והשפעתו על כשל עייפות של מתכות.
תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.