Vermoeidheid van metalen

Vermoeidheidsfalen in metalen constructies die cyclische belasting ondergaan, kan zich voordoen zonder waarschuwing bij belastingen die aanzienlijk lager zijn dan de ultieme sterkte van een constructie. Het is moeilijk om dit gedrag te modelleren, dus het is belangrijk om vermoeidheidseigenschappen in het laboratorium te beoordelen en vermoeidheidsscheuren in het veld te monitoren.

De instorting van de Silver Bridge over de Ohio River bracht de belangrijkheid van metaalmoeheid in 1967 onder de aandacht van de technische gemeenschap. De brug faalde op een broze manier door corrosiemoeheid, waarbij 46 mensen omkwamen. Het vermoeidheidsfalen vond plaats in een oogverbinding die niet zichtbaar was voor inspecteurs en was waarschijnlijk te wijten aan een fabricagefout.

Vermoeidheidsfalen kan plaatsvinden wanneer materialen veel cycli van belastingen ondergaan bij spanningen die mogelijk slechts 30 tot 40% van hun ultieme sterkte bedragen. Scheurgroei en -voortplanting tijdens dit type cyclische belasting kunnen resulteren in plotseling vermoeidheidsfalen met weinig waarschuwingssignalen. Vermoeidheid is een complex proces met veel factoren die de vermoeidheidsweerstand beïnvloeden.

Condities met hoge cyclus, lage stressbereik komen voor in apparatuur of structuren met bewegende onderdelen of belastingen, zoals auto's op bruggen of roterende machines in een fabriek. Lage cyclus, hoge stressbereik vermoeidheid komt voor in situaties zoals aardbevingen.

Deze video zal de noodzaak illustreren van laboratoriumtests van materialen en het monitoren van structuren die worden blootgesteld aan herhaalde lage stress, hoge cyclusbelasting om catastrofale vermoeidheidsfalen te voorkomen.

Een vermoeidheidsscheur begint meestal onder een hoek met de normale spanning, maar draait dan en groeit loodrecht op de hoofdspanning. De scheur verspreidt zich onder trek- of scheersspanning, maar niet onder druksspanning.

Na herhaalde belasting bereikt de scheur een kritische lengte en verspreidt deze zich plotseling met de snelheid van het geluid, wat leidt tot onmiddellijk falen. De aanvankelijke scheurgroei produceert karakteristieke strandmerken op het vermoeidheidsbreukoppervlak. Er ontstaat een ruwer breukoppervlak op het materiaaloppervlak dat plotseling faalt.

Vermoeidheidsfalen wordt gedefinieerd door het aantal cycli en het stressbereik tot falen. Naarmate de toegepaste stressbereik toeneemt, neemt het aantal cycli tot falen af. De meeste metalen en ijzerhoudende legeringen hebben een uithoudingsgrens onder welke ze niet zullen falen, ongeacht het aantal cycli. De cycli bij een bepaald stressbereik zijn willekeurig in de echte cyclische belasting. Hierdoor is er meer dan één stressbereik en meer dan één overeenkomstig aantal dat cycli tot falen vertegenwoordigt.

De regel van Miner wordt gebruikt door een set stressbereiken te definiëren en cycli in deze bereiken te groeperen. Het verwachte aantal laadcycli wordt gedeeld door cycli tot falen voor elk stressbereik en opgeteld. Als de som groter is dan 1, is vermoeidheidsfalen mogelijk. Hoewel er geen fysische basis is voor deze vergelijking, is deze nuttig voor engineeringontwerpdoeleinden. Een groot aantal stressbereiken en cycli tot falen kan worden getest met behulp van een roterende balktest.

In deze test wordt een cantilever-buigconfiguratie gebruikt terwijl het monster wordt geroteerd. De te worden toegepaste belasting wordt bepaald met behulp van de vloeigrens om een set stressbereiken te berekenen. Een typisch constructiestaal heeft bijvoorbeeld een vloeigrens van 50 ksi en de berekening voor het eerste stressbereik van plus of min 15% geeft een belasting van plus of min 7,5 ksi. Deze belasting wordt toegepast en het monster ervaart volledige trek en volledige compressie tijdens elke omwenteling.

Er wordt een S-N-curve geproduceerd die het stressbereik relateert aan de log-waarde van het aantal cycli tot falen. In de volgende sectie zullen we staalmonsters testen met behulp van een meer roterende balkmachine om een S-N-curve voor het materiaal te produceren.

Verkrijg vijf A572-graadmonsters om te worden getest met behulp van een roterende cantileveropstelling op een Moore roterende balkmachine. De afmetingen van de gebruikte monsters en de afstanden tot de laadpunten zijn specifiek voor de gebruikte testmachine.

Deze afmetingen kunnen variëren met uw eigen testopstelling. Onze monsters zijn 2,40 inch lang en 0,15 inch in diameter. Het kleine versmallingsgedeelte van elk monster is 0,50 inch lang en 0,04 inch in diameter.

Monteer het eerste monster in de machine met de versmalling in de buurt van het midden van de balk. Meet de afstand van het midden van het monster tot het laadpunt. Richt de monsters zorgvuldig uit zodat de balk vrij en zonder wiebelen kan roteren en breng vervolgens een belasting aan op het cantilever-uiteinde. Het cantilevermonster wordt aan de punt geladen door een puntbelasting te gebruiken die wordt gegenereerd door een set veren en waarvan de waarde wordt gemonitord door een belastingcel. De belasting wordt toegepast via een lager zodat de kracht altijd naar beneden is terwijl de balk roteert.

De machinesnelheid is ingesteld op 1400 tpm, de cyclusteller is ingesteld op 0 en de test wordt gestart. De snelheid, monstersteekproefgrootte en toegepaste spanning zullen variëren met de testmachine. Wacht tot het monster faalt en noteer het aantal cycli tot falen. Verwijder het defecte monster uit de testmachine en inspecteer de breukoppervlakken.

Herhaal, test een monster bij elk van de stressbereiken die worden getest. Veel meer monsters zouden bij elk stressbereik moeten worden getest om statistisch geldige gegevens te verkrijgen.

Tabuleer stressbereiken en aantal cycli en plot de resultaten. De werkelijke vloeigrens van het monster was 65,3 ksi en de treksterkte was 87,4 ksi. De hier getoonde stressbereiken komen overeen met tussen 23% en 92% van de vloeigrens.

De gegevens tonen aan dat voor een stressbereik boven 15 ksi en cycli minder dan 100.00