Vermoeidheid van metalen
Bron: Roberto Leon, Afdeling Civiele en Milieutechniek, Virginia Tech, Blacksburg, VA
De belangrijkheid van het bestuderen van metaalmoeheid in civiel…
- Verkrijg vijf A572 Grade specimens met afmetingen en machineconfiguratie die geschikt zijn voor de gebruikte Moore roterende balkmachine. In dit geval zullen we een roterende cantilever-opstelling gebruiken met specimens van 2,40 inch lang en 0,15 inch in diameter met een kleine vernauwde sectie van 0,50 inch lang en 0,04 inch in minimale diameter.
- Voor de monstersafmetingen en machineconfiguratie, bereken het gewicht dat nodig is om buigspanningsbereiken te produceren gelijk aan ±75%, ±60%, ±45%, ±30% en ±15% van de nominale opbrengstspanning van het gebruikte materiaal als de lagere spanning als nulspanning wordt genomen. Voor dit experiment zullen we een A572 Grade staal gebruiken met een Fy = 50 ksi, met één monster getest bij elk van de spanningsbereiken. Een spanningsbereik van ±15% komt overeen met ±(0,15*50 ksi) = ±7,5 ksi. Er moeten veel meer monsters worden getest bij elk spanningsbereik om statistisch geldige gegevens te verkrijgen.
- Monteer het eerste monster in de machine; in dit geval moeten we de vernauwde sectie in de buurt van het midden van de balk invoegen en deze zorgvuldig uitlijnen zodat de balk om zijn centroid draait. Het cantilever-monster wordt op het uiteinde geladen door een puntbelasting te gebruiken die wordt gegenereerd door een set veren en waarvan de waarde wordt gecontroleerd door een laadcel. De belasting wordt via een lager toegepast zodat de kracht altijd naar beneden is terwijl de balk draait. De machinesnelheid wordt ingesteld op 1400 rpm, de cyclusteller wordt op nul ingesteld en de test wordt gestart. De snelheid, monstergrootte en toegepaste spanning zullen variëren met de testmachine.
- Wacht tot het monster faalt en noteer het aantal cycli tot het falen.
- Herhaal dit voor de andere monsters.
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
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.