Zmęczenie metali

Zniszczenie zmęczeniowe w konstrukcjach metalowych, które są poddawane obciążeniom cyklicznym, może wystąpić bez ostrzeżenia przy obciążeniach znacznie poniżej wytrzymałości końcowej konstrukcji. Trudno jest modelować to zachowanie, dlatego ważne jest, aby ocenić charakterystykę zmęczeniową w laboratorium i monitorować pęknięcia zmęczeniowe w terenie.

Zawalenie się mostu Silver Bridge nad rzeką Ohio zwróciło uwagę społeczności inżynierów na znaczenie zmęczenia metalu w 1967 roku. Most uległ uszkodzeniu z powodu zmęczenia korozyjnego, zabijając 46 osób. Awaria zmęczeniowa wystąpiła w połączeniu z prętem oczkowym niewidocznym dla inspektorów i była prawdopodobnie spowodowana wadą produkcyjną.

Uszkodzenie zmęczeniowe może wystąpić, ponieważ materiały doświadczają wielu cykli obciążeń przy naprężeniach, które mogą wynosić tylko 30 do 40% ich wytrzymałości końcowej. Wzrost i propagacja pęknięć podczas tego typu cyklicznego obciążenia może spowodować nagłe uszkodzenie zmęczeniowe z niewielką liczbą znaków ostrzegawczych. Zmęczenie to złożony proces, w którym na odporność na zmęczenie wpływa wiele czynników.

Warunki wysokiego cyklu i niskiego zakresu naprężeń występują w urządzeniach lub konstrukcjach z ruchomymi częściami lub obciążeniami, takich jak samochody na mostach lub maszyny wirujące w zakładzie produkcyjnym. Zmęczenie o niskim cyklu i wysokim zakresie naprężeń występuje w sytuacjach takich jak trzęsienia ziemi.

Ten film zilustruje potrzebę laboratoryjnych badań materiałów i monitorowania konstrukcji poddanych powtarzającym się niskim naprężeniom i obciążeniom o wysokim cyklu, aby uniknąć katastrofalnych uszkodzeń zmęczeniowych.

Pęknięcie zmęczeniowe zwykle rozpoczyna się pod kątem do naprężenia normalnego, ale następnie obraca się i rośnie prostopadle do głównego naprężenia rozciągającego. Pęknięcie rozchodzi się pod wpływem naprężeń rozciągających lub czystych, ale nie pod wpływem naprężeń ściskających.

Po wielokrotnym obciążeniu pęknięcie osiąga krytyczną długość i nagle rozchodzi się z prędkością dźwięku, co prowadzi do natychmiastowej awarii. Początkowy wzrost pęknięć powoduje powstawanie charakterystycznych śladów plażowych na powierzchni pęknięcia zmęczeniowego. Na powierzchni materiału powstaje bardziej szorstka powierzchnia pęknięcia, która nagle ulega uszkodzeniu.

Zniszczenie zmęczeniowe jest definiowane przez liczbę cykli i zakres naprężeń do uszkodzenia. Wraz ze wzrostem zastosowanego zakresu naprężeń zmniejsza się liczba cykli do awarii. Większość metali i stopów żelaza ma granicę wytrzymałości, poniżej której nie ulegną awarii niezależnie od liczby cykli. Cykle w określonym zakresie naprężeń są losowe w rzeczywistym obciążeniu cyklicznym. Z tego powodu istnieje więcej niż jeden zakres naprężeń i więcej niż jedna odpowiadająca mu liczba reprezentująca cykle do awarii.

Reguła górnika jest używana przez zdefiniowanie zestawu zakresów naprężeń i grupowanie cykli w te zakresy. Oczekiwana liczba cykli obciążenia jest dzielona przez liczbę cykli do uszkodzenia dla każdego zakresu naprężeń i sumowana. Jeśli suma jest większa niż 1, możliwe jest uszkodzenie zmęczeniowe. Chociaż nie ma fizycznej podstawy dla tego równania, jest ono przydatne do celów projektowania inżynieryjnego. Duża liczba zakresów naprężeń i cykli do uszkodzenia może być testowana za pomocą testu wiązki obrotowej.

W tym teście stosuje się konfigurację gięcia wspornikowego, gdy próbka jest obracana. Obciążenie, które ma zostać przyłożone, jest określane na podstawie granicy plastyczności w celu obliczenia zestawu zakresów naprężeń. Na przykład typowa stal konstrukcyjna ma granicę plastyczności 50 ksi, a obliczenia dla pierwszego zakresu naprężeń plus minus 15% dają obciążenie plus minus 7,5 ksi. Obciążenie to jest przykładane, a próbka doświadcza pełnego naprężenia i pełnego ściskania podczas każdego obrotu.

Tworzy się krzywą S-N wiążącą zakres naprężeń z wartością logarytmiczną liczby cykli do uszkodzenia. W następnej sekcji przetestujemy próbki stali przy użyciu bardziej obracającej się belki, aby uzyskać krzywą S-N dla materiału.

Uzyskaj pięć próbek klasy A572 do przetestowania przy użyciu obrotowego wspornika na maszynie z obrotową belką Moore'a. Wymiary użytych próbek i odległości do punktów załadunku są specyficzne dla używanej maszyny testującej.

Te wymiary mogą się różnić w zależności od własnej konfiguracji testowej. Nasze próbki mają 2,40 cala długości i 0,15 cala średnicy. Mała szyjka każdego okazu ma 0,50 cala długości i 0,04 cala średnicy.

Zamontuj pierwszą próbkę w maszynie z sekcją szyjkową w pobliżu środka belki. Zmierz odległość od środka próbki do punktu obciążenia. Ostrożnie wyrównaj próbki tak, aby belka obracała się swobodnie i bez chybotania, a następnie przyłóż obciążenie na końcu wspornika. Próbka wspornikowa jest ładowana na końcówce za pomocą obciążenia punktowego generowanego przez zestaw sprężyn, którego wartość jest monitorowana przez ogniwo obciążnikowe. Obciążenie jest przykładane przez łożysko, dzięki czemu siła jest zawsze skierowana w dół, gdy belka się obraca.

Prędkość maszyny jest ustawiana na 1400 obr./min, licznik cykli jest ustawiony na 0 i rozpoczyna się test. Prędkość, wielkość próbki i zastosowane naprężenie będą się różnić w zależności od maszyny testującej. Poczekaj, aż próbka ulegnie uszkodzeniu i zapisz liczbę cykli do awarii. Usunąć uszkodzoną próbkę z maszyny testowej i sprawdzić jej powierzchnie pęknięć.

Powtórz testowanie jednej próbki w każdym z zakresów naprężeń, które mają być badane. O wiele więcej próbek musiałoby zostać przetestowanych w każdym zakresie naprężeń, aby uzyskać statystycznie ważne dane.

Tabelaryzuj zakresy naprężeń i liczbę cykli, a następnie wykreśl wyniki. Rzeczywista granica plastyczności próbki wynosiła 65,3 ksi, a jej wytrzymałość na rozciąganie 87,4 ksi. Pokazane tutaj zakresy naprężeń odpowiadają od 23% do 92% plonu.

Dane pokazują, że dla zakresu naprężeń powyżej 15 ksi i cykli mniejszych niż 100 000 następuje spadek liniowej zależności między zakresem naprężeń a logarytmem liczby cykli. Linia najlepszego dopasowania wskazuje wtedy dla zakresu naprężeń 25 ksi, liczba cykli do uszkodzenia wynosi około 31 000.

Poniżej zakresu naprężeń 15 ksi nie wskazuje się na awarię. Jest to uważane za granicę wytrzymałości. Wiarygodność limitu wytrzymałości można poprawić, badając więcej próbek w zakresie od 10 ksi do 20 ksi.

Jeśli założymy, że cykliczna historia obciążenia mostu składa się z pewnej liczby cykli i zakresów naprężeń, a znamy zachowanie zmęczeniowe materiału, możemy użyć reguły Minera do obliczenia cykli do uszkodzenia.

Zgodnie z oczekiwaniami, procentowo, wyższe zakresy naprężeń mają znacznie większy wpływ na akumulację szkód. Konstrukcja wydaje się być bliska projektowej trwałości zmęczeniowej, ponieważ wartość jest bliska 1,0.

Teraz, gdy doceniasz rolę cyklicznego obciążenia, testowania i monitorowania w niepowodzeniu zmęczeniowym, przyjrzyjmy się przykładom tego, jak zmęczenie wpływa na struktury, których używamy na co dzień.

Mosty codziennie podlegają cyklicznemu obciążeniu. Szczęśliwie udało się uniknąć katastrofalnej awarii na moście na rzece Brandywine w Wilmington w stanie Delaware. Znaczne pęknięcie odkryte przez biegacza na szlaku poniżej w 1997 roku zostało znalezione w wyniku rozprzestrzeniania się z defektu włady. Dokonano remontu i na moście nadal obowiązuje 6 pasów ruchu, a jego użytkowanie jest monitorowane.

Inżynierowie zanurzyli kadłub w basenie, aby zasymulować wzrost i spadek ciśnienia po eksplozji 3 samolotów w locie w latach 50. Stwierdzono, że po wielokrotnym obciążeniu spowodowanym koncentracją naprężeń w narożach okien doszło do uszkodzenia zmęczeniowego. W rezultacie, współczesna konstrukcja samolotów obejmuje bardziej zaokrąglone narożniki, aby przeciwdziałać tej sile i zmniejszać koncentrację naprężeń.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do zmęczenia metali autorstwa JoVE. Powinieneś teraz zrozumieć ideę cyklicznego obciążenia i jego wpływu na uszkodzenie zmęczeniowe metali.

Dzięki za oglądanie!