Усталость металлов
Источник: Роберто Леон, Департамент гражданской и экологической инженерии, Политехнический университет Вирджинии, Блэксбург, Вирджиния
Важность изучен…
- Получите пять образцов класса A572 с размерами и конфигурацией машины, подходящими для используемого станка с вращающейся балкой Moore. В этом случае мы будем использовать вращающуюся консольную установку с образцами длиной 2,40 дюйма и длиной 0,15 дюйма. в диаметре с небольшой горловиной 0,50 дюйма. длина и 0,04 дюйма. в минимальном диаметре.
- Для размеров образца и конфигурации машины рассчитайте вес, необходимый для создания диапазонов напряжений изгиба, равных ±75%, ±60%, ±45%, ±30% и ±15% от номинального предела текучести используемого материала, если более низкое напряжение принято за нулевое напряжение. Для этого эксперимента мы будем использовать сталь марки A572 с Fy = 50 ksi, с одним образцом, испытанным в каждом из диапазонов напряжений. Ярость стресса в ±15% соответствует ±(0,15*50 ksi) = ±7,5 ksi. Для получения статистически достоверных данных необходимо будет протестировать гораздо больше образцов в каждом диапазоне напряжений.
- Установите первый образец в машину; В этом случае нам нужно вставить горловину ближе к середине балки и аккуратно выровнять ее так, чтобы балка вращалась вокруг своего центроида. Консольный образец нагружается на оконечности с помощью точечной нагрузки, создаваемой набором пружин, величина которой контролируется датчиком силы. Нагрузка прикладывается через подшипник таким образом, что при вращении балки усилие всегда направлено вниз. Скорость машины устанавливается на уровне 1400 об/мин, счетчик циклов обнуляется, и тест начинается. Скорость, размер образца и приложенное напряжение будут варьироваться в зависимости от испытательной машины.
- Подождите, пока образец выйдет из строя, и запишите количество циклов до отказа.
- Повторите то же самое для других экземпляров.
Усталостное разрушение в металлических конструкциях, которые подвергаются циклическому нагружению, может произойти без предупреждения при нагрузках значительно ниже предела прочности конструкции. Моделировать такое поведение сложно, поэтому важно оценивать усталостные характеристики в лаборатории и контролировать усталостные трещины в полевых условиях.
Обрушение Серебряного моста через реку Огайо привлекло внимание инженерного сообщества к важности усталости металла в 1967 году. Мост вышел из строя из-за коррозионной усталости, в результате чего погибли 46 человек. Усталостное разрушение произошло в соединении проушины, невидимом для инспекторов, и, вероятно, было связано с производственным дефектом.
Усталостное разрушение может произойти, поскольку материалы испытывают множество циклов нагрузок под напряжением, которое может составлять всего от 30 до 40% от их предельной прочности. Рост и распространение трещин при этом типе циклического нагружения может привести к внезапному усталостному разрушению с небольшим количеством предупреждающих признаков. Усталость — это сложный процесс, в котором множество факторов влияют на усталостную прочность.
Условия высокого цикла и низкого диапазона напряжений возникают в оборудовании или конструкциях с движущимися частями или грузами, таких как автомобили на мостах или вращающиеся механизмы на производственном предприятии. Малоцикловая усталость с высоким диапазоном напряжений возникает в таких ситуациях, как землетрясения.
В этом видео будет проиллюстрирована необходимость лабораторных испытаний материалов и мониторинга конструкций, подвергающихся многократному нагружению с низким напряжением и большим циклом, чтобы избежать катастрофических усталостных разрушений.
Усталостная трещина обычно начинается под углом к нормальному напряжению, но затем поворачивается и становится перпендикулярной основному растягивающему напряжению. Трещина распространяется при растягивающем или откаточном напряжении, но не при сжимающем напряжении.
После многократной загрузки трещина достигает критической длины и внезапно распространяется со скоростью звука, что приводит к немедленному выходу из строя. Первоначальный рост трещины создает характерные отметины пляжа на поверхности усталостного разрушения. На поверхности материала образуется более шероховатая поверхность разрушения, которая внезапно разрушается.
Усталостное разрушение определяется количеством циклов и диапазоном напряжений до разрушения. По мере увеличения диапазона приложенных напряжений количество циклов до разрушения уменьшается. Большинство металлов и черных сплавов имеют предел выносливости, ниже которого они не выйдут из строя независимо от количества циклов. Циклы в определенном диапазоне напряжений случайны в реальной циклической нагрузке. Из-за этого существует более одного диапазона напряжений и более одного соответствующего числа, представляющего циклы до разрушения.
Правило Майнера используется путем определения набора диапазонов напряжений и группировки циклов в эти диапазоны. Ожидаемое количество циклов нагружения делится на циклы до разрушения для каждого диапазона напряжений и суммируется. Если сумма больше 1, возможно усталостное разрушение. Хотя у этого уравнения нет физической основы, оно полезно для целей инженерного проектирования. С помощью испытания вращающимся лучом можно проверить большое количество диапазонов напряжений и циклов до разрушения.
В этом испытании при вращении образца используется консольная конфигурация изгиба. Приложенная нагрузка определяется с использованием предела текучести для расчета набора диапазонов напряжений. Например, типичная конструкционная сталь имеет предел текучести 50 фунтов на квадратный дюйм, а расчет для первого диапазона напряжений плюс-минус 15% дает нагрузку плюс-минус 7,5 фунта на квадратный дюйм. Эта нагрузка прикладывается, и образец испытывает полное растяжение и полное сжатие во время каждого оборота.
Строится кривая S-N, связывающая диапазон напряжений с логарифмическим значением числа циклов до разрушения. В следующем разделе мы будем испытывать стальные образцы с помощью машины с более вращающейся балкой для создания кривой S-N для материала.
Получите пять образцов марки A572 для испытания с помощью вращающейся консольной установки на машине с вращающейся балкой Moore. Размеры используемых образцов и расстояния до точек нагружения зависят от используемой испытательной машины.
Эти размеры могут отличаться в зависимости от вашей собственной испытательной установки. Наши образцы имеют длину 2,40 дюйма и диаметр 0,15 дюйма. Небольшой горловой участок каждого экземпляра составляет 0,50 дюйма в длину и 0,04 дюйма в диаметре.
Установите первый образец в машину с горловиной сечения ближе к середине балки. Измерьте расстояние от центра образца до точки нагружения. Тщательно выровняйте образцы так, чтобы балка вращалась свободно и без колебаний, а затем приложите нагрузку на консольный конец. Консольный образец нагружается на оконечности с помощью точечной нагрузки, создаваемой набором пружин, величина которой контролируется датчиком силы. Нагрузка прикладывается через подшипник таким образом, что при вращении балки усилие всегда направлено вниз.
Скорость машины устанавливается на уровне 1400 об/мин, счетчик циклов устанавливается на 0, и начинается тест. Скорость, размер образца и приложенное напряжение будут варьироваться в зависимости от испытательной машины. Подождите, пока образец выйдет из строя, и запишите количество циклов до отказа. Извлеките неисправный образец из испытательной машины и осмотрите его поверхности излома.
Повторите, испытывая по одному образцу в каждом из испытательных диапазонов напряжений. Для получения статистически достоверных данных необходимо будет протестировать гораздо больше образцов в каждом диапазоне напряжений.
Сведите в таблицу диапазоны напряжений и количество циклов и построите график результатов. Фактический предел текучести образца составил 65,3 фунта на квадратный дюйм, а предел прочности на разрыв – 87,4 фунта на квадратный дюйм. Показанные здесь диапазоны напряжения соответствуют от 23% до 92% урожайности.
Данные показывают, что для диапазона напряжений выше 15 фунтов на квадратный дюйм и циклов менее 100 000 наблюдается уменьшение линейной зависимости между диапазоном напряжений и логарифмическим числом циклов. Линия наилучшей посадки указывает на диапазон напряжений 25 фунтов на квадратный дюйм, количество циклов до разрушения составляет около 31 000.
Ниже диапазона напряжений 15 фунтов на квадратный дюйм разрушение не указывается. Это считается пределом выносливости. Надежность предела выносливости может быть повышена за счет испытаний большего количества образцов с давлением от 10 до 20 фунтов на квадратный дюйм.
Если предположить, что история циклической нагрузки на мост состоит из нескольких циклов и диапазонов напряжений, и мы знаем усталостное поведение материала, мы можем использовать правило Майнера для расчета циклов до разрушения.
Как и ожидалось, в процентном соотношении более высокие диапазоны стресса оказывают гораздо большее влияние на накопление урона. Структура, по-видимому, близка к своей расчетной усталостной прочности, так как значение близко к 1,0.
Теперь, когда вы оценили роль циклического нагружения, испытаний и мониторинга в усталостном разрушении, давайте рассмотрим примеры того, как усталость влияет на конструкции, которые мы используем каждый день.
Мосты ежедневно испытывают циклическую нагрузку. Катастрофического обрушения удалось избежать на мосту через реку Брендивайн в Уилмингтоне, штат Делавэр. Значительная трещина, обнаруженная бегуном на тропе внизу в 1997 году, была обнаружена распространяющейся из дефекта. Был проведен ремонт, и мост продолжает пропускать 6 полос движения, находясь под наблюдением в процессе его использования.
Инженеры погрузили фюзеляж в бассейн, чтобы имитировать наддув и разгерметизацию после того, как в 1950-х годах в полете взорвались 3 самолета. Установлено, что после повторного нагружения из-за концентраций напряжений по углам окон происходит усталостное разрушение. В результате, современная конструкция самолетов включает в себя более круглые углы для противодействия этой силе и снижения концентраций напряжений.
Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в усталость металлов». Теперь вы должны понять идею циклического нагружения и его влияние на усталостное разрушение металлов.
Спасибо за просмотр!
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.