金属疲劳

Structural Engineering

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Summary

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂

1967年, 西弗吉尼亚州的银桥倒塌, 使研究民用基础设施项目中金属疲劳的重要性受到了关注。俄亥俄河上的 eyebar 链吊桥在傍晚的高峰时段倒塌, 造成46人死亡, 原因是单 eyebar 的故障有0.1 英寸小的缺陷。在反复加载条件下, 缺陷达到了临界长度, 并以脆性的方式导致了坍塌。这一事件引起了桥梁工程界的关注, 并强调了测试和监测金属疲劳的重要性。

在正常的服务条件下, 材料可以受到许多服务 (或日常) 负载的应用。这些载荷通常是结构极限强度的 30%-40%。然而, 经过反复荷载的累积, 在极大地低于极限强度的情况下, 材料可以经历所谓的疲劳失效。疲劳破坏可以突然发生, 没有明显的前期变形, 与裂纹扩展和快速繁殖有关。疲劳是一个复杂的过程, 有许多影响疲劳阻力的因素 (表 1)。这种复杂性凸显了对结构进行例行和彻底检查的整体需要, 如桥梁、起重机和几乎所有类型的车辆和飞机。

强调条件 材料性能 环境条件
  • 应力类型
  • 应力振幅
  • 平均应力
  • 频率
  • 组合应力
  • 压力历史
  • 应力集中 (凹槽)
  • 滚动接触
  • 大小
  • 材料类型
  • 表面条件
  • 粒度
  • 温度
  • 腐蚀

表1。影响疲劳的因素

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 结构工程. 金属疲劳. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. 获得五 A572 级试样的尺寸和机器配置适合摩尔旋转梁机正在使用。在这种情况下, 我们将使用一个旋转悬臂安装与标本2.40 在长和0.15 英寸直径与一个小的脖子部分 0.50 in. 长和0.04 英寸在最小直径。
  2. 对于试样尺寸和机器配置, 计算产生弯曲应力范围所需的重量, 相当于±75%、±60%、±45%、±30% 和±15%, 如果将较低的应力作为零应力, 则所用材料的公称屈服应力。对于这个实验, 我们将使用一个 A572 级钢与 Fy = 50 ksi, 一个试样测试在每个应力范围。±15% 的重音愤怒对应于 @ (0.15 * 50 ksi) = ±7.5 ksi。更多的标本将需要在每个应力范围内进行测试, 以获得统计上有效的数据。
  3. 在机器上安装第一个试样;在这种情况下, 我们需要插入靠近光束中间的颈段, 并小心地对准它, 使光束围绕其质心旋转。悬臂试样通过使用一组弹簧产生的点载荷, 并通过负载单元监测其值, 在尖端加载。负载通过轴承施加, 以便在光束旋转时, 力始终向下。机器速度设置为 1400 rpms, 循环计数器设置为零, 测试开始。试验机的速度、试样尺寸和应用应力各不相同。
  4. 等待, 直到标本失败, 并记录周期的次数, 以失败。
  5. 重复其他标本。

经过循环加载的金属结构中的疲劳失效可能会在没有任何警告的情况下发生, 在结构的极限强度之下。这一行为很难建模, 因此评估实验室的疲劳特性和监测现场疲劳裂纹是很重要的。

在俄亥俄河上的银色大桥的倒塌, 给工程界在1967年的关注带来了金属疲劳的重要性。由于腐蚀疲劳, 这座桥在脆性的情况下失败了, 造成46人死亡。疲劳故障发生在一个 eyebar 连接不可见的检查员, 可能是由于制造缺陷。

疲劳失效可能发生, 因为材料经历了许多负荷周期的压力, 可能只有30到40% 的极限强度。在这种循环荷载作用下, 裂纹的扩展和传播会导致突然的疲劳破坏, 并有少量的警示信号。疲劳是一个复杂的过程, 具有许多影响疲劳性能的因素。

高循环, 低应力范围的条件发生在设备或结构与移动部件或负载, 如汽车在桥梁或旋转机械在一个制造工厂。低循环, 高应力范围疲劳发生在地震等情况。

该视频将说明需要对材料进行实验室测试, 并对受反复低应力、高循环载荷的结构进行监测, 以避免灾难性的疲劳故障。

疲劳裂纹通常是从一个角度向正常应力发起的, 但随后变成垂直于主拉应力。裂纹在拉伸或纯粹应力下传播, 但不受压应力作用。

反复加载后, 裂纹达到临界长度, 突然以声音速度传播, 导致立即失效。初始裂纹扩展在疲劳断裂表面产生特征的滩痕。一个粗糙的断口表面产生在材料表面突然失败。

疲劳失效是由循环次数和应力范围来确定的。随着应用应力范围的增加, 失效周期的次数减少。大多数金属和黑色金属合金都有耐力极限, 而不管周期多少, 它们都不会失败。在一个特定的应力范围内的周期是随机的在现实生活循环加载。正因为如此, 有一个以上的应力范围和多个对应的数字表示周期的失败。

矿工的规则是用来定义一组应力范围和分组周期到这些范围。所期望的加载周期数除以每个应力范围的周期到失效, 并进行总结。如果总和大于 1, 疲劳失效是可能的。虽然这一方程没有物理基础, 但它对于工程设计的目的是有用的。使用旋转梁试验可以测试大量的应力范围和故障周期。

在本试验中, 在试样旋转时使用悬臂弯曲构型。所要应用的载荷是用屈服强度来计算一组应力范围来确定的。例如, 一个典型的结构钢的屈服强度为 50 ksi, 计算的第一应力范围的正负15% 给出的负载加或减 7.5 ksi。这种负载的应用, 并在每一个革命的标本体验充分的张力和充分的压缩。

将应力范围与失效周期数的对数值产生一个 s-N 曲线。在下一节中, 我们将用更多的旋转梁机对钢试样进行测试, 以生成材料的 s-N 曲线。

在摩尔旋转梁机上使用旋转悬臂装置, 获得五 A572 级试样。所使用的试样的尺寸和与加载点的距离特别适用于所使用的试验机。

这些维度可能因您自己的测试设置而异。我们的标本有2.40 英寸长, 直径0.15 英寸。每个标本的小颈段长度为0.50 英寸, 直径为0.04 英寸。

在机器上装上第一个试样, 其中的颈段靠近光束的中部。测量从试样中心到负载点的距离。仔细对准试样, 使光束自由旋转, 不摇晃, 然后在悬臂端施加载荷。悬臂试样通过使用一组弹簧产生的点载荷, 并通过负载单元监测其值, 在尖端加载。负载通过轴承施加, 以便在光束旋转时, 力始终向下。

机器速度设置为 1400 rpms, 循环计数器设置为 0, 测试开始。试验机的速度、试样尺寸和应用应力都会随之变化。等待, 直到标本失败, 并记录周期的次数, 以失败。从测试机中取出故障试样并检查其断口表面。

重复, 在每个应力范围测试一个标本, 以测试。需要在每个应力范围内测试更多的标本以获得统计上有效的数据。

制表应力范围和周期数, 并绘制结果。试样的实际屈服应力为 65.3 ksi, 拉伸强度为 87.4 ksi。这里显示的应力范围对应于产量的23% 和92%。

数据表明, 在 15 ksi 以上的应力范围和周期小于10万的情况下, 应力范围与周期数的对数之间的线性关系有所减少。最佳拟合线表示 25 ksi 的应力范围, 故障周期的次数约为3.1万。

低于 15 ksi 的应力范围, 没有出现故障。这被认为是耐力极限。通过在 10 ksi 和 20 ksi 之间测试更多的标本, 可以提高耐力极限的可靠性。

假设桥梁的循环荷载历史由多个周期和应力范围组成, 并且我们知道材料的疲劳行为, 我们可以用矿工的规则计算周期到失效。

正如预期的, 百分比明智, 更高的应力范围对损伤积累有更大的影响。该结构似乎接近其设计疲劳寿命的能力, 因为价值接近1.0。

现在, 您已经了解了循环加载、测试和监视在疲劳失效中的作用, 让我们来看看我们每天使用的疲劳效应结构的例子。

桥梁每天都有周期性的负荷。幸运的是, 在威尔明顿特拉华的烈酒河大桥上避免了灾难性的失败。在1997年的小径上, 一个慢跑者发现了一个明显的裂缝, 从一个挥舞的缺陷中传播出来。维修工作已经进行, 桥梁在使用中仍在进行监测, 并继续运载6车道的交通。

在二十世纪五十年代, 3 架飞机在飞行中爆炸后, 工程师们将机身浸入游泳池中模拟增压和减压。经反复加载后, 由于窗口角处的应力集中, 出现疲劳破坏。因此, 现代飞机的设计包括圆角, 以抵消这一力量, 并减少应力集中。

你刚刚看了朱庇特对金属疲劳的介绍。你现在应该了解循环载荷的概念及其对金属疲劳失效的影响。

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