Ermüdung von Metallen

Structural Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Die Bedeutung des Studiums Metallermüdung in die zivile Infrastrukturprojekte ins Rampenlicht der Einsturz der Brücke Silber Buchstabe Pleasant, West Virginia im Jahr 1967 brachte. Die Eyebar-Kette-Hängebrücke über den Ohio River stürzte während Feierabendverkehr, 46 Menschen als Folge des Scheiterns einer einzigen Eyebar mit einem kleinen 0,1 Zoll Defekt zu töten. Mangels erreichte eine kritische Länge nach wiederholt Belastungsbedingungen und nicht in eine spröde Art und Weise, was den Zusammenbruch. Dieses Ereignis sammelte Aufmerksamkeit in der Brücke engineering-Community und unterstrich die Bedeutung der Prüfung und Überwachung von Müdigkeit in Metallen.

Unter normalen Betriebsbedingungen kann ein Material zu zahlreichen Anwendungen Service (oder täglich) Lasten unterworfen werden. Diese Lasten sind in der Regel höchstens 30-40 % der Endfestigkeit der Struktur. Jedoch nach der Abgrenzung der wiederholten Belastungen bei Größen erheblich unter der Zugfestigkeit erleben ein Materials so genannte Ermüdungsbruch. Ermüdungsbruch kann plötzlich und ohne vorherige nennenswerte Verformung auftreten und ist verbunden mit Risswachstum und rasche Ausbreitung. Müdigkeit ist ein komplexer Prozess mit vielen Faktoren, die die Dauerfestigkeit (Tabelle 1). Diese Komplexität unterstreicht den integralen Bedarf für regelmäßige und gründliche Überprüfung der Strukturen zu wiederholten Belastungen wie Brücken, Kräne und fast alle Arten von Fahrzeugen und Flugzeugen ausgesetzt.

Belastende Bedingungen Materialeigenschaften Umweltbedingungen
  • Art von stress
  • Spannungsamplitude
  • Mittelspannung
  • Frequenz
  • Kombinierte Belastungen
  • Stress-Geschichte
  • Spannungskonzentrationen (Kerben)
  • Rollenden Kontakt
  • Größe
  • Art des Materials
  • Oberflächenbeschaffenheiten
  • Korngröße
  • Temperatur
  • Korrosion

Tabelle 1. Faktoren, die die Müdigkeit

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Konstruktiver Ingenieurbau. Ermüdung von Metallen. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Erhalten Sie fünf A572 Grade Exemplare mit Dimensionen und Konfiguration des Computers für die Moore rotierenden Strahl Maschine verwendet wird. In diesem Fall nutzen wir eine rotierende Cantilever-Setup mit Proben 2,40 lang und 0,15 Zoll im Durchmesser mit einem kleinen necked Abschnitt 0,50 Zoll lang und 0,04 Zoll im Durchmesser.
  2. Berechnen Sie für die Probe Dimensionen und Maschinenkonfiguration das Gewicht erforderlich, um produzieren Biegemaschinen Stress reicht gleich ±75, ±60 %, 45 %, ±30 % bis ±15 % der nominalen Streckgrenze des Materials verwendet, wenn die niedrigere Spannung als NULL Stress genommen wird. Für dieses Experiment werden wir mit einem A572 Edelstahl mit einem Fy = 50 Ksi mit Exemplar in jeder Stress-Bereiche getestet. Eine Stress-Wut von ±15 % entspricht ± (0,15 * 50 Ksi) = ±7.5 Ksi. Viele weitere Exemplare werden bei jedem Belastungsbereich, statistisch valide Daten zu erhalten geprüft werden müssen.
  3. Montieren Sie das erste Exemplar in der Maschine; Wir müssen in diesem Fall legen necked Abschnitt in der Mitte des Balkens und sorgfältig ausrichten, so dass der Strahl über seinen Schwerpunkt dreht. Die Cantilever-Probe wird mithilfe einer punktuellen Belastung erzeugt durch eine Reihe von Quellen und deren Wert von einer Wägezelle überwacht wird geladen an der Spitze. Die Last wird durch ein Lager angewendet, so dass die Kraft immer nach unten ist, wie der Strahl dreht. Geschwindigkeit der Maschine ist mit 1400 Drehzahlen einstellen, der Zykluszähler wird auf NULL gesetzt, und der Test gestartet. Die Geschwindigkeit, die Probengröße und die angelegten Spannung variiert mit der Prüfmaschine.
  4. Warten Sie, bis die Probe schlägt fehl, und notieren Sie die Anzahl der Zyklen zum Scheitern.
  5. Wiederholen Sie für die anderen Exemplare.

Ermüdungsbruch im Stahl-und Metallbau, die zyklische Belastung unterzogen werden kann ohne Vorwarnung bei Belastungen deutlich unter der Zugfestigkeit einer Struktur auftreten. Es ist schwierig, dieses Verhalten zu modellieren, so es wichtig ist zu beurteilen, Ermüdungseigenschaften im Labor und Risse im Bereich um die Müdigkeit zu überwachen.

Der Zusammenbruch der Silber-Brücke über den Ohio River brachte die Bedeutung der Metallermüdung zuhanden der engineering-Community im Jahr 1967. Die Brücke konnte nicht in eine spröde Mode aufgrund von Korrosion Ermüdung, 46 Menschen getötet. Das ermüdungsversagen traten in eine Eyebar Verbindung für Inspektoren nicht sichtbar und war wahrscheinlich wegen Herstellungsfehlern.

Ermüdungsbruch kann passieren, da Materialien viele Zyklen von Lasten bei Spannungen auftreten, die möglicherweise nur 30 bis 40 % der ihre Endfestigkeit. Crack Wachstum und Vermehrung bei dieser Art der zyklischen Belastung führt zu plötzlichen Ermüdungsbruch mit paar Warnzeichen. Müdigkeit ist ein komplexer Prozess mit vielen Faktoren bewirken Dauerfestigkeit.

Hohen Zyklus auftreten spannungsarmen Bereichsbedingungen in Anlagen oder Strukturen mit beweglichen Teilen oder Lasten, wie Autos auf Brücken oder rotierender Maschinen in einer Produktionsanlage. Niedrige Zyklus tritt hoher Belastung Bereich Müdigkeit in Situationen wie Erdbeben.

Dieses Video wird gezeigt, dass Labortests von Materialien und Überwachung von Strukturen, die wiederholte niedrige Belastungen ausgesetzt, Müdigkeit hohen Zyklus laden zur Vermeidung von katastrophalen Ausfällen.

Ein ermüdungsriss normalerweise initiiert in einem Winkel auf die Normalspannung, aber dann dreht sich und wächst senkrecht auf die Zugspannung Prinzip. Der Riss breitet sich unter Zug-oder schiere, aber nicht unter Druckspannung.

Nach wiederholter Belastung der Riss erreicht eine kritische Länge und es breitet sich plötzlich mit der Schallgeschwindigkeit, führt zu sofortigen Ausfall. Die anfängliche Risswachstum produziert charakteristische Strand Markierungen auf der Bruchfläche Müdigkeit. Ein rauher Bruchfläche entsteht auf der Materialoberfläche, die plötzlich ausfällt.

Ermüdungsbruch ist definiert durch die Anzahl der Zyklen und dem Spannungsbereich zum Scheitern. Der angelegten Spannung erhöht, verringert sich die Anzahl der Zyklen zum Scheitern. Die meisten Metalle und eisenhaltigen Legierungen haben eine Dauerfestigkeit, unterhalb derer sie nicht unabhängig von der Anzahl der Zyklen schlägt fehl. Die Zyklen bei einer bestimmten Belastung ist zufällig in der realen zyklische Belastung. Aus diesem Grund gibt es mehrere Spannungsbereich und mehr als eine entsprechende Anzahl Zyklen zum Scheitern darstellt.

Miner Regel wird durch die Definition einer Reihe von Bereichen Stress und Gruppierung Zyklen in diesen Bereichen verwendet. Die Anzahl der Ladezyklen erwartet ist geteilt durch Zyklen zum Scheitern für jeden Belastungsbereich und summiert. Wenn die Summe größer als 1 ist, ist Ermüdungsbruch möglich. Zwar gibt es keine physische Grundlage für diese Gleichung, ist es sinnvoll für engineering Design-Zwecke. Eine große Anzahl von Stress reicht und Zyklen zum Scheitern kann mit einem rotierenden Strahl-Test getestet werden.

Bei diesem Test wird ein Freischwinger biegen Konfiguration verwendet, während die Probe gedreht wird. Die Last angewendet werden wird über die Streckgrenze zu eine Reihe von Bereichen Stress berechnen ermittelt. Zum Beispiel eine typische Baustahl hat eine Streckgrenze von 50 Ksi, und die Berechnung für die erste Spannungsbereich von plus oder minus 15 % gibt eine Last von Plus / minus 7,5 Ksi. Diese Last wird angewendet und die Probe Erfahrungen voller Spannung und volle Kompression während jeder Umdrehung.

Eine S-N-Kurve entsteht im Zusammenhang mit dem Spannungsbereich der Log-Wert die Anzahl der Zyklen zum Scheitern. Im nächsten Abschnitt werden wir Stahl Proben mit einer mehr rotierenden Strahl Maschine Herstellen einer Wöhlerkurve für das Material testen.

Erhalten Sie fünf A572 Grade Exemplare mit einem rotierenden Cantilever-Setup auf einer Moore rotierenden Strahl Maschine getestet werden. Die Abmessungen der Proben verwendet und die Entfernungen zu den Ladestellen sind insbesondere der Prüfmaschine verwendet wird.

Diese Dimensionen können mit Ihren eigenen Test-Setup variieren. Unsere Proben sind 2,40 Zoll in der Länge und 0,15 Zoll im Durchmesser. Der kleine necked Abschnitt von jeder Probe ist 0,50 Zoll in der Länge und 0,04 Zoll im Durchmesser.

Montieren Sie das erste Exemplar in der Maschine mit dem necked Abschnitt in der Mitte des Balkens. Messen Sie den Abstand von der Mitte der Probe an der Ladestelle. Richten Sie die Proben sorgfältig aus, so dass der Strahl frei und ohne wackeln dreht, und wenden Sie dann eine Last am Ende Freischwinger. Die Cantilever-Probe wird mithilfe einer punktuellen Belastung erzeugt durch eine Reihe von Quellen und deren Wert von einer Wägezelle überwacht wird geladen an der Spitze. Die Last wird durch ein Lager angewendet, so dass die Kraft immer nach unten ist, wie der Strahl dreht.

Geschwindigkeit der Maschine befindet sich auf 1400 Rpms, der Zykluszähler auf 0 festgelegt ist und der Test wird gestartet. Die Geschwindigkeit, die Probengröße und die angelegten Spannung variiert mit der Prüfmaschine. Warten Sie, bis die Probe schlägt fehl, und notieren Sie die Anzahl der Zyklen zum Scheitern. Entfernen der gescheiterten Probe aus dem Testcomputer und kontrollieren die Bruchflächen.

Wiederholen Sie ein Exemplar an die Belastung reicht jeweils zu prüfenden Test. Viele weitere Exemplare müssten bei jedem Belastungsbereich, statistisch valide Daten zu erhalten getestet werden.

Tabellieren Sie Stress reicht und die Anzahl der Zyklen und zeichnen Sie die Ergebnisse. Die tatsächlichen Streckgrenze der Probe war 65.3 Ksi und seine Zugfestigkeit 87.4 Ksi. Stress reicht hier gezeigten entsprechen zwischen 23 % und 92 % der Ausbeute.

Die Daten zeigt, dass für einen Spannungsbereich über 15 Ksi und weniger als 100.000 Zyklen, gibt es ein Rückgang der lineare Beziehung zwischen dem Spannungsbereich und der Logarithmus der Zahl der Zyklen. Die beste Linie passen dann zeigt für einen Spannungsbereich von 25 Ksi, die Anzahl der Zyklen zum Scheitern ist etwa 31.000.

Unter einem Spannungsbereich von 15 Ksi wird kein Fehler angezeigt. Dies gilt als die Ermüdungsgrenze. Die Zuverlässigkeit der Dauerfestigkeit kann verbessert werden, indem Sie weitere Exemplare zwischen 10 Ksi und 20 Ksi testen.

Wenn wird angenommen, dass die zyklischen Lastverlauf einer Brücke besteht aus einer Anzahl von Zyklen und Stress reicht, und wir das Ermüdungsverhalten des Materials wissen, können Miner Regel wir um die Zyklen zum Scheitern zu berechnen.

Wie erwartet, Prozentsatz Weise, haben die höhere Belastung reicht einen viel größeren Einfluss auf die schadensakkumulation. Die Struktur scheint sich in der Nähe seiner Designkapazität Müdigkeit Leben als Wert in der Nähe von 1,0 ist.

Nun, Sie die Rollen der zyklischen Belastung schätzen, Prüfung und Überwachung in Ermüdungsbruch, werfen wir einen Blick auf Beispiele von Müdigkeit wie Effekte Strukturen, die wir täglich verwenden.

Brücken erleben Sie zyklische laden täglich. Ein Totalausfall war zum Glück auf der Brandywine River Bridge in Wilmington Delaware vermieden. Ein signifikanter Riss entdeckt durch ein Jogger auf der Spur unten im Jahr 1997 fand Verbreitung von einem Wield defekt. Reparaturen durchgeführt wurden und die Brücke weiterhin 6 Fahrspuren zu tragen, während in seiner Verwendung überwacht.

Ingenieure untergetaucht Rumpf in einem Schwimmbad zu simulieren Druckbeaufschlagung und Druckabfall nach 3 Flugzeuge im Flug in den 1950er Jahren explodierte. Es wurde festgestellt, dass nach mehrmaligem Laden aufgrund von Spannungskonzentrationen an den Ecken der Fenster, Müdigkeit Fehler aufgetreten. Infolgedessen umfasst moderne Design von Flugzeugen rundere Ecken, um dieser Kraft entgegenzuwirken und reduzieren die Spannungskonzentrationen.

Sie haben nur Jupiters Einführung in die Ermüdung von Metallen beobachtet. Sie sollten nun die Idee der zyklischen Belastung und seine Wirkung auf Ermüdungsbruch Metalle verstehen.

Danke fürs Zuschauen!

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE