金属疲劳

疲劳裂纹通常在材料表面启动, 在高双轴或三轴应力集中, 如钢桥隔膜中发生的, 焊缝沿所有三轴受拉力。

在金属中, 疲劳裂纹在金属中的滑动面开始轻微地在先前存在的表面缺陷或缺陷的位置上移动。裂缝的增长最初将是非常缓慢的。裂纹通常是从一个角度开始的, 由于剪切的正应力, 但最终会转向和增长垂直于主拉应力。疲劳裂纹会在拉伸或剪切应力下传播, 但不受压应力的作用。裂纹到达临界长度后, 裂纹以声速传播时会发生突然断裂。裂缝尖端的开启和关闭, 以及钝化和锐化, 在疲劳断裂表面产生特征的 "海滩标记", 类似于潮汐消退时潮汐在海滩上留下的痕迹。在材料实际破裂的地方会产生粗糙的表面。

在讨论工程术语的疲劳失效时, 有两个重要的关键术语需要考虑:

1.循环次数 (N)-定义为最大和最小应力之间的远足次数, 直到发生故障

2.应力范围 (S 或σ_SR)-定义为最大和最小应力的区别

疲劳失效一般定义在两类: 高循环、低应力、低循环、高应力。高循环通常表示至少有数以万计的周期和低周期指少于100个周期。低和高应力是指所研究的部分是否经历弹性或非弹性变形 (即是否超过材料的弹性极限)。高循环, 低应力发生在机械和设备与移动部件, 或在结构与移动荷载, 如桥梁和起重机。另一方面, 在地震和类似情况下, 低周、高应力疲劳发生在10次或更少的大的非弹性应力中。低周, 高应力范围的情况下, 有时是通过弯曲的腿的纸夹子的来回说明。它通常花费较少那10个周期弯曲在90度为夹子到断裂。对于本模块, 我们只讨论高周、低应力疲劳, 因为在韧性材料中驱动低、高周疲劳失效的机制根本不同。为了测试这种类型的疲劳失效的金属, 我们将进行旋转梁试验。疲劳寿命通常是以 s-n (s的树的范围与N的周期) 曲线为特征的。随着应用应力范围的增加, 失效周期的次数减少。对于具有离散加载条件的给定材料, 疲劳寿命会有所不同。有些材料将有耐力极限, 或以下应力范围, 无论周期多少, 疲劳失效都不会发生, 而其他材料, 如木材或混凝土, 则不表现出耐力极限。在一定数量的周期之后, 大多数金属和黑色金属都经历了耐力极限。

疲劳设计要求检查 N_d, 在结构的寿命期间的预期的周期数, 这通常是在一个给定的应力范围内数以百万计的负荷周期。如果励磁的来源是设备与转动的零件 (图 1a), 周期和重音范围的数量可以容易地被描述作为正弦和周期性。然而, 大多数加载历史在现实生活中是随机的, 因此很难描述。图1b 显示了桥梁细节的典型加载历史。在这种情况下, 它不仅是难以描述的应力范围, 而且是周期的数量。考虑在州际公路上的一座桥, 平均每分钟有5辆卡车穿过它。在预期寿命为50年的情况下, 将会有大约1.3亿个周期, 但很明显, 未来卡车交通预测和推断存在相当大的不确定性。同样, 压力范围, 这是基于重量的卡车和其轴的分布, 也很难预测。

图 1: 周期性和随机载荷历史: 周期性强迫函数, b. 随机强迫函数, Rainflow 计数.请单击此处查看此图的较大版本.

为了将随机负载历史转换为一组等价的周期变量, 采用简化的方法, 如矿工规则, 来模拟行为。矿工的规则 (Eq 1), 也称为 rainflow 计数, 既说明了应力振幅的变化, 在使用寿命, 以及累积损害。为了正确利用 Eq 1 来转换随机负载历史, 如图1b 所示的例子, 你将把信号分成若干应力范围 (--_斯里兰卡)。对于每个应力范围, 你将计算在大致这个应力范围内发生的周期数 (n_i), 并除以从 s-n 曲线到该应力范围的循环次数到失效 (n_i)。图1b 中的数据的此计算示例显示在图表1c 中。在左端, 显示 30 ksi 的应力范围。如果我们调用 30 ksi =-_SR1,有六个周期 (或 n₁ = 6, 标有红色箭头) 在-_SR1 , 如果我们测量从一个周期的底部到下一个的顶部。另外, 有五在 25 ksi (叫它_SR2), 四在 20 ksi (-_SR3), 三在 15 ksi (-_SR4), 四在 10 ksi (-_SR5) 和二在 5 ksi (-_SR6)。如果所有应力范围的总和小于 1, 则预计桥不会遇到疲劳故障, 而如果数值大于 1, 则预计桥上会出现疲劳故障。虽然这项技术不是很复杂, 而且有一些严重的理论限制, 但它代表了一个非常复杂的问题的有用的方法。

(1)

由于需要大量的周期来达到故障, 测试疲劳可能是一项艰巨的任务。对于这个问题, 一个简单而有力的方法是使用旋转光束测试, 在该试验中, 试样在其端部受支持, 并在其第三点 (四点弯曲构型) 上承受两点载荷, 并旋转, 这样就有一个恒定的力矩, 而不剪切在标本的中心1/3。在每次革命中, 试样将经历从完全张力 (+) 到完全压缩 (-) 的过渡, 平行于周期性加载历史的正弦性质 (图 1a)。使用一辆可以在上百转每分钟 (rpms) 运行的马达, 允许数以百万计的周期和测试在相对短的时间内运行。

虽然旋转梁试验是一种简单的测量疲劳失效的方法, 但对于疲劳裂纹扩展的测试还有其他的设置, 因为它们包括标准裂纹起动器或缺陷, 以及非常精确的仪表, 以监测裂纹大小的增长与时间。不幸的是, 这种类型的试验是非常昂贵的运行, 因为高技术和费力的加工要求的标本。

如前所述, 金属的初始裂纹增长非常缓慢。然而, 在某种程度上, 裂缝开始以越来越高的速度增长, 最终导致了失败。正确的土木工程设计的关键是在瞬时失效之前抓住这些裂缝。疲劳设计是以容错设计的概念为前提的, 假设存在初始裂纹, 这些裂纹会增大。为了防止灾难性的疲劳故障, 定期进行检查, 随着结构年龄的增加, 人们越来越关注。这个想法是, 在某一时刻, 裂缝将达到一个尺寸, 在那里它变得可见的督察。检查员第一次可能会漏掉裂缝, 但其概念是, 在裂纹变为可见的时间和达到其临界尺寸时, 会发生足够数量的检查, 这样就不会漏掉裂缝。临界尺寸是裂纹扩展变得不稳定的裂纹宽度, 裂纹开始以声速传播。在该点令人愉快的桥梁倒塌后, 在联邦一级设立了一个程序, 使州际系统的所有桥梁至少每两年检查一次。具有预先存在和已知裂纹问题的桥梁更频繁地被监视 (通常每六月或更短), 以便确定何时需要修理。虽然这个节目帮助维护了许多桥梁的完整性, 这个节目可能没有帮助在点愉快的桥梁的情况下, 因为失败在一个内部表面在眼睛酒吧连接开始了, 它不会被检查器可见。一般而言, 不容易检查的桥型已被排除在服务之外, 以避免类似的灾难, 而新的桥梁设计的关键细节易于检查。

根据这一逻辑, 工程师们不仅在建造桥梁时, 而且在设计直升机和其他飞机以及汽车和卡车时, 也采用容错设计, 因为所有这些结构都对由于旋转而造成的疲劳故障非常敏感。他们的发动机的运动在高转速。

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 F_y = 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。

最后的结果, 在重音范围与周期的数量, 应该被列出 (表 2) 和绘制, 如图2所示。试样的实际屈服应力为 65.3 ksi, 其抗拉强度为 87.4 ksi, 因此所示应力范围对应于产量的23% 和92%。

表2。典型结果

数据表明, 在数个小于10万的循环中, 如果应力范围超过 15 ksi, 则应力范围与周期数的对数之间的线性关系呈下降趋势。最适合的线, 然后, 表示应力范围为 25 ksi 的周期的次数到失败是大约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。

图 2:产生 s-N 曲线.请单击此处查看此图的较大版本.

如果假设桥的循环荷载历史由多个周期 (N_exp) 和应力范围 (SR) (表 3) 组成, 并且我们知道材料的疲劳行为, 我们可以使用矿工的规则来计算周期到失败通过寻找 N_最大从图2中的图中, 并在所有应力范围内求和 n 的_最大值/n。

表3。矿工规则的计算

正如预期的那样, percentagewise, 较高的应力范围对损伤累积的影响更大。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。

疲劳失效在受循环荷载作用的结构中很常见, 如桥梁被重型卡车装载。 这种失效类型是由于在大应力集中或多轴应力区域内存在的小裂纹的增长。初始裂纹扩展速度非常慢, 但随着时间的推移而加速, 最终达到了临界尺寸, 之后裂纹以声音和故障的速度传播。 控制疲劳行为的主要参数是循环次数和应力范围。在本试验中, 采用旋转梁机将大量的张力和压缩交替循环施加到小圆梁上。 研究结果不仅表明了 s-N 曲线的典型趋势, 而且也显示了该类试验所期望的显著散射。

研究疲劳故障有助于飞机工程师了解彗星客机的著名故障。DeHavilland 公司在1952年建造了彗星客机, 使它成为当时最先进的客机, 将飞行时间从东京减半到伦敦。它飞行在相对地高海拔达到这个速度, 因此它是第一架喷气机将被加压。在三家航空公司在短短两年的飞行中爆炸后, 工程师们被指控确定故障的源头。为了测试正常使用条件的影响, 他们把飞机的机身和水淹没在游泳池中, 模拟增压和去增压。工程师们确定失败是由于在反复加载的情况下, 窗户角落的应力集中。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。尽管 DeHavilland 公司正在处理这一安全问题, 但波音在开发波音707客机方面吸取了教训, 这是一系列非常成功的飞机的第一架。波音公司蓬勃发展, 现在是世界各地飞机的领先制造商。今天, 任何受大量负载循环的产品的成功开发都需要大量的分析和实验工作来描述疲劳行为, 除了实施严格的检查计划,利用容错设计概念。

另一例疲劳破坏发生在烈酒河大桥在1997年。最近在特拉华州的烈酒河 I-95 大桥上发现了一个明显的裂缝。钢梁桥在威尔明顿市中心以北有六条交通车道。裂缝位于桥梁主跨度中跨度的筋膜梁上。整个底部法兰断裂, 裂纹延伸到上部法兰的0.3 米以内。在这种情况下, 一条跟踪的慢跑者在看到了失败的证据后就通知了当局。 由于筋膜梁是轻加载和桥梁有许多额外的梁 (即显示冗余在其负载路径), 幸运地避免了灾难性的失败。