7 Основы усталости: Понимание, профилактика и контроль | MachineMFG

7 Основы усталости: Понимание, профилактика и контроль

0
(0)

1. Что такое усталость?

Усталость - это снижение структурных характеристик материалов, особенно металлов, при циклическом воздействии на них напряжения или деформации, что в конечном итоге приводит к разрушению.

Усталостное разрушение - одна из распространенных форм разрушения.

Исследования показывают, что на усталостные разрушения приходится от 60 до 70% отказов в различной технике.

Усталостный перелом Разрушение классифицируется как хрупкое разрушение при низких напряжениях, и обнаружить значительную пластическую деформацию при усталости довольно сложно, поскольку она возникает в основном в результате локальной пластической деформации и происходит в слабых местах конструкции.

Хотя частота может играть роль в усталостном разрушении, оно обычно связано с количеством циклов, а не с частотой.

В соответствии с характеристиками напряжения, вызывающего усталостное разрушение, его можно разделить на две категории:

  • Механическая усталость, вызванная механическим напряжением, и
  • Термическая усталость, вызванная переменным тепловым напряжением.

Что касается времени цикла, то усталость можно разделить на:

  • Высокий цикл,
  • Низкий цикл, и
  • Усталость при сверхвысоких циклах.

По свойствам нагрузки усталость можно разделить на:

  • Усталость от растяжения и сжатия,
  • Усталость при кручении и
  • Усталость при изгибе.

В зависимости от условий работы заготовки, усталость можно разделить на:

  • Коррозионная усталость,
  • Усталость при низких температурах и
  • Высокотемпературная усталость.

Стоит отметить, что прочность материалов и конструкций до усталостного разрушения называется "пределом усталости".

2. Виды усталости

1. Усталость от удара

Это усталость, вызванная повторяющимися ударными нагрузками.

Когда количество ударов N меньше 500-1000, детали могут получить повреждения, а форма разрушения деталей будет похожа на форму разрушения от одного удара.

Если количество ударов превышает 105, разрушение детали классифицируется как усталостное разрушение, демонстрируя типичные характеристики усталостного разрушения.

При расчете конструкции, если количество ударов превышает 100, прочность должна быть рассчитана методом, аналогичным анализу усталости.

2. Контактная усталость

Под воздействием циклических контактных напряжений детали постепенно и необратимо повреждаются на местном уровне.

После определенного количества циклов на поверхности контакта образуется питтинг, неглубокое или глубокое отслоение, которое называется контактной усталостью.

Контактная усталость - распространенный способ разрушения зубчатых колес, подшипников качения и распределительных валов.

3. Термическая усталость

Материалы или детали, которые испытывают усталость из-за циклических тепловых нагрузок, вызванных изменением температуры, называются термической усталостью.

Циклические изменения температуры приводят к циклическим изменениям объема материала.

Когда способность материала свободно расширяться или сжиматься ограничена, возникает циклическое тепловое напряжение или циклическая тепловая деформация.

Существует в основном два вида теплового стресса:

На тепловое расширение и сжатие деталей влияют ограничения, накладываемые неподвижными деталями, что приводит к возникновению тепловых напряжений.

В отсутствие внешних ограничений несовпадение температур между частями двух изделий приводит к неравномерному тепловому расширению и сжатию, что приводит к возникновению тепловых напряжений.

Колебания температуры также вызывают изменения во внутренней структуре материала, снижая его прочность и пластичность.

В условиях термической усталости распределение температуры неравномерно, что приводит к серьезным пластическим деформациям, большим градиентам температуры и концентрации термических деформаций.

Когда тепловая деформация превышает предел упругости, зависимость между тепловым напряжением и тепловой деформацией перестает быть линейной и должна рассматриваться как упругопластическая зависимость.

Трещины термической усталости начинаются от поверхности и распространяются вглубь, перпендикулярно поверхности.

Тепловое напряжение пропорционально коэффициенту теплового расширения, причем большие коэффициенты приводят к большему тепловому напряжению.

Поэтому, выбор материала следует учитывать соответствие материалов, при этом разница в коэффициентах теплового расширения не должна быть слишком большой.

При одинаковых условиях термической деформации, чем больше модуль упругости материала, тем выше термическое напряжение.

Чем больше изменение температурного цикла, т.е. разница между верхней и нижней предельными температурами, тем выше тепловой стресс.

Чем ниже теплопроводность материала, тем круче градиент температуры и тем больше тепловое напряжение при быстром ускорении или охлаждении.

4. Коррозионная усталость

Усталость, вызванная совместным действием коррозионной среды и циклических напряжений, называется коррозионной усталостью.

Повреждения, вызванные совместным действием коррозионной среды и статического напряжения, называются коррозией под напряжением.

Ключевое различие между ними заключается в том, что коррозия под напряжением возникает только в определенных коррозионных средах, в то время как коррозионная усталость может возникнуть в любой коррозионной среде под воздействием циклических напряжений.

Для коррозионного растрескивания под напряжением существует критический коэффициент интенсивности напряжений, известный как KISCC. Если коэффициент интенсивности напряжений KI меньше или равен KISCC, коррозионное растрескивание под напряжением не произойдет. Однако для коррозионной усталости не существует критического коэффициента интенсивности напряжения, и разрушение будет происходить до тех пор, пока в коррозионной среде существует циклическое напряжение.

Разница между коррозионной усталостью и усталостью на воздухе заключается в том, что, за исключением нержавеющей стали и азотированной стали, поверхности механических деталей, подверженных коррозионной усталости, обесцвечиваются. Кроме того, коррозионная усталость приводит к появлению большого количества трещин, в отличие от одной. Кривая S-N для коррозионной усталости не имеет горизонтального участка.

Важно отметить, что предел коррозионной усталости является лишь условным и основан на определенном сроке службы. Факторы, влияющие на коррозию усталостная прочность являются более сложными, чем те, которые влияют на усталость в воздухе. Например, если частота усталостных испытаний не влияет на предел усталости в воздухе, когда она составляет менее 1000 Гц, то она оказывает влияние на коррозионную усталость во всем диапазоне частот.

3. Усталостная прочность

Когда материал или механический компонент выходит из строя, общий срок службы обычно состоит из трех частей:

1. Срок службы при зарождении трещин

Значительное число инженерных исследований показало, что ресурс зарождения трещин в механических компонентах составляет значительную часть, вплоть до 90%, общего усталостного ресурса при реальной эксплуатации.

2. Стабильный ресурс роста трещин

В большинстве случаев, когда глубина микротрещины достигает примерно 0,1 мм, она начинает непрерывно расти вдоль участка материала или детали.

3. Нестабильность распространяется на срок службы трещины

4. Форма усталости металлических материалов

Усталость металлических материалов в основном включает в себя следующее:

  • Общая пластическая деформация;
  • Усталостная пластическая деформация при низких циклах;
  • Усталостная пластическая деформация при высоких циклах;
  • Сверхвысокочастотная усталостная микропластическая деформация кристаллического размера.

5. Факторы, влияющие на усталостную прочность материалов и конструкций

1. Среднее напряжение

С ростом среднего напряжения (статистического напряжения) динамическое противоусталостное напряжение материалов снижается.

Для сил с одинаковыми характеристиками, чем больше среднее напряжение σmтем меньше амплитуда напряжения σa для данной продолжительности жизни.

2. Концентрация напряжений

Из-за требований условий работы или технологий обработки детали часто имеют такие особенности, как ступеньки, мелкие отверстия, шпоночные пазы и т.д. Эти особенности вызывают резкие изменения в поперечном сечении, что приводит к локальной концентрации напряжений, которая значительно снижает предел усталости материала.

Эксперименты показали, что снижение предела усталости не прямо пропорционально коэффициенту концентрации напряжений.

Для точного прогнозирования усталостных характеристик механических компонентов необходимо оценить время зарождения трещин в областях с высокими напряжениями или производственными дефектами.

3. Остаточное напряжение

В обзоре литературы подчеркивается, что целесообразно рассматривать только влияние остаточное напряжение на усталостную прочность металла при высокоцикловой усталости. Это объясняется тем, что остаточное напряжение сильно ослабевает при высокой амплитуде деформации при малоцикловой усталости и поэтому не оказывает большого влияния на малоцикловую усталость.

Поверхностное остаточное сжимающее напряжение является преимуществом для деталей, подвергающихся осевой нагрузке, и когда усталостная трещина возникает на поверхности. Однако необходимо помнить о проблеме релаксации остаточных напряжений, вызванной выходом остаточных растягивающих напряжений в области сердцевины после приложения внешней нагрузки.

Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность деталей с надрезом весьма существенно. Это объясняется тем, что остаточные напряжения содержат концентрацию напряжений и оказывают большее влияние на рост усталостной трещины.

Однако концентрация остаточных напряжений зависит не только от геометрии выемки, но и от свойства материала.

4. Эффект размера

Предельное значение усталости материала, обозначаемое как σ-1, обычно определяется на небольшом образце, диаметр которого обычно составляет от 7 до 12 мм. Однако поперечное сечение реальных компонентов часто превышает этот размер.

Испытания показали, что предел усталости снижается с увеличением диаметра образца.

В частности, для высокопрочной стали предел усталости снижается быстрее, чем для низкопрочной.

5. Состояние поверхности члена

Поверхность детали склонна к образованию усталостной трещины, а поверхностное напряжение детали при знакопеременной изгибающей или знакопеременной крутящей нагрузке является наибольшим.

Шероховатость поверхности детали и наличие следов от обрабатывающего инструмента могут влиять на ее усталостную прочность.

Повреждения поверхности, такие как следы от инструмента или следы износа, действуют как поверхностная насечка, вызывая концентрацию напряжений и снижая предел усталости.

Чем выше прочность материала, тем более чувствителен он к надрезам, и тем большее влияние оказывает качество обработанной поверхности на предел усталости.

6. Экологические факторы

Усталостное поведение металлические материалы зависит от окружающей жидкой или газовой среды. Коррозионная усталость" относится к реакции металлические материалы к совместному воздействию агрессивной среды и циклических нагрузок, обычно в водной среде.

Различные условия окружающей среды, такие как коррозионная усталость, низкотемпературная усталость, высокотемпературная усталость, а также изменение давления и влажности воздуха, могут влиять на усталостное поведение материалов. В атмосферных условиях количество циклов разрушения материала обычно меньше, чем в вакууме, а срок зарождения трещин в вакуумных условиях больше.

Когда деталь работает при давлении воздуха, близком к критическому (Pcr), ее усталостная долговечность становится очень чувствительной. Усталостная долговечность материалов в атмосферных условиях, которая обычно ниже, чем в вакууме, снижается с повышением температуры, ускоряя рост трещин.

Влажность окружающей среды оказывает значительное влияние на долговечность высокопрочной хромистой стали. Водяной пар, особенно при комнатной температуре, может ослабить сопротивление разрушению большинства металлов и сплавов в зависимости от уровня напряжения, соотношения нагрузок и других условий нагружения.

Наблюдается сильное взаимодействие между микроструктурой и окружающей средой, причем газовая среда влияет на морфологию трещины и механизм скольжения дислокаций. Окружающая среда также взаимодействует с закрытием трещины, особенно в околопороговой области. Влияние среды зависит от морфологии поверхности трещины, особенно в направлении глубины.

При низких температурах, прочность металла увеличивается, а пластичность уменьшается. В результате прочность гладких образцов на усталость при высоких циклах выше при низких температурах, но прочность на усталость при низких циклах ниже. Для образцов с насечками вязкость и пластичность снижаются еще больше. Низкие температуры могут быть особенно губительны для надрезов и трещин, так как критическая длина усталостной трещины при разрушении резко уменьшается.

Под "обобщенной высокотемпературной усталостью" понимается усталость, возникающая при температурах, превышающих нормальные. Хотя некоторые детали могут работать при температурах выше комнатной, высокотемпературная усталость наблюдается только тогда, когда температура превышает в 0,5 раза температуру плавления (Tm) или выше температуры рекристаллизации. При таких повышенных температурах происходит как ползучесть, так и механическая усталость, что приводит к высокотемпературной усталости.

7. Тип нагрузки

Порядок предельной усталости при различных нагрузках следующий: вращательный изгиб < плоский изгиб < нагрузка на сжатие < нагрузка на кручение.

В коррозионной среде влияние частоты нагружения на развитие трещин очевидно.

При комнатной температуре и в условиях испытаний обычные частоты (0,1-100 Гц) оказывают минимальное влияние на рост трещин в стали и латуни.

В целом, если частота нагружения при испытаниях не превышает 250 Гц, влияние частоты на усталостную прочность металлических материалов минимально.

8. Дефекты материалов

Трещины обычно возникают на поверхности, например, в сварном шве (проушина), в литой стали (рыхлая) или под землей (крупные включения, изменяющие локальное поле деформации), но редко встречаются внутри.

Зарождение трещин также зависит от количества, размера, типа и распределения включений, а также от направления приложенных внешних сил.

Нельзя упускать из виду прочность связи между включениями и матрицей.

Микротрещины - самые опасные дефекты в материалах, срок службы которых составляет миллион циклов. Микроструктуры управляют сроком службы материалов, срок службы которых составляет миллиард циклов.

Учитывая, что вероятность появления дефектов в микроразмерных материалах гораздо выше, чем на поверхности материала, вероятность зарождения трещин при сверхвысокоцикловом усталостном нагружении в материале, естественно, выше, чем на поверхности.

Хрупкие материалы не подвергаются уменьшению напряжения или упрочнению.

При наличии выемки разрушение может произойти при низком номинальном напряжении.

Было замечено, что при наличии надреза предел усталости металла снижается, причем большее влияние на предел усталости оказывают материалы с меньшей пластичностью.

9. Метод обработки

В литературе подчеркивается, что процесс подготовки образцов для усталостных испытаний является критическим фактором, который вносит свой вклад в вариабельность результатов испытаний.

Например, процессы точения, фрезерования, правки и другие методы обработки влияют на конечное качество подготовки образцов.

Это связано с тем, что метод подготовки и факторы термообработки могут влиять на усталостные характеристики материалов, особенно термообработка, что затрудняет получение стабильных результатов даже при проведении испытаний одной и той же партии, размера и морфологии.

Очевидно, что факторы производства и обработки заготовки приводят к тому, что фактический усталостный ресурс деталей будет отличаться от ожидаемого значения, рассчитанного в результате анализа.

10. Свойства материалов

Твердость материала является ключевым фактором, определяющим усталостную прочность при больших циклах (когда N > 106), в то время как вязкость является важным показателем для средне- и малоцикловой усталости.

Высокопрочная сталь имеет низкую вязкость и, следовательно, низкие усталостные характеристики в условиях высоких напряжений. Однако она обладает хорошей усталостной прочностью в условиях низких напряжений.

Низкопрочная сталь обладает умеренными усталостными характеристиками.

В целом, чем выше модуль упругости, тем медленнее скорость роста трещины.

Влияние размера зерна на рост трещин существенно только в экстремальных случаях (△ K → △ Kth и △ Kmax → △ KC) и слабо сказывается на среднескоростном росте трещин.

Скорость распространения связана с вязкостью разрушения KIC (или KC).

Принято считать, что увеличение вязкости материала снижает скорость роста трещин.

6. Дискретность данных усталостных испытаний

Разброс данных усталостных испытаний может быть связан с оборудованием для испытаний и самим образцом.

Согласно литературным данным, ошибка в 3% в номинальной нагрузке по сравнению с фактической может привести к ошибке в 60% в усталостном ресурсе, а в экстремальных случаях - к ошибке в 120% в ресурсе.

Хотя погрешность в 3% является приемлемой для машин для испытаний на усталость, отмечается, что при статических испытаниях на разрушение значительной дисперсии не наблюдается, даже для материалов с большим разбросом прочности, таких как литейные материалы и стекло.

На изменчивость результатов усталостных испытаний влияют свойства материала, включая собственные свойства материала, а также процесс подготовки и внешняя среда испытания. Процесс подготовки, в частности термообработка, является наиболее критическим фактором, приводящим к разбросу данных.

Включения и частицы второй фазы в материалах также вносят существенный вклад в дисперсию данных, однако механизм, лежащий в основе этого явления, до сих пор неизвестен.

7. Разработка методов расчета усталости конструкций

Метод безопасной жизни:

Расчетное напряжение ниже предела усталости, и считается, что в конструкции нет дефектов.

Безотказный метод:

Расчетное напряжение связано с остаточной прочностью при наличии плоских дефектов, и этот метод расчета допускает приемлемый уровень таких дефектов.

Метод безопасной трещины:

Конечно, допускается распространение трещин, которые можно предсказать с уверенностью.

Метод локального разрушения:

Технология испытаний на усталость при сверхвысоких циклах, появившаяся в 1990-х годах, показала, что даже небольшие микродефекты, такие как шлаковые включения, пористость и крупные зерна, образующиеся при ковке, могут существенно влиять на усталостную прочность материалов.

Для стальных материалов, когда данные усталостных испытаний отсутствуют, можно построить приблизительную S-N-кривую, основываясь на пределе прочности материала на растяжение.

Этот метод оценки, который связывает предел усталости с прочностью на растяжение и удлинением при разрыве образца, является высокоточным.

При анализе усталости материалов и конструкций для получения точных и надежных данных необходимо опираться на результаты испытаний, а не только на упруго-пластические расчеты.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх