Понимание предела усталости материала

Уровень напряжения, ниже которого к материалу может быть приложено неограниченное количество циклов нагружения, не вызывая усталостного разрушения, известен как предел усталости или предел выносливости. Алюминий и медь, с другой стороны, не разрушаются и в конечном итоге разрушаются даже при малых амплитудах напряжения. Некоторые металлы, такие как сплавы железа и титана, имеют четкое ограничение.

Фраза «усталостная прочность» или «долговечность» используется, когда материал не имеет четкого предела и определяется как максимальное значение полностью обратного напряжения изгиба, которое материал может выдержать в течение заданного количества циклов до выхода из строя из-за истощения. .

Циклические напряжения, остаточные напряжения, характеристики материала, внутренние дефекты, размер зерна, температура, геометрия конструкции, качество поверхности, окисление, коррозия и т. д. — все это влияет на усталостную долговечность. Для некоторых материалов, в первую очередь для стали и титана, существует теоретическое значение амплитуды напряжения, ниже которого материал не разрушится ни при каком количестве циклов. Это значение называется пределом выносливости, пределом выносливости или усталостной прочностью.

В этой статье будут обсуждаться следующие вопросы:

• Что такое предел усталости?
• Кто открыл предел усталости?
• Определения предела усталости
• Каковы типичные значения предела усталости?

Что такое предел усталости?

Уровень напряжения, ниже которого к материалу может быть приложено неограниченное количество циклов нагрузки, не вызывая усталостного разрушения, называется пределом усталости или пределом выносливости.

Для расчета усталостной долговечности материала инженеры используют различные методы. Подход «напряжение-срок», который является одним из наиболее полезных, часто характеризуется кривой S-N, также известной как кривая Велера. На рисунке показана эта техника. На графике зависимости срока службы компонента или количества циклов до отказа отображается приложенное напряжение (S) (N).

Срок службы компонентов сначала растет медленно, а затем довольно быстро, когда напряжение падает с высокого значения. Данные, использованные для построения кривой, будут обрабатываться статистически, поскольку усталость, как и хрупкое разрушение, имеет переменную природу. Разброс результатов является результатом чувствительности усталости к нескольким тестам и параметрам материала, которые трудно должным образом регулировать.

Циклические напряжения, остаточные напряжения, характеристики материала, внутренние дефекты, размер зерна, температура, геометрия конструкции, качество поверхности, окисление, коррозия и т. д. — все это влияет на усталостную долговечность. Для некоторых материалов, в первую очередь для стали и титана, существует теоретическое значение амплитуды напряжения, ниже которого материал не разрушится ни при каком количестве циклов. Это значение называется пределом выносливости, пределом выносливости или усталостной прочностью.

Кто открыл предел усталости?

Август Велер впервые предложил идею предела выносливости в 1870 году. Однако недавние исследования утверждают, что для металлических материалов не существует пределов выносливости и что при достаточном количестве циклов нагрузки даже самое низкое напряжение в конечном итоге приведет к усталостному разрушению.

Определения предела усталости

Для кривой S-N определены следующие термины:

Предел усталости

Уровень напряжения, ниже которого усталостное разрушение не происходит, известен как предел усталости (иногда называемый пределом выносливости). Только некоторые сплавы титана и железа (на основе железа) могут достичь этого предела, потому что кривая S-N для этих материалов становится горизонтальной при более высоких значениях N. Другие конструкционные металлы, такие как алюминий и медь, не имеют четкой точки разрушения и постепенно выходят из строя даже при незначительных нагрузках. Стандартные пределы для сталей варьируются от 290 МПа до 1/2 предела прочности при растяжении (42 тыс. фунтов на кв. дюйм).

Усталостная прочность

Согласно ASTM, усталостная прочность, или SNf, представляет собой уровень напряжения, при котором происходит разрушение после заданного количества циклов (например, 107 циклов). Например, отожженный титановый сплав Ti-6Al-4V имеет усталостную прочность около 240 МПа при 107 циклах и коэффициенте концентрации напряжений =3,3.

Усталостная долговечность

Усталостное поведение материала определяется его усталостной долговечностью. Согласно графику S–N, это количество циклов, необходимое для отказа при заданном уровне нагрузки.

Существует три отдельных этапа процесса усталостного разрушения:

Инициирование разрушения происходит, когда незначительная трещина развивается в месте концентрации высокого напряжения. Распространение трещины, при котором каждый цикл напряжения заставляет трещину немного двигаться вперед. Фаза роста трещины часто занимает большую часть усталостной долговечности. Как только расширяющаяся трещина достигает критического размера, окончательный отказ происходит очень быстро.

В какой-то момент концентрации напряжения на поверхности компонента почти всегда начинаются (или «зарождаются») трещины, связанные с усталостным разрушением. Любой фактор, увеличивающий концентрацию напряжений и возникновение трещин, сокращает усталостную долговечность. В результате усталостная долговечность улучшается за счет полировки, а не шлифовки до более высокого качества поверхности. Усталостная долговечность металлических компонентов также будет улучшена за счет укрепления и упрочнения поверхностных слоев.

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о пределе усталости:

Каковы типичные значения предела усталости?

Предел (Se) для сталей обычно колеблется от 290 МПа до половины предела прочности при растяжении (42 ksi). (Se) обычно в 0,4 раза превышает предел прочности при растяжении для сплавов из железа, алюминия и меди.

Максимальные обычные значения для меди составляют 97 МПа, алюминия 130 МПа (19 тысяч фунтов на квадратный дюйм) и железа 170 МПа (24 тысячи фунтов на квадратный дюйм) (14 тысяч фунтов на квадратный дюйм). Обратите внимание, что эти значения относятся к образцам для испытаний, которые были гладкими и «без надрезов». Для образцов с надрезами предел выносливости значительно ниже.

Было продемонстрировано, что предел выносливости полимерных материалов представляет собой присущую ударную вязкость ковалентных связей, которые необходимо разрушить, чтобы образовалась трещина. Когда нагрузки остаются ниже собственной прочности, полимер может работать неограниченное время без образования трещин до тех пор, пока другие термохимические процессы не разрушат полимерную цепь.

Вкратце

Для расчета усталостной долговечности материала инженеры используют различные методы. Подход «напряжение-срок», который является одним из наиболее полезных, часто характеризуется кривой S-N, также известной как кривая Велера. На рисунке показана эта техника. На графике зависимости срока службы компонента или количества циклов до отказа отображается приложенное напряжение (S) (N).

Уровень напряжения, ниже которого к материалу может быть приложено неограниченное количество циклов нагружения, не вызывая усталостного разрушения, известен как предел усталости или предел выносливости. Это все, что касается этой статьи, в которой даны ответы на следующие вопросы:

• Что такое предел усталости?
• Кто обнаруживает предел усталости?
• Определения предела усталости
• Каковы типичные значения предела усталости?

Надеюсь, вы многому научились из прочитанного, если да, поделитесь с другими. Спасибо за прочтение, увидимся!