Materialtrötthet

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 7 december 2021; kontroller kräver 5 redigeringar .

Materialtrötthet ( engelska  fatigue of materials ) - försämring av materialets mekaniska egenskaper som ett resultat av den gradvisa ansamlingen av skador under inverkan av varierande (ofta cykliska) spänningar med bildandet och utvecklingen av sprickor , vilket orsakar dess förstörelse över en särskild tid. Denna typ av misslyckande kallas trötthetsfel .

Fenomenet med en minskning av styrkan hos maskindelar under inverkan av en cyklisk belastning upptäcktes redan i mitten av 1800-talet. Detta fungerade som grunden för skapandet av en ny riktning i vetenskapen om styrkan hos material och strukturer, kallad "fysik av utmattning av material".

Historik

Den första studien som tar upp frågan om materialutmattning är arbetet av Wilhelm Albert publicerad 1838 [1] [2] . Termen "trötthet" tillhör helt klart F. Braithwaite ( eng.  Frederick Braithwaite (1854) [3] , även om Poncelet , redan 1839, i sina föreläsningar vid militärskolan i Metz , karakteriserade tillståndet för metaller efter cykliska belastningar som " Trötthet".

På 1858-1870-talet började den tyske ingenjören August Wöhler systematiska studier av materialutmattning, huvudsakligen ägnade åt studier av utmattning av järnvägsaxlar [2] . I synnerhet studerade han driftsförhållandena för dessa delar, skapade utrustning som gjorde det möjligt att reproducera deras driftsförhållanden i laboratorieförhållanden och byggde utmattningskurvor för de studerade materialen.

På 1880 -talet etablerade I. Bauschinger ( Bauschinger- effekten ) en förändring av elasticitetsgränsen för material under upprepad variabel belastning och bevisade skillnaden mellan deformationsprocesser under statiska och cykliska belastningar, och upptäckte även hysteresloopar i deformationsdiagrammet i spänningen -töjningskoordinater.

År 1903 upptäckte James Alfred Ewing och D. Humphrey förekomsten av så kallade glidband på ytan av prover utsatta för varierande belastningar, och fann att de är en förutsättning för uppkomsten av utmattningssprickor i metaller [4] [5] . Ytterligare studier [6] visade att förekomsten av skjuvband vid spänningar som är signifikant lägre än sträckgränsen är förknippad med metallernas strukturella inhomogenitet, vilket leder till betydande deformationer av enskilda lokala volymer av materialet, och även att under cyklisk belastning, process av plastisk deformation är lokaliserad , på provets yta observeras ofta utseendet av utskjutande (extrudering) och nedtryckta (intrång) sektioner av materialet. På den submikrostrukturella nivån övervägs mekanismerna som leder till initieringen av utmattningssprickor med hjälp av begreppen dislokationsteorin.

I början av 1900-talet publicerades de första studierna i det ryska imperiet om utmattning av material, vars författare var de ukrainska forskarna M. Voropaev [7] och K. Siminsky [8] .

Under 1900-talets första hälft studerades de fenomenologiska mönstren för ansamling av i material och formulerades skadesummeringshypoteser som gör det möjligt att förutsäga hållbarhet vid varierande amplituder;utmattningsskador [8] .

Materialutmattningsforskningen utvecklades intensivt under 1945-1960-talet i samband med utmattningshaveri i flygplanskonstruktioner, vilket i första hand fick katastrofala konsekvenser (krascher av det första kommersiella jetflygplanet "Kometa", 1954). Samtidigt studerades lagarna för spridning av data från den experimentella bestämningen av uthållighetsgränsen och antalet cykler till materialfel och metoder skapades för att ta hänsyn till dem vid design av maskiner och strukturer. grundläggande koncept för brott under lågcykelbelastning formulerades, nya tillvägagångssätt utvecklades för att bedöma hållbarheten hos material och strukturer, när grunden för sprickförutsägelsen inte togs av stress, utan av deformation, i synnerhet dess plastkomponent [8] .

1961 föreslog P. Peris en ekvation som relaterar tillväxthastigheten för utmattningssprickor till värdet av stressintensitetsfaktorn [9] [10] . På grundval av dessa och andra kriterier för brottmekanik har en betydande mängd forskning utförts, som ett resultat av vilket huvudlagarna för utvecklingen av utmattningssprickor har fastställts, med hänsyn till hela komplexet av faktorer som uppstår under driftsförhållanden.

Typer av trötthet

Termen "utmattning" används för att beteckna den avgörande faktorn i typen av fel i form av en oväntad plötslig separering av en del eller maskinelement i två eller flera delar som ett resultat av cykliska belastningar eller deformationer under en tid . Förstörelse sker genom initiering och utbredning av en spricka, som blir dess orsak när den når en viss kritisk storlek och blir instabil och ökar snabbt. Antalet belastningscykler vid vilka fel uppstår beror på nivån på den verkande spänningen - med en ökning av variabla spänningar minskar antalet cykler som krävs för initiering och utveckling av en spricka. Belastningarna och påkänningarna vid vilka utmattningsbrott vanligtvis uppstår är mycket lägre än de som leder till brott under statiska förhållanden. När storleken på belastningar och förskjutningar är sådana att fel inträffar efter mer än 10 000 cykler, kallas fenomenet vanligen högcykelutmattning. När värdena på belastningar och förskjutningar är sådana att fel inträffar inom mindre än 10 000 cykler kallas fenomenet lågcykelutmattning .

När cykliska belastningar och deformationer uppstår i delar som ett resultat av verkan av ett cykliskt varierande temperaturfält, kallas fenomenet vanligen för termisk utmattning.

Fraktur, känd som ytutmattning, uppstår vanligtvis i närvaro av roterande kontaktytor. Det manifesterar sig i form av gropbildning , sprickbildning och sönderfall av kontaktytorna som ett resultat av inverkan av kontaktspänningar, under påverkan av vilka, på ett grunt djup, de maximala cykliska skjuvspänningarna uppstår nära ytan. Dessa spänningar leder till att det bildas sprickor som uppstår på ytan, medan vissa partiklar av materialet separeras. Detta fenomen kan ofta ses som en form av slitage .

Nötningströtthet  är processen för ackumulering av skador och aktivering av ytmaterial som är i kontakt och utför oscillerande relativa rörelser med en liten amplitud under inverkan av en cyklisk belastning, vilket orsakar varierande skjuvningsdeformationer av ytskikt, fastnar och separerar partiklar, utseendet av oxider , accelererad sprickbildning och förstörelse av föremålet [11] . Ytskador och mikrosprickor som uppstår som ett resultat av nötning spelar rollen som utmattningssprickkärnor, som ett resultat av vilka utmattningsbrott uppstår under sådana belastningar som inte skulle orsaka fel under andra förhållanden.

Slagutmattning uppstår när brott uppstår vid upprepade krockbelastningar på grund av bildandet och fortplantningen av utmattningssprickor.

Korrosionsutmattning är en komplex typ av brott, där de negativa effekterna av korrosion och växlande belastning kombineras, vilket leder till brott [12] . I korrosionsprocessen bildas ofta gropar på metallytan, som blir spänningskoncentratorer. Som ett resultat av stresskoncentration påskyndas processen med utmattningsfel. Dessutom fungerar sprickor i det spröda lagret av korrosionsprodukter som kärnor för utmattningssprickor som fortplantar sig in i basmetallen. Å andra sidan, som ett resultat av inverkan av cykliska spänningar eller deformationer, uppstår sprickbildning och flagning av korrosionsprodukter, det vill säga att det korrosiva mediet öppnas till nya metallskikt. Därmed accelererar båda processerna varandra, och risken för förstörelse ökar.

Materialutmattningsegenskaper

De nominella värdena för maximala spänningar under förhållanden med variabel belastning är mindre än draghållfastheten och i allmänhet mindre än materialets sträckgräns . Egenskapen för ett material att arbeta under cykliska belastningar kännetecknas av uthållighetsgränsen  - den maximala cykelspänningen i absolut värde, vid vilken det fortfarande inte sker någon förstörelse från utmattning under ett givet antal belastningscykler, vilket kallas testbasen (N 0 ) [13] . Dess värde beror på materialets struktur och defekter, tillverknings- och bearbetningsteknik, yttillstånd, testmiljö och temperatur, spänningskoncentration, provstorlek, belastningstillämpningsläge, och så vidare, och kan variera (under de mest ogynnsamma förhållanden, minska 5-10 gånger jämfört med materialets draghållfasthet). Dessa egenskaper orsakar betydande svårigheter vid utformningen av maskiner och strukturer på grund av behovet att utesluta deras utmattningsfel. Som praxis visar är 50-80% av haverier av maskiner och strukturer förknippade med materialutmattning [8] .

Ett materials förmåga att motstå brott under tidsvarierande påfrestningar kallas uthållighet.

Huvudegenskaperna för utmattningsmotstånd bestäms från utmattningskurvan, som kännetecknar förhållandet mellan de maximala spänningarna eller cykelamplituderna och provernas cykliska hållbarhet. En grafisk representation av det resulterande förhållandet mellan cykelspänningsamplituder och antalet cykler till brott kallas utmattningskurvan eller Weller-diagrammet (kurvan) (August Weller August Wöhler , tysk ingenjör).

I allmänhet kan utmattningskurvan, som beskriver sambandet mellan maximala spänningar och antalet cykler till brott N p , delas upp i tre sektioner. I avsnitt I uppstår brott till följd av riktad plastisk deformation upp till brotttöjningen, vilket är ungefär lika med brotttöjningen vid statisk belastning. I avsnitt II inträffar brott efter ett relativt litet antal belastningscykler (N p ≤ 2⋅10 4 cykler) och utmattningsspricktillväxt åtföljs av betydande plastiska deformationer. Denna typ av fel kallas lågcykelutmattningsfel. I avsnitt II och III uppstår fel på grund av initiering och utbredning av en utmattningsspricka. Vid sprickan kan som regel två sektioner urskiljas: en finfiberstruktur, som är typisk för tillväxten av en utmattningsspricka, och en grovkornig sektion av den slutliga sprickan.

I avsnitt III förstörs materialet efter ett stort antal belastningscykler med liten amplitud. I detta avseende kallas sektion II sektionen av lågcykelutmattning; III - en plats för hög cykel trötthet, eller helt enkelt trötthet.

Vid provning av vissa material, särskilt kolstål vid rumstemperatur, riktas den högra delen av beroendet till en horisontell linje (N p >10 7 cykler).

Cyklisk hållbarhet förstås som antalet cykler av stress eller deformation som ett föremål tål under belastning till gränstillståndet (bildning av en utmattningsspricka av en viss längd eller fullständig förstörelse).

Om appliceringen av belastningar på materialet är periodisk, kallas totaliteten av alla spänningsvärden som förekommer i materialet spänningscykel . Utmattningsmotståndet påverkas huvudsakligen av cykelns minsta (σ min ) och maximala (σ max ) spänningar och amplituden för spänningscykeln . Förhållandet mellan cykelns minsta spänning och maximum, med hänsyn till spänningarnas tecken, kallas  cykelasymmetrikoefficienten och betecknas med bokstaven r

.

Sedan, med en symmetrisk cykel, kommer asymmetrikoefficienten att vara lika med −1, och uthållighetsgränsen under spänning-kompressionsförhållanden kommer att kallas σ −1 , och under torsionsförhållanden τ −1.

Trötthetstest

Utmattningstestning  - Testning av den cykliska belastningen av ett föremål för att bestämma utmattningsmotståndsegenskaper [14] .

Vid utmattningstest bestäms uthållighetsgränsen . För att bestämma uthållighetsgränsen byggs utmattningskurvor. Samtidigt testas minst tio prover för en lastnivå. Trötthetskurvor är byggda i semilogaritmiska eller logaritmiska koordinater [15] .

Det finns olika testscheman: böjning, vridning, spänning, kompression. Den vanligaste utmattningstestmetoden är roterande böjningstest av ett cylindriskt prov, där en böjcykel motsvarar ett varv.

Tillvägagångssätt till studiet av trötthet

Problemet med utmattning av material studeras av specialister inom området mekanik, fysik, kemi, ingenjörsvetenskap och liknande. Deras forskning syftar både till att studera karaktären av utmattningsbrott hos material och att konstruera lämpliga teorier, och på att skapa metoder för att designa maskiner och strukturer som utesluter uppkomsten av deras haverier från utmattning under drift [8] .

Vetenskapen om materialtrötthet kan delas in enligt tillvägagångssätt för studien i:

Förebyggande av trötthetsfel

Den huvudsakliga metoden för att förhindra utmattningsbrott är att modifiera designen av mekanismen för att eliminera cykliska belastningar, eller att ersätta material med sådana som är mindre benägna att utmattningsbrott. En betydande ökning av uthålligheten ger kemisk-termisk behandling av metaller , till exempel ytnitrering .

Termisk sprutning , särskilt höghastighetssprutning med lågor , skapar tryckspänning i beläggningen av materialet och hjälper till att minska benägenheten hos delar till utmattningsbrott. .

Några anmärkningsvärda utmattningsfelkatastrofer

Se även

Notera

  1. ↑ Albert, WAJ Über Treibseile am Harz // Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, 1838, vol. 10, P 215-234.
  2. ↑ 1 2 Schutz, W. (1996). "En historia av trötthet" . Ingenjörsbrottmekanik . 54 (2): 263-300. DOI : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  3. ↑ Braithwaite, F. (1854). "Om utmattning och därav följande brott av metaller" . Institutionen för civilingenjörer, Protokoll . 13 (1854): 463-467. DOI : 10.1680/imotp.1854.23960 . Arkiverad från originalet 2019-08-09 . Hämtad 2021-04-30 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
  4. ↑ Ewing JA, Humphrey JCW Trans. roy. roc (London) (A). Vol. 200, s. 241, 1903.
  5. ↑ Ewing JA, Rosenhain W. Trans. roy. soc (London) (A). Vol. 193, s. 353, 1900.
  6. ↑ Gough HJ, Hanson D. Proc. roy. soc (London) (A). Vol. 104, 1923.
  7. ↑ Beskhmelnitsina M. M. Voropaev Mikhailo Oleksiyovich // Materialtrötthet  // Encyclopedia of modern Ukraine  : [ ukr. ]  : vid 30 t.  / National Academy of Sciences of Ukraine Shevchenko , Institutet för encyklopediska studier vid National Academy of Sciences of Ukraine. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Troshchenko V. T. Materialvolym Arkivexemplar daterad 22 april 2016 på Wayback Machine // Materialtrötthet  // Encyclopedia of modern Ukraine  : [ ukr. ]  : vid 30 t.  / National Academy of Sciences of Ukraine Shevchenko , Institutet för encyklopediska studier vid National Academy of Sciences of Ukraine. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  9. ↑ Paris Paul C; et al. (1961). "En rationell analytisk teori om trötthet" (PDF) . Trenden inom teknik . 13 (1):9-14 . Hämtad 15 juni 2017 .
  10. ↑ Lutz Diana. Paul C. Paris, pionjär inom frakturmekanik, hedrad för sitt arbete . Washington University i St. Louis . Washington University i St. Louis. Hämtad 15 juni 2017. Arkiverad från originalet 9 augusti 2019.
  11. ↑ DSTU 2444-94 Rozrakhunki och testning för mіtsnіst. Opir på vtomі. Villkoren är desamma.
  12. ↑ DSTU 3830-98 Korrosion av metaller och legeringar. Termerna är de viktigaste att förstå.
  13. ↑ DSTU 2825-94 Rozrahunki och testning för mіtsnіst. Termerna är de viktigaste att förstå.
  14. ↑ DSTU 2824-94 Rozrahunki och testning för mіtsnіst. Se och metoder för mekanisk provning. Villkoren är desamma.
  15. ↑ GOST 25.502-79 Beräkningar och hållfasthetsprov inom maskinteknik. Metoder för mekanisk provning av metaller. Utmattningstestmetoder.
  16. ↑ Diskussion i 1879 års bok om Versaillesolyckan . Hämtad 19 december 2020. Arkiverad från originalet 16 april 2007.
  17. ↑ Sohn Emily. Varför den stora melassfloden var så dödlig  . Historiekanalen . A&E Television Networks (15 januari 2019). Hämtad 16 januari 2019. Arkiverad från originalet 16 januari 2021.
  18. ↑ ObjectWiki: Fuselage of de Havilland Comet Airliner G-ALYP . Vetenskapsmuseet (24 september 2009). Hämtad 9 oktober 2009. Arkiverad från originalet 7 januari 2009.
  19. ↑ An-10A krasch av den ukrainska UGA nära Kharkov . airdisaster.ru. Hämtad 4 november 2012. Arkiverad från originalet 4 oktober 2012.
  20. ↑ Markera Cogan: "Den första sprickan" . Hämtad 19 december 2020. Arkiverad från originalet 4 augusti 2021.
  21. ↑ 1 2 Aircraft Accident Report, Aloha Airlines Flight 243, Boeing 737-100, N73711, Near Maui, Hawaii, April 28, 1998 . National Transportation Safety Board (14 juni 1989). Hämtad 5 februari 2016. Arkiverad från originalet 20 januari 2021.
  22. ↑ Olycksbeskrivning på Aviation Safety Network
  23. ↑ Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe . Arkiverad 14 april 2021 på Wayback Machine i: Süddeutsche Zeitung 2 juni 2008.
  24. ↑ Kudryavy V.V. Systemiska orsaker till olyckor  // Hydroteknisk konstruktion. - 2013. - Nr 2 . Arkiverad från originalet den 22 januari 2021.
  25. ↑ Obligatorisk inspektion av alla Boeing 737-motorer efter Southwest Incident - Airways Magazine  , Airways Magazine (  18 april 2018). Arkiverad från originalet den 19 april 2018. Hämtad 18 april 2018.

Källor

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger