Усталость (материал) - Fatigue (material)

Перелом алюминиевого шатуна. Темная область штрихов: медленный рост трещин. Яркая зернистая область: внезапный перелом.

В науке материалов , усталость является инициирования и распространения трещин в материале из - за циклических нагрузок. Как только образовалась усталостная трещина , она немного увеличивается с каждым циклом нагружения, обычно образуя бороздки на некоторых частях поверхности трещины. Трещина будет продолжать расти до тех пор, пока не достигнет критического размера, что происходит, когда коэффициент интенсивности напряжения трещины превышает вязкость разрушения материала, вызывая быстрое распространение и, как правило, полное разрушение конструкции.

Усталость традиционно связывают с выходом из строя металлических компонентов, что привело к термину « усталость металла» . В девятнадцатом веке считалось, что внезапный выход из строя металлических железнодорожных осей был вызван кристаллизацией металла из-за хрупкости поверхности излома, но с тех пор это было опровергнуто. Похоже, что большинство материалов, таких как композиты, пластмассы и керамика, испытывают какие-либо разрушения, связанные с усталостью.

Чтобы помочь в прогнозировании усталостной долговечности компонента, проводятся испытания на усталость с использованием купонов для измерения скорости роста трещины путем применения циклической нагрузки постоянной амплитуды и усреднения измеренного роста трещины за тысячи циклов. Однако существует также ряд особых случаев, которые необходимо учитывать, когда скорость роста трещины значительно отличается от скорости, полученной при испытании с постоянной амплитудой. Такие как: снижение скорости роста, которое происходит для небольших нагрузок около порога или после приложения перегрузки ; и повышенная скорость роста трещин, связанная с короткими трещинами или после приложения недогрузки .

Если нагрузки превышают определенный порог, микроскопические трещины начнут возникать при концентрациях напряжений, таких как отверстия, устойчивые полосы скольжения (PSB), межфазные границы композитов или границы зерен в металлах. Значения напряжения , вызывающего усталостное повреждение, обычно намного меньше, чем предел текучести материала.

Стадии утомления

Исторически усталость была разделена на области многоцикловой усталости , требующие более 10 4 циклов до разрушения, где напряжение низкое, и в первую очередь эластичное, и малоцикловую усталость, где имеется значительная пластичность. Эксперименты показали, что малоцикловая усталость - это тоже рост трещин.

Усталостные отказы, как для высоких, так и для малых циклов, происходят в соответствии с одними и теми же основными этапами процесса зарождения трещины на стадии I, роста трещины на стадии II и, наконец, окончательного разрушения. Чтобы начать процесс, внутри материала должны зародиться трещины. Этот процесс может происходить либо в местах возникновения напряжений в металлических образцах, либо в областях с высокой плотностью пустот в полимерных образцах. Эти трещины сначала медленно распространяются на стадии роста трещины I по кристаллографическим плоскостям, где напряжения сдвига максимальны. Когда трещины достигают критического размера, они быстро распространяются во время роста трещины на стадии II в направлении, перпендикулярном приложенной силе. Эти трещины в конечном итоге могут привести к окончательному разрушению материала, часто с катастрофической хрупкостью.

Инициирование трещины

Формирование начальных трещин, предшествующих усталостному разрушению, в металлических образцах представляет собой отдельный процесс, состоящий из четырех дискретных этапов. Материал будет развивать ячеистую структуру и затвердевать в ответ на приложенную нагрузку. Это вызывает увеличение амплитуды приложенного напряжения с учетом новых ограничений на деформацию. Эти новообразованные клеточные структуры в конечном итоге разрушаются с образованием устойчивых полос скольжения (PSB). Скольжение в материале локализовано в этих PSB, и увеличенное скольжение теперь может служить концентратором напряжений для образования трещины. Зарождение и рост трещины до обнаруживаемого размера составляет большую часть процесса растрескивания. По этой причине циклические усталостные отказы, кажется, происходят так внезапно, когда основная часть изменений в материале не видна без разрушающих испытаний. Даже в обычно пластичных материалах усталостные разрушения будут напоминать внезапные хрупкие разрушения.

Плоскости скольжения, вызванные PSB, приводят к проникновению и вытеснению вдоль поверхности материала, часто происходящему парами. Это скольжение не является изменением микроструктуры в материале, а скорее является распространением дислокаций внутри материала. Вместо гладкого интерфейса вторжения и выдавливания заставят поверхность материала напоминать край колоды карт, где не все карты идеально выровнены. Внедрения и выдавливания, вызванные скольжением, создают на материале очень тонкую структуру поверхности. Поскольку размер поверхностной структуры обратно пропорционален факторам концентрации напряжений, поверхностное скольжение, вызванное PSB, может вызвать возникновение трещин.

Эти этапы также можно полностью обойти, если трещины образуются в уже существующем концентраторе напряжений, например, из-за включения в материал или из-за геометрического концентратора напряжений, вызванного острым внутренним углом или скруглением.

Рост трещины

Большая часть усталостного ресурса обычно расходуется на фазе роста трещины. Скорость роста в первую очередь определяется диапазоном циклических нагрузок, хотя дополнительные факторы, такие как средний стресс, окружающая среда, перегрузки и недогрузки, также могут влиять на скорость роста. Рост трещин может прекратиться, если нагрузки достаточно малы, чтобы упасть ниже критического порога.

Усталостные трещины могут вырасти из-за дефектов материала или изготовления от 10 мкм.

Когда скорость роста становится достаточно большой, на поверхности излома можно увидеть полосы усталости. Штрихи обозначают положение вершины трещины, а ширина каждой полосы представляет собой рост от одного цикла нагружения. Штрихи являются результатом пластичности на вершине трещины.

Когда интенсивность напряжения превышает критическое значение, известное как вязкость разрушения, происходит неустойчивое быстрое разрушение , обычно в результате процесса слияния микропустот . Перед окончательным разрушением поверхность излома может содержать смесь областей усталости и быстрого разрушения.

Ускорение и замедление

Следующие эффекты изменяют скорость роста:

  • Средний стрессовый эффект . Более высокое среднее напряжение увеличивает скорость роста трещины.
  • Окружающая среда . Повышенная влажность увеличивает скорость роста трещин. В случае алюминия трещины обычно растут от поверхности, где водяной пар из атмосферы может достигать вершины трещины и диссоциировать на атомарный водород, что вызывает водородное охрупчивание . Растущие внутри трещины изолированы от атмосферы и растут в вакууме, где скорость роста обычно на порядок ниже, чем у поверхностной трещины.
  • Эффект короткой трещины . В 1975 году Пирсон заметил, что короткие трещины растут быстрее, чем ожидалось. Возможные причины эффекта короткой трещины включают наличие Т-напряжения, трехосное напряженное состояние в вершине трещины, отсутствие закрытия трещины, связанное с короткими трещинами, и большую пластическую зону по сравнению с длиной трещины. Кроме того, длинные трещины обычно имеют порог, которого нет у коротких трещин. Есть ряд критериев коротких трещин:
    • трещины обычно меньше 1 мм,
    • трещины меньше размера микроструктуры материала, такого как размер зерна, или
    • Длина трещины мала по сравнению с пластической зоной.
  • Недогрузки . Небольшое количество недогрузок увеличивает скорость роста и может противодействовать эффекту перегрузок.
  • Перегрузки . Первоначальные перегрузки (> 1,5 максимальной нагрузки в последовательности) приводят к небольшому увеличению скорости роста с последующим длительным снижением скорости роста.

Характеристики утомляемости

  • В металлических сплавах и в упрощенном случае, когда нет макроскопических или микроскопических неоднородностей, процесс начинается с перемещений дислокаций на микроскопическом уровне, которые в конечном итоге образуют устойчивые полосы скольжения, которые становятся зародышами коротких трещин.
  • Макроскопические и микроскопические неоднородности (в масштабе кристаллических зерен), а также конструктивные особенности компонентов, вызывающие концентрацию напряжений (отверстия, шпоночные пазы , резкие изменения направления нагрузки и т. Д.), Являются обычными местами, в которых начинается процесс усталости.
  • Усталость - это процесс, который имеет степень случайности ( стохастичности ), часто демонстрируя значительный разброс даже в кажущихся идентичными образцах в хорошо контролируемой среде.
  • Усталость обычно связана с растягивающими напряжениями, но сообщалось о появлении усталостных трещин из-за сжимающих нагрузок.
  • Чем больше диапазон приложенного напряжения, тем короче срок службы.
  • Разброс значений усталостной долговечности имеет тенденцию увеличиваться с увеличением усталостной долговечности.
  • Повреждение необратимо. В состоянии покоя материалы не восстанавливаются.
  • Усталостная долговечность зависит от множества факторов, таких как температура , качество поверхности , металлургическая микроструктура, присутствие окисляющих или инертных химикатов, остаточные напряжения , истирание контакта ( фреттинг ) и т. Д.
  • Некоторые материалы (например, некоторые стали и титановые сплавы) имеют теоретический предел усталости, ниже которого продолжающаяся нагрузка не приводит к усталостному разрушению.
  • Многоцикловая усталостная прочность (от 10 4 до 10 8 циклов) может быть описана с помощью параметров, основанных на напряжениях. В этих испытаниях обычно используется сервогидравлический испытательный стенд с регулируемой нагрузкой с частотой около 20–50 Гц. Другие виды машин, такие как резонансные магнитные машины, также могут использоваться для достижения частот до 250 Гц.
  • Малоцикловая усталость (нагрузка, которая обычно вызывает отказ менее чем за 10 4 циклов) связана с локализованным пластическим поведением металлов; таким образом, для прогнозирования усталостной долговечности металлов следует использовать параметр, основанный на деформации. Испытания проводятся с постоянной амплитудой деформации, как правило, в диапазоне 0,01–5 Гц.

Хронология истории исследования усталости

Микрофотографии, показывающие, как растут поверхностные усталостные трещины по мере дальнейшего циклирования материала. От Юинга и Хамфри, 1903 г.
  • 1837: Вильгельм Альберт публикует первую статью об усталости. Он разработал испытательную машину для конвейерных цепей, используемых на шахтах Клаусталя .
  • 1839: Жан-Виктор Понселе в своих лекциях в военной школе в Меце описывает металлы как «усталые» .
  • 1842: Уильям Джон Маккорн Рэнкин признает важность концентрации напряжений в своем исследовании отказов железнодорожных осей . Крушение поезда « Версаль» произошло из-за усталостного отказа оси локомотива.
  • 1843: Джозеф Глинн сообщает об усталости оси на локомотивном тендере. Он определяет шпоночный паз как источник трещины.
  • 1848: Железнодорожная инспекция сообщает об одной из первых поломок шины, вероятно, из-за отверстия под заклепку в протекторе колеса железнодорожного вагона. Скорее всего, отказ из-за усталости.
  • 1849: Итону Ходжкинсону дается «небольшая сумма денег», чтобы он отчитался перед парламентом Великобритании о своей работе по «установлению прямым экспериментом последствий продолжающихся изменений нагрузки на железные конструкции и степени, в которой они могут быть загружены без опасности для здоровья. их максимальная безопасность ".
  • 1854: Ф. Брейтуэйт сообщает об общих сбоях в работе из-за усталости и вводит термин « усталость» .
  • 1860: Систематические испытания на усталость, проведенные сэром Уильямом Фэйрберном и Августом Велером .
  • 1870: А. Велер подводит итоги своей работы по железнодорожным осям. Он приходит к выводу, что диапазон циклических нагрузок более важен, чем пиковые нагрузки, и вводит понятие предела выносливости .
  • 1903: сэр Джеймс Альфред Юинг демонстрирует происхождение усталостного разрушения в микроскопических трещинах.
  • 1910: О. Н. Баскен предлагает логарифмическую зависимость для кривых SN, используя данные испытаний Велера.
  • 1940: Сидни М. Кэдвелл публикует первое строгое исследование усталости резины.
  • 1945: AM Miner популяризирует гипотезу линейных повреждений Палмгрена (1924) как практический инструмент проектирования.
  • 1952: W. Weibull Модель кривой SN.
  • 1954: Первый в мире коммерческий реактивный лайнер de Havilland Comet терпит бедствие из-за того, что три самолета разбиваются в воздухе, в результате чего de Havilland и все другие производители модернизируют высотные самолеты и, в частности, заменяют квадратные проемы, такие как окна, на овальные.
  • 1954: Л.Ф. Коффин и С.С. Мэнсон объясняют рост усталостной трещины терминами пластической деформации в вершине трещины.
  • 1961: PC Paris предлагает методы прогнозирования скорости роста отдельных усталостных трещин, несмотря на первоначальный скептицизм и популярную защиту феноменологического подхода Майнера.
  • 1968: Тацуо Эндо и М. Мацуиши разрабатывают алгоритм подсчета дождевых потоков и позволяют надежно применять правило Майнера к случайным нагрузкам.
  • 1970: У. Эльбер разъясняет механизмы и важность закрытия трещины в замедлении роста усталостной трещины из-за заклинивающего эффекта пластической деформации, оставшейся за вершиной трещины.
  • 1973: М. В. Браун и К. Дж. Миллер отмечают, что усталостная долговечность в многоосных условиях определяется опытом самолета, получившего наибольшие повреждения, и что необходимо учитывать как растягивающие, так и поперечные нагрузки на критическую плоскость .

Прогнозирование усталостной жизни

Спектральная загрузка

Американское общество по испытанию материалов определяет долговечность , N п , так как число циклов напряжений в заданном характере , что образец выдерживает до отказа от указанной природы происходит. Для некоторых материалов, особенно стали и титана , существует теоретическое значение амплитуды напряжения, ниже которого материал не разрушится в течение любого количества циклов, называемое пределом выносливости или пределом выносливости . Однако на практике некоторые работы, выполненные при большем количестве циклов, предполагают, что пределы выносливости не существуют для каких-либо металлов.

Инженеры использовали ряд методов для определения усталостной долговечности материала:

  1. метод стресс-жизни,
  2. метод деформации-жизни,
  3. метод роста трещин и
  4. вероятностные методы, которые могут быть основаны либо на ресурсах, либо на методах роста трещин.

Независимо от того, используется ли подход «напряжение / деформация-ресурс» или используется подход к росту трещины, сложная или переменная амплитудная нагрузка сводится к серии простых циклических нагрузок, эквивалентных усталости, с использованием такой техники, как алгоритм подсчета дождевого потока .

Методы стресс-жизни и деформации-жизни

Механическая часть часто подвергается сложной, часто случайной последовательности нагрузок, больших и малых. Чтобы оценить безопасный срок службы такой детали с помощью методов усталостного повреждения или напряжений / деформаций, обычно выполняется следующая последовательность шагов:

  1. Сложная нагрузка сводится к серии простых циклических нагрузок с использованием такой техники, как анализ дождевого потока ;
  2. Гистограммы циклического напряжения создается из анализа Rainflow , чтобы сформировать спектр усталостного повреждения ;
  3. Для каждого уровня напряжения степень совокупного повреждения рассчитывается по кривой SN; а также
  4. Эффект отдельных вкладов комбинируется с использованием такого алгоритма, как правило Майнера .

Поскольку кривые SN обычно создаются для одноосного нагружения, необходимо некоторое правило эквивалентности, когда нагрузка является многоосной. Для простых историй пропорциональных нагрузок (поперечная нагрузка в постоянном соотношении с осевой) может применяться правило синуса . Для более сложных ситуаций, таких как непропорциональная нагрузка, необходимо применять анализ критической плоскости .

Правило шахтера

В 1945 году М.А. Майнер популяризировал правило, которое впервые было предложено А. Пальмгреном в 1924 году. Правило, по-разному называемое правилом Майнера или гипотезой линейного повреждения Палмгрена-Майнера , гласит, что если в спектре есть k различных величин напряжения, S i (1 ≤ ik ), каждый из которых вносит n i ( S i ) циклов, тогда, если N i ( S i ) - это количество циклов до отказа при постоянном изменении напряжения S i (определено испытаниями на одноосную усталость) , отказ происходит, когда:

Обычно для целей проектирования C принимается равным 1. Это можно рассматривать как оценку того, какая часть жизни потребляется линейной комбинацией инверсий напряжения в различных величинах.

Хотя правило Майнера может быть полезным приближением во многих случаях, оно имеет несколько основных ограничений:

  1. Он не учитывает вероятностную природу утомления, и нет простого способа связать жизнь, предсказанную правилом, с характеристиками распределения вероятностей. Отраслевые аналитики часто используют расчетные кривые, скорректированные с учетом разброса, для расчета N i ( S i ).
  2. Последовательность, в которой циклы высокого и низкого напряжения применяются к образцу, на самом деле влияет на усталостную долговечность, которую Правило Майнера не учитывает. В некоторых обстоятельствах циклы низкого напряжения, за которым следует высокий стресс, причиняют больший ущерб, чем можно было бы предсказать согласно правилу. Он не учитывает эффект перегрузки или высокого напряжения, которые могут привести к остаточному напряжению сжатия, которое может замедлить рост трещины. Высокое напряжение, сопровождаемое низким напряжением, может иметь меньше повреждений из-за наличия остаточного напряжения сжатия.

Метод стресс-жизни (СН)

Кривая SN для хрупкого алюминия с пределом прочности на разрыв 320 МПа

Усталостные характеристики материалов обычно характеризуются кривой SN , также известной как кривая Велера . Это часто наносится на график зависимости циклического напряжения ( S ) от количества циклов до отказа ( N ) в логарифмической шкале . Кривые SN получают в результате испытаний образцов материала, который необходимо охарактеризовать (часто называемых купонами или образцами), когда испытательная машина прикладывает регулярное синусоидальное напряжение, которое также подсчитывает количество циклов до разрушения. Этот процесс иногда называют тестированием купонов . Для большей точности, но с меньшей общностью используется тестирование компонентов. Каждый тест купона или компонента создает точку на графике, хотя в некоторых случаях имеет место биение, когда время до отказа превышает время, доступное для теста (см. Цензурирование ). Для анализа данных об утомляемости требуются статистические методы , особенно анализ выживаемости и линейная регрессия .

На ход кривой SN могут влиять многие факторы, такие как соотношение напряжений (среднее напряжение), частота нагружения, температура , коррозия , остаточные напряжения и наличие зазубрин. Диаграмма постоянной усталостной долговечности (CFL) полезна для изучения влияния соотношения напряжений. Линия Гудмана - это метод, используемый для оценки влияния среднего напряжения на усталостную прочность .

Диаграмма постоянной усталостной долговечности (CFL) полезна для оценки влияния отношения напряжений на кривую SN. Кроме того, при наличии постоянного напряжения, накладываемого на циклическую нагрузку, соотношение Гудмана можно использовать для оценки состояния отказа. Он строит график зависимости амплитуды напряжения от среднего напряжения с пределом выносливости и пределом прочности материала при растяжении как двумя крайними значениями. Альтернативные критерии отказа включают Содерберга и Гербера.

Поскольку купоны, отобранные из однородного кадра, будут отображать изменение количества циклов до отказа, кривая SN должна быть более правильной кривой вероятности цикла напряжения (SNP), чтобы фиксировать вероятность отказа после заданного количества циклов определенный стресс.

В случае объемно-центрированных кубических материалов (ОЦК) кривая Велера часто становится горизонтальной линией с уменьшающейся амплитудой напряжения, т. Е. Этим материалам может быть присвоена усталостная прочность . Для гранецентрированных кубических металлов (ГЦК) кривая Велера обычно непрерывно падает, так что этим материалам может быть присвоен только предел выносливости.

Метод деформации-долговечности (ε-N)

График, показывающий усталостное разрушение как функцию амплитуды деформации.

Когда деформации перестают быть эластичными, например, при наличии концентраций напряжений, в качестве параметра подобия вместо напряжения можно использовать общую деформацию. Это известно как метод растяжения. Полная амплитуда деформации представляет собой сумму амплитуды упругой деформации и амплитуды пластической деформации и определяется выражением

.

Уравнение Баскена для амплитуды упругой деформации имеет вид

где - модуль Юнга .

Соотношение для многоцикловой усталости можно выразить через амплитуду упругой деформации

где - параметр, который масштабируется в зависимости от прочности на разрыв, полученной путем подбора экспериментальных данных, - это количество циклов до разрушения и - это наклон логарифмической кривой, снова определяемый путем подбора кривой.

В 1954 году Коффин и Мэнсон предположили, что усталостная долговечность компонента связана с амплитудой пластической деформации, используя:

.

Уравнения можно объединить для учета многоцикловой и малоцикловой усталости, что дает

.

Способы роста трещин

Оценка усталостной долговечности компонента может быть сделана с использованием уравнения роста трещины путем суммирования ширины каждого приращения роста трещины для каждого цикла нагружения. К расчетному сроку службы применяются коэффициенты безопасности или разброса, чтобы учесть любую неопределенность и изменчивость, связанную с усталостью. Скорость роста, используемая при прогнозировании роста трещин, обычно измеряется путем применения тысяч циклов постоянной амплитуды к купону и измерения скорости роста по изменению податливости купона или путем измерения роста трещины на поверхности купона. . Стандартные методы измерения скорости роста были разработаны ASTM International.

Уравнения роста трещин, такие как уравнение Париса – Эрдогана , используются для прогнозирования срока службы компонента. Их можно использовать для прогнозирования роста трещины от 10 мкм до разрушения. Для обычной обработки это может охватывать большую часть усталостной долговечности компонента, рост которого может начаться с первого цикла. Условия на вершине трещины компонента обычно связаны с условиями испытательного образца с использованием такого параметра, как интенсивность напряжения, J-интеграл или смещение раскрытия вершины трещины . Все эти методы нацелены на согласование условий вершины трещины на компоненте с условиями испытательных образцов, которые показывают скорость роста трещины.

Могут потребоваться дополнительные модели для включения эффектов замедления и ускорения, связанных с перегрузками или недогрузками в последовательности нагружения. Кроме того, могут потребоваться данные о росте небольших трещин, чтобы соответствовать повышенной скорости роста небольших трещин.

Обычно метод подсчета циклов, такой как подсчет циклов дождевого потока, используется для извлечения циклов из сложной последовательности. Было показано, что этот метод, наряду с другими, работает с методами роста трещин.

Преимущество методов роста трещин заключается в том, что они позволяют прогнозировать промежуточный размер трещин. Эта информация может использоваться для планирования проверок конструкции для обеспечения безопасности, тогда как методы деформации / срока службы дают срок службы только до отказа.

Как справиться с усталостью

Поверхность излома в стеклянном стержне, показывающая следы пляжа, окружающие место инициирования.

Дизайн

Надежное проектирование, предотвращающее усталостное разрушение, требует тщательного образования и контролируемого опыта в области проектирования конструкций , машиностроения или материаловедения . Существует, по крайней мере, пять основных подходов к обеспечению срока службы механических деталей, уровень сложности которых возрастает:

  1. Конструкция, позволяющая удерживать напряжение ниже порога предела выносливости (концепция бесконечного срока службы);
  2. Безотказная , плавная деградация и отказоустойчивый дизайн : попросите пользователя заменить детали в случае их выхода из строя. Проектируйте таким образом, чтобы не было единой точки отказа и чтобы полный отказ какой-либо одной части не приводил к катастрофическому отказу всей системы.
  3. Дизайн с безопасным сроком службы : проектирование (консервативно) на фиксированный срок службы, по истечении которого пользователь получает указание заменить деталь на новую (так называемая часть с подъемом , концепция конечного срока службы или практика проектирования с безопасным сроком службы); запланированное устаревание и одноразовый продукт - это варианты, рассчитанные на фиксированный срок службы, по истечении которого пользователь получает указание заменить все устройство;
  4. Устойчивость к повреждениям : подход, который обеспечивает безопасность воздушного судна, предполагая наличие трещин или дефектов даже в новом воздушном судне. Расчеты роста трещин, периодические осмотры и ремонт или замена компонентов могут использоваться для обеспечения безопасности критических компонентов, которые могут содержать трещины. В инспекциях обычно используется неразрушающий контроль для ограничения или контроля размера возможных трещин и требуется точное прогнозирование скорости роста трещин между инспекциями. Конструктор устанавливает достаточно частый график технического обслуживания самолетов , чтобы заменять детали, пока трещина все еще находится в фазе «медленного роста». Это часто называют устойчивой к повреждениям конструкцией или «снятием с эксплуатации по какой-либо причине».
  5. Управление рисками : гарантирует, что вероятность отказа остается ниже приемлемого уровня. Этот подход обычно используется для воздушных судов, где приемлемые уровни могут быть основаны на вероятности отказа во время одного полета или на протяжении срока службы воздушного судна. Предполагается, что компонент имеет трещину с вероятностным распределением размеров трещины. Этот подход может учитывать изменчивость значений, таких как скорость роста трещины, использование и критический размер трещины. Это также полезно для рассмотрения повреждений в нескольких местах, которые могут взаимодействовать друг с другом, вызывая множественные или обширные усталостные повреждения . Распределения вероятностей , которые являются общими для анализа данных , и в дизайне от усталости включают логарифмически нормальное распределение , крайнее распределение значений , распределение Birnbaum-Saunders и распределение Вейбулла .

Тестирование

Испытания на усталость могут использоваться для таких компонентов, как купон или образец для полномасштабных испытаний, чтобы определить:

  1. скорость роста трещин и усталостная долговечность таких компонентов, как купон или образец для натурных испытаний.
  2. расположение критических регионов
  3. степень отказоустойчивости при выходе из строя части конструкции
  4. происхождение и причина возникновения трещины, порождающего дефект, по фрактографическому исследованию трещины.

Эти тесты могут быть частью процесса сертификации, например, для сертификации летной годности .

Ремонт

  1. Остановка сверла. Начали распространяться усталостные трещины, которые иногда можно остановить, просверлив отверстия, называемые ограничителями сверла , на вершине трещины. Остается возможность новой трещины, начинающейся со стороны отверстия.
  2. Смесь . Небольшие трещины можно сгладить, а поверхность обработать холодной обработкой или дробеструйной обработкой.
  3. Негабаритные отверстия . Отверстия с растущими из них трещинами можно просверлить до отверстия большего размера, чтобы удалить трещины, и втулки, чтобы восстановить исходное отверстие. Втулки могут быть подвергнуты холодной усадке Втулки с натягом для создания благоприятных остаточных напряжений сжатия. Отверстие увеличенного размера можно также обработать в холодном состоянии, протянув через отверстие оправку увеличенного размера.
  4. Патч . Трещины можно отремонтировать, установив заплатку или ремонтную фурнитуру. Композитные накладки использовались для восстановления прочности крыльев самолета после обнаружения трещин или для снижения напряжения до появления трещин с целью увеличения усталостной долговечности. Заплаты могут ограничивать возможность отслеживания усталостных трещин, и, возможно, их придется удалить и заменить для осмотра.

Улучшение жизни

Пример стального автомобильного моста, обработанного HFMI, во избежание усталости на сварном переходе.
  1. Сменить материал . Изменение материалов, используемых в деталях, также может увеличить усталостную долговечность. Например, детали могут быть изготовлены из металлов с более высокими показателями усталости. Полная замена и изменение конструкции деталей также могут уменьшить, если не устранить проблемы, связанные с усталостью. Таким образом, металлические лопасти и винты винта вертолетов заменяются композитными аналогами. Они не только легче, но и намного устойчивее к усталости. Они более дорогие, но дополнительные затраты окупаются их большей целостностью, поскольку потеря лопасти несущего винта обычно приводит к полной потере самолета. Аналогичный аргумент был выдвинут в пользу замены металлических фюзеляжей, крыльев и хвостовой части самолетов.
  2. Создание остаточных напряжений. Упрочнение поверхности может снизить такие растягивающие напряжения и создать остаточное напряжение сжатия , которое предотвращает возникновение трещин. Формы упрочнения включают: дробеструйное упрочнение с использованием высокоскоростных снарядов, высокочастотное ударное воздействие (также называемое высокочастотным механическим воздействием) с использованием механического молотка и лазерное упрочнение с использованием высокоэнергетических лазерных импульсов. Полировка с низкой пластичностью также может использоваться для создания напряжения сжатия в галтелях, а оправки для холодной обработки могут использоваться для отверстий. Увеличение усталостной долговечности и прочности пропорционально связано с глубиной передаваемых сжимающих остаточных напряжений. Дробеструйная обработка создает сжимающие остаточные напряжения примерно на 0,005 дюйма (0,1 мм) в глубину, в то время как лазерная упрочнение может проходить на глубину от 0,040 до 0,100 дюйма (от 1 до 2,5 мм) или глубже.
  3. Глубокая криогенная обработка . Было показано, что использование глубокой криогенной обработки увеличивает сопротивление усталостному разрушению. Было доказано, что пружины, используемые в промышленности, автогонках и огнестрельном оружии, служат в шесть раз дольше при обработке. Тепловая проверка, которая является формой термической циклической усталости, была значительно отложена.
  4. Повторное профилирование . Изменение формы концентрации напряжения, такой как отверстие или вырез, можно использовать для продления срока службы компонента. Оптимизация формы с использованием алгоритмов численной оптимизации использовалась для снижения концентрации напряжений в крыльях и увеличения их срока службы.

Заметные отказы от усталости

Крушение поезда Версаль

Катастрофа поезда Версаля
Рисунок Джозефа Глинна усталостного разрушения оси, 1843 г.

После празднования короля Луи-Филиппа I в Версальском дворце поезд, возвращавшийся в Париж, разбился в мае 1842 года в Медоне после того, как ведущий локомотив сломал ось. Вагоны сзади завалились в разбитые двигатели и загорелись. По меньшей мере 55 пассажиров погибли в запертых вагонах, в том числе исследователь Жюль Дюмон д'Юрвиль . Эта авария известна во Франции как "Ferroviaire de Meudon". Свидетелем аварии был британский инженер-локомотив Джозеф Локк, о которой широко сообщалось в Великобритании. Это широко обсуждалось инженерами, которые искали объяснения.

Крушение произошло в результате поломки оси локомотива . Исследование Ренкина сломанных осей в Великобритании подчеркнуло важность концентрации напряжений и механизма роста трещин при повторной нагрузке. Однако его и другие статьи, предполагающие механизм роста трещин из-за повторяющихся нагрузок, были проигнорированы, и усталостные отказы происходили с постоянно возрастающей скоростью в расширяющейся железнодорожной системе. Другие ложные теории казались более приемлемыми, например, идея о том, что металл каким-то образом «кристаллизовался». Это представление основывалось на появлении кристаллического вида области быстрого разрушения на поверхности трещины, но игнорировало тот факт, что металл уже был высококристаллическим.

de Havilland Comet

Восстановленные (заштрихованные) части обломков G-ALYP и место (отмеченное стрелкой) аварии

Два пассажирских самолета de Havilland Comet разлетелись в воздухе и разбились друг с другом в течение нескольких месяцев в 1954 году. В результате систематические испытания проводились на фюзеляже, погруженном в резервуар для воды под давлением. После 3 000 полетов следователи Королевского авиационного завода (RAE) пришли к выводу, что авария произошла из-за отказа герметичной кабины у переднего окна автоматического пеленгатора на крыше. Это «окно» было фактически одним из двух отверстий для антенн электронной навигационной системы, в которых непрозрачные панели из стекловолокна заменяли оконное «стекло». Неисправность произошла в результате усталости металла, вызванной многократным повышением и сбросом давления в кабине самолета. Кроме того, опоры вокруг окон были приклепаны, а не приклеены, как того требовали оригинальные спецификации самолета. Проблема усугублялась из-за использованной техники изготовления пробойных заклепок. В отличие от клепки сверлом, несовершенный характер отверстия, созданного при клепке пуансоном, вызвал производственные дефекты, которые могли стать причиной возникновения усталостных трещин вокруг заклепки.

Фрагмент крыши фюзеляжа G-ALYP, выставленный в Музее науки в Лондоне, показывает два окна ADF, в которых произошел первоначальный отказ.

Герметичная кабина Comet была спроектирована с коэффициентом безопасности, превышающим тот, который требуется в соответствии с требованиями британской гражданской летной годности (в 2,5 раза превышающее испытательное давление в кабине по сравнению с требованием в 1,33 раза и предельная нагрузка в 2,0 раза превышающая давление в кабине) и авария повлекла за собой пересмотр оценок требований к безопасной нагрузочной способности герметичных кабин авиалайнера.

Кроме того, было обнаружено, что напряжения вокруг проемов кабины высокого давления были значительно выше, чем предполагалось, особенно вокруг вырезов с острыми углами, таких как окна. В результате все будущие реактивные авиалайнеры будут иметь окна с закругленными углами, что значительно снизит концентрацию напряжений. Это было заметной отличительной чертой всех более поздних моделей Кометы. Следователи RAE сообщили в ходе общественного расследования, что острые углы возле оконных проемов Комет служили местами возникновения трещин. Обшивка самолета также была слишком тонкой, а по углам присутствовали трещины от производственных напряжений.

Переворачивание нефтяной платформы Александра Л. Килланда

Трещины на правой стороне буровой установки Alexander L. Kielland.

Александр Л. Kielland был норвежский полупогружной буровой установки , которая перевернулась во время работы в нефтяном месторождении Ekofisk в марте 1980 года, погибли 123 человек. Опрокидывание было самой страшной катастрофой в норвежских водах со времен Второй мировой войны. Буровая установка, расположенная примерно в 320 км к востоку от Данди , Шотландия, принадлежала норвежской компании Stavanger Drilling и была арендована американской компанией Phillips Petroleum во время катастрофы. Под проливным дождем и туманом ранним вечером 27 марта 1980 года более 200 человек не дежурили в жилых помещениях на Alexander L. Kielland . Дул порывистый ветер до 40 узлов, высота волн до 12 метров. Буровую установку только что отвели лебедкой от производственной платформы Edda . За несколько минут до 18:30 находящиеся на борту почувствовали «резкий треск», за которым последовала «какая-то дрожь». Внезапно буровая установка наклонилась более чем на 30 °, а затем стабилизировалась. Пять из шести якорных тросов были оборваны, а один оставшийся трос не позволил буровой установке опрокинуться. Список продолжает расти и в 18:53 оставшиеся якорный канат щелкнул и установка перевернуто вверх дном.

Год спустя, в марте 1981 г., в отчете о расследовании был сделан вывод о том, что буровая установка разрушилась из-за усталостной трещины в одной из ее шести распорок (распорка D-6), которая соединяла обрушившуюся D-образную стойку с остальной частью буровой установки. Это произошло из-за небольшого углового сварного шва диаметром 6 мм, который соединял ненесущую фланцевую пластину с этой связью D-6. На этой фланцевой пластине находился гидролокатор, используемый во время буровых работ. Плохой профиль углового шва способствовал снижению его усталостной прочности. Кроме того, в ходе исследования было обнаружено значительное количество пластинчатых разрывов на пластине фланца и холодные трещины в стыковом шве. Холодные трещины в сварных швах, повышенная концентрация напряжений из-за ослабленной фланцевой пластины, плохой профиль сварного шва и циклические напряжения (которые были бы обычным явлением в Северном море ), по-видимому, все вместе сыграли роль в разрушении буровой установки.

Другие

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Персонал PDL (1995). Усталостные и трибологические свойства пластиков и эластомеров . Библиотека дизайна пластмасс. ISBN 978-1-884207-15-0.
  • Лири, М .; Бервилл, К. (2009). «Применимость опубликованных данных для расчета с ограничением по усталости». Международная организация по обеспечению качества и надежности . 25 (8): 921–932. DOI : 10.1002 / qre.1010 .
  • Дитер, GE (2013). Механическая металлургия . Макгроу-Хилл. ISBN 978-1259064791.
  • Литтл, RE; Jebe, EH (1975). Статистический дизайн экспериментов на усталость . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-54115-9.
  • Schijve, J. (2009). Усталость конструкций и материалов . Springer. ISBN 978-1-4020-6807-2.
  • Лаланн, К. (2009). Усталостное повреждение . ISTE - Wiley. ISBN 978-1-84821-125-4.
  • Пок, Л. (2007). Metal Fatigue, что это такое, почему это важно . Springer. ISBN 978-1-4020-5596-6.
  • Дрейпер, Дж. (2008). Современный анализ усталости металлов . EMAS. ISBN 978-0-947817-79-4.
  • Суреш, С. (2004). Усталость материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57046-6.
  • Ким, HS (2018). Механика твердого тела и разрушения, 3-е изд . Bookboon, Лондон. ISBN 978-87-403-2393-1.

внешние ссылки