Die Einführung von Ermüdungsprüfverfahren

Wenn ein Punkt des Bauteils einer ausreichend großen Störspannung ausgesetzt wird, bildet sich nach einer ausreichenden Anzahl von Zyklen ein Riss, und dieses Phänomen wird als Ermüdung bezeichnet. Ermüdungsbruch ist die Hauptursache für das Versagen von Konstruktionsstrukturen und Bauteilen. In der aktuellen Anwendung und Forschung gibt es vier Haupttypen von Ermüdungsprüfverfahren:

1. Nennspannungs- und Dehnungsmethode;

2. Lokale Spannungs- und Dehnungsmethode;

3. Energiemethode;

4. Bruchmechanische Methode.

In diesem Artikel werden die vier Arten von Methoden und ihre Anwendungen kurz vorgestellt.

Die Nennspannungsmethode ist eine Methode zur Anwendung eines Nennspannungstests auf eine Standardkomponente und wird gemäß der Beziehung zwischen der maximalen zyklischen Spannung und der Streckspannung in Spannungsermüdung und Dehnungsermüdung klassifiziert.

Zunächst wird eine Spannungsermüdung eingeführt, die als Spannungsermüdung definiert wird, wenn die maximale zyklische Spannung Smax kleiner als die Fließspannung Sy ist. Aufgrund des Spannungsermüdungstests beträgt die Materiallebensdauer mehr als das 104-fache. Daher wird Spannungsermüdung auch als Ermüdung mit hohem Zyklus bezeichnet. Nach der Theorie der Spannungsermüdung sind die Spannung S des Metallmaterials und die Anzahl N der Versagenszyklen nichtlinear verteilt. Verfügbare Potenzfunktionen: Nehmen Sie den Logarithmus: oder verwenden Sie Exponential: Nehmen Sie den Logarithmus zur Darstellung. Diese Methode wird als SN-Methode bezeichnet. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung der SN-Kurve oder der p (Überlebensrate) -SN-Kurve im tatsächlichen Test analysiert.

Die Spannungsermüdung wird im Allgemeinen für die SN-Kurve der Materialermüdung verwendet. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, wird die Ermüdungsgrenze der Magnesiumlegierung AZ31B (das Spannungsverhältnis beträgt 0,1 und die Ermüdungslebensdauer beträgt 107 entsprechend der Ermüdungslast) durch das Hebeverfahren geprüft. Die Ermüdungsgrenze der Magnesiumlegierungsprobe AZ31B in der Abbildung beträgt 97,29 MPa.

Abbildung 1. Ermüdungstest der Magnesiumlegierung AZ31B

Abbildung 2. SN-Kurve des Ermüdungstests der Magnesiumlegierung AZ31B

Die Dehnungsermüdung wird bei der Prüfung von Bauteilen mit hoher Belastung und geringer Lebensdauer angewendet. Die Definition lautet: Wenn die maximale zyklische Spannung Smax größer als die Streckspannung Sy ist, handelt es sich um Dehnungsermüdung. Der Spannungsermüdungstest wird verwendet, um das Bauteil bei hoher Last und niedriger Frequenz zu untersuchen. Beispielsweise liegt während der Lebensdauer des Druckbehälters die Gesamtzahl der Zyklen in der Größenordnung von 104. Daher wird die Dehnung als Beschreibung der Ermüdungsleistungsparameter verwendet. Spannungsermüdung wird auch als Ermüdung mit geringem Zyklus bezeichnet.

Basierend auf Dehnungsermüdungsforschern haben Wissenschaftler die folgende Theorie aufgestellt, die Spannungs-Dehnungs-Beziehung (Remberg-Osgood-Elastoplast-Spannungs-Dehnungs-Beziehung) von Materialien:

In der Formel ist die elastische Dehnungsamplitude εp die plastische Dehnungsamplitude.

Bei dem symmetrischen Dehnungstest mit konstanter Amplitude kann aufgrund der plastischen Verformung des Materials die Spannung nicht durch den ursprünglichen Pfad verringert werden, wenn die Dehnung verringert wird, und die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist ringförmig. Diese Kurve wird als Hystereseschleife bezeichnet. Wenn die Anzahl der Zyklen zunimmt, nimmt die Spannung der gleichen Dehnungsamplitude zu oder ab. Die Reaktion dieser Spannung, die der Änderung entspricht, wird als zyklisches Härten oder zyklisches Erweichen bezeichnet. Der Zyklus reicht für mehrere Zyklen aus, und einige Materialien bilden eine stabile Hystereseschleife.

Bei der Dehnungsermüdung wird eine Spannungs-Dehnungs-Kurve verwendet, um die Tendenz des zyklischen Härtens oder zyklischen Erweichens des Materials zu beschreiben. Für Materialien mit einer symmetrischen Hystereseschleifenkurve wird dies als Massematerial bezeichnet.

Die folgende Abbildung zeigt die σ-ε-Kurve der ZK60-Magnesiumlegierung, die in Walzrichtung und Querrichtung belastet ist. In lateraler Richtung ist das Phänomen der zyklischen Härtung offensichtlich.

Abbildung 3. Belastung der Magnesiumlegierung ZK60A entlang der rollenden σ-ε-Kurve

Abbildung 4. Belastung der Magnesiumlegierung ZK60A entlang der σ-ε-Querkurve

Für die gekerbten Proben und die spannungskonzentrierten Komponenten wird die lokale Spannungs-Dehnungs-Analyse verwendet. Die aktuelle Forschung zeigt, dass die Ermüdungslebensdauer der Elemente die lokale maximale Dehnung und Spannung ist, und das Konzept des Spannungskonzentrationsfaktors wird vorgeschlagen. Es eignet sich zur Berechnung der Lebensdauer der Materialrissbildung und zur Vorhersage der Restermüdungslebensdauer von Bauteilen.

Die von der lokalen Stressmethode vorgeschlagene Theorie hat die Neuber-Formel (Stresskonzentrationsformel)

Minner-Theorie (Theorie des kumulativen Ermüdungsschadens): Die Ermüdungslebensdauer eines Elements unter konstanter Spannung S beträgt N, dann beträgt der Schaden durch n Zyklen:

Wenn ni Zyklen unter k konstanter Spannung Si ausgesetzt werden, kann der Gesamtschaden definiert werden als:

Die Schadenskriterien sind:

Die Anwendung der lokalen Spannungsmethode ist in Abbildung 5 und Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 5. Vorhersage der Lebensdauer von gekerbten Proben

Abbildung 6. Vorhersage der Lebensdauer des Krans (Kranspannungs- und Dehnungsprüfpunktverteilungskarte)

Die Lebensdauer des Spannungskonzentrationspunkts wird nach folgender Formel berechnet:

Wobei: Sf – Ermüdungslebensdauer der glatten Probe bei äquivalenter Spannung

Abbildung 6 Die Berechnungsmethode für die Ermüdungslebensdauer des Krans besteht darin, die Zeitverlaufskarte verschiedener Testpunkte einzugeben, die Ermüdungslebensdauergleichung für jeden Punkt einzugeben und die Restermüdungslebensdauer für jeden Punkt zu berechnen. Der Standard-Mindestlebensdauerpunkt ist die verbleibende Lebensdauer des Geräts. Für Krane haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass der kumulative Schadenswert D von gewöhnlichem Stahl 0,68 erreicht.

Die Infrarot-Thermografie ist eine Methode zur Vorhersage der Ermüdungsleistung auf der Grundlage des Energiekonstantengesetzes des Materialermüdungsprozesses. Das Ermüdungswärmebildgebungsverfahren basiert auf der thermodynamischen Energie U, der kinetischen Energie K und anderen Formen der Energiedissipation im Ermüdungsprozess. Die Summe der Energieänderungen E und der vom Objekt absorbierten oder dissipierten thermischen Änderung Q sollte die Arbeit W sein, die auf das Objekt wirkt. das Gleiche.

Die Ermüdungswärmebildgebung bietet die Vorteile einer zerstörungsfreien Echtzeitberührung. Gleichzeitig ist es aufgrund der nichtlinearen Beziehung zwischen Energiedissipation und Ermüdungslast und des Fehlers der Temperaturdissipation unter Verwendung der Wärmeableitung immer noch nicht für industrielle Messungen geeignet.

Die aktuelle Forschung hat die folgende prädiktive Modelltheorie vorgeschlagen: Luong-Methode, ∆Tmax und Ermüdungslebensdauer Nf sind wie folgt:

Wobei: C1, C2 Konstanten sind.

Daher kann die Ermüdungsgrenze durch das Zweidrahtverfahren vorhergesagt werden. Basierend auf der Wärmeableitung haben Wissenschaftler die folgenden Modelle vorgeschlagen:

R-Temperaturanstiegsneigung

Das Folgende ist eine Studie über die Ermüdungs-Wärmebildmethode des Lehrerteams Zhang Hongxia von der Taiyuan University of Technology. Die Lebensdauer der Mg-Legierung AZ31B wurde durch Wärmebildgebung schnell vorhergesagt. Es ist nur erforderlich, den Temperaturanstieg der ersten Stufe der Probe zu testen, um die Ermüdungsgrenze des Materials nach der Zweilinienmethode vorherzusagen. Abbildung 7, Abbildung 8, Abbildung 9.

Abbildung 7. Oberflächentemperatur der AZ31B-Magnesiumlegierungsprobe mit unterschiedlichen Zykluszeiten im Ermüdungstest

Abbildung 8. Oberflächentemperaturkurve der Probe des AZ31B-Ermüdungsprozesses

Abbildung 9. Die Variation der Temperatur mit der Ermüdungsbelastung

Die lineare elastische Bruchmechanik ist die theoretische Grundlage für die Untersuchung des Wachstums von Ermüdungsrissen. Die Ausbreitung von Ermüdungsrissen kann auch quantitativ durch den Spannungsintensitätsfaktor K beschrieben werden.

Unter der Ermüdungslast ist die Änderungsrate a der Risslänge a mit der Anzahl der Zyklen N, da / dN die Geschwindigkeit des Ermüdungsrisswachstums, die die Geschwindigkeit der Rissausbreitung widerspiegelt. Für eine gegebene Risslänge a nimmt da / dN mit zunehmender zyklischer Spannungsamplitude ∆σ zu (je größer ∆σ, desto größer ∆K). Basierend auf diesem Phänomen haben Wissenschaftler da / dN-∆K (Rissausbreitung) untersucht. Die Kurve zur Erhöhung der Intensität der Spannungsbelastung kann in drei Zonen unterteilt werden: Zone mit niedriger Rate, mittlere Rate, Zone mit hoher Rate. Die Pariser Formel besagt, dass es einen linearen Zusammenhang zwischen der stabilen Ausdehnung der mittleren Rate gibt:

Summenformel für die Form der Rissspitze:

Die Bildung und Ausdehnung von Ermüdungsrissen kann im Rahmen der Schadensmechanik vereinheitlicht werden.

Das Folgende ist eine Untersuchung der Risswachstumsrate der Magnesiumlegierung AZ31B und der Bewertung der stabilen Expansionsrate von AZ31B.

Figure 10. Schematische Darstellung des Konkurrenzmechanismus der Ermüdungsrisspitze

Figure 11. Schematische Darstellung von drei verschiedenen Bereichen des Spannungs-Dehnungs-Feldes an der Rissspitze

Figure 12. Schematische Darstellung der aN-Kurve des Konkurrenzmechanismus der Ermüdungsrisspitze

Figure 13. Schematische Darstellung der da / dN-ΔK-Kurve für den Konkurrenzmechanismus der Ermüdungsrisspitze

AB-Segment (mittlere Ratenzone): da / dN = 4,57 × 10 –7 (& Dgr; K) 3,25 (7,2 & Dgr; K ≤ 13,5 MPa · m1 / 2)

BC-Segment (Hochgeschwindigkeitszone): da / dN = 3,16 × 10 –10 (ΔK) 6,21 (13,5 ΔK ≤ 22,1 MPa · m1 / 2)

Fazit:

Die vier Arten von Methoden unterscheiden sich in der Anwendung. Die Nennspannungsmethode und die lokale Spannungsmethode eignen sich für die Prüfung der Material- und Bauteilleistung im industriellen Bereich. Die Energiemethode kann die Ermüdungslebensdauer des Materials vorhersagen, und die Bruchmechanik vereinheitlicht erfolgreich die Bildung und Ausdehnung von Ermüdungsrissen.