Die Einführung von Ermüdungstestmethoden

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 Ermüdungsprüfmethoden:
1. Nominelle Spannungs- und Dehnungsmethode;
2. Lokale Belastungs- und Belastungsmethode;
3. Energiemethode;
4. Methode der Bruchmechanik.
In diesem Artikel werden die vier Arten von Methoden und ihre Anwendungen kurz vorgestellt.

1. Nominelle Belastungsmethode

Bei der Nennspannungsmethode handelt es sich um eine Methode zum Anwenden eines Nennspannungstests auf ein Standardbauteil, und sie wird gemäß der Beziehung zwischen der maximalen zyklischen Spannung und der Streckgrenze in Spannungsermüdung und Dehnungsermüdung klassifiziert.
Zunächst wird eine Spannungsermüdung eingeführt, die als Spannungsermüdung definiert wird, wenn die maximale zyklische Spannung Smax kleiner als die Streckspannung Sy ist. Aufgrund des Spannungsermüdungstests beträgt die Lebensdauer des Materials mehr als das 104-fache. Daher wird Spannungsermüdung auch als Hochzyklusermüdung bezeichnet. Gemäß der Theorie der Spannungsermüdung sind die Spannung S des Metallmaterials und die Anzahl N der Zyklen des Versagens nichtlinear verteilt. Verfügbare Potenzfunktionen: Logarithmus nehmen: oder Exponential verwenden: Logarithmus nehmen, um darzustellen, diese Methode heißt SN-Methode. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung der SN-Kurve oder der p (Überlebensrate) -SN-Kurve im tatsächlichen Test analysiert.
Spannungsermüdung wird im Allgemeinen für die Materialermüdungs-SN-Kurve verwendet. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, wird die Ermüdungsgrenze der AZ31B-Magnesiumlegierung (das Spannungsverhältnis beträgt 0,1 und die Ermüdungslebensdauer 107 entsprechend der Ermüdungslast) durch das Hebeverfahren getestet. Die Ermüdungsgrenze der AZ31B-Magnesiumlegierungsprobe in der Abbildung beträgt 97,29 MPa.
Abbildung 1. Ermüdungstest der Magnesiumlegierung AZ31B

Abbildung 2. SN-Kurve des AZ31B-Magnesiumlegierung-Ermüdungstests

Dehnungsermüdung wird beim Testen von Bauteilen mit hoher Last 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 die Gesamtzahl der Zyklen während der Lebensdauer des Druckbehälters in der Größenordnung von 104. Daher wird die Dehnung als Beschreibung des Ermüdungsleistungsparameters verwendet. Stressermüdung wird auch als geringe Zyklusermüdung bezeichnet.
Basierend auf Dehnungsermüdungsforschern stellten die folgenden Theorien die Spannungs-Dehnungs-Beziehung (Remberg-Osgood elastoplastic stress-strain) von Materialien auf:

In der Formel ist εe elastische Dehnungsamplitude, εp die plastische Dehnungsamplitude.
Bei dem symmetrischen Belastungstest mit konstanter Amplitude kann aufgrund der plastischen Verformung des Materials die Spannung nicht durch den ursprünglichen Weg verringert werden, wenn die Dehnung verringert wird, und die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist ringförmig. Diese Kurve wird als Hystereseschleife bezeichnet. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen nimmt die gleiche Beanspruchung der Dehnungsamplitude zu oder ab. Die Reaktion dieser Belastung entsprechend der Änderung wird als zyklisches Härten oder zyklisches Erweichen bezeichnet. Der Zyklus reicht für mehrere Zyklen und einige Materialien bilden eine stabile Hystereseschleife.
Bei der Dehnungsermüdung wird eine Spannungs-Dehnungs-Kurve verwendet, um die zyklische Härtung oder zyklische Erweichungstendenz des Materials zu beschreiben. Bei Materialien mit einer symmetrischen Hystereseschleifenkurve wird es als Massenmaterial bezeichnet.
Die folgende Abbildung zeigt die σ-ε-Kurve der in Walzrichtung und Querrichtung belasteten Magnesiumlegierung ZK60. In lateraler Richtung ist das Phänomen der zyklischen Aushärtung offensichtlich.
Abbildung 3. Magnesiumlegierungsbelastung ZK60A entlang der rollenden σ-ε-Kurve

Figure 4. Belastung der Magnesiumlegierung ZK60A entlang der transversalen σ-ε-Kurve

2. Lokale Belastungsmethode

Für die gekerbten Proben und die spannungskonzentrierten Komponenten wird die lokale Spannungs-Dehnungs-Analyse verwendet. Die aktuelle Forschung zeigt, dass die Ermüdungslebensdauer der Mitglieder 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 (Spannungskonzentrationsformel)
Minner-Theorie (kumulative Ermüdungsschadens-Theorie): Die Ermüdungslebensdauer eines Bauteils unter konstanter Beanspruchung S beträgt N, der Schaden über n Zyklen beträgt dann:

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

Die Schadenskriterien sind:

Die Anwendung der lokalen Belastungsmethode ist in Abbildung 5 und Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 5. Lebensdauervorhersage für gekerbte Proben
Abbildung 6. Lebensdauervorhersage für Kranermüdung

Die Lebensdauer des Spannungskonzentrationspunktes wird nach folgender Formel berechnet:

Wobei: Sf - äquivalente Spannung glatte Lebensdauer der Probe
Abbildung 6 Die Methode zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer des Krans besteht darin, die Zeitverlaufskarte verschiedener Testpunkte und die Ermüdungslebensdauergleichung für jeden Punkt einzugeben und die Restermüdungslebensdauer für jeden Punkt zu berechnen. Der Mindestwert für die Standardlebensdauer ist die verbleibende Lebensdauer des Geräts. Für Krane haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass der kumulative Schadenswert D von gewöhnlichem Stahl 0,68 erreicht.

3.energiemethode

Die Infrarot-Thermografie ist eine Methode zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens auf der Grundlage des Energiekonstantengesetzes des Materialermüdungsprozesses. Das Ermüdungs-Wärmebildverfahren basiert auf der thermodynamischen Energie U, der kinetischen Energie K und anderen Formen der Energiedissipation im Ermüdungsprozess. Die Summe der Energieänderungen E und der thermischen Änderung Q, die vom Objekt absorbiert oder abgeleitet werden, sollte die auf das Objekt einwirkende Arbeit W sein. das Gleiche.
Ermüdungs-Wärmebildkameras bieten die Vorteile eines zerstörungsfreien, berührungslosen Echtzeitbetriebs. Gleichzeitig ist es aufgrund der nichtlinearen Beziehung zwischen Energiedissipation und Ermüdungsbelastung und des Fehlers der Temperaturdissipation durch Wärmeableitung für industrielle Messungen immer noch nicht geeignet.
Die aktuelle Forschung hat folgende Vorhersagemodelltheorie vorgeschlagen: Luong-Methode, ,Tmax und Ermüdungslebensdauer Nf:

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 des Teams des Lehrers Zhang Hongxia von der Taiyuan University of Technology über die Methode der Ermüdungs-Wärmebildgebung. Die Ermüdungslebensdauer der AZ31B-Mg-Legierung 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. Fig. 7, Fig. 8 bzw. Fig. 9.
Abbildung 7. Oberflächentemperatur der AZ31B-Magnesiumlegierungsprobe mit unterschiedlichen Zykluszeiten im Ermüdungstest

Abbildung 8. Temperaturkurve der Probenoberfläche des AZ31B-Ermüdungsprozesses

Abbildung 9. Die Änderung der Temperatur mit der Ermüdungslast

4. Methode der Bruchmechanik

Die lineare elastische Bruchmechanik ist die theoretische Grundlage für die Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums. 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 Rate des Ermüdungsrisswachstums, die die Geschwindigkeit der Rissausbreitung widerspiegelt. Für eine gegebene Risslänge a steigt da / dN mit zunehmender zyklischer Spannungsamplitude ∆σ (je größer ∆σ, desto größer ∆K). Basierend auf diesem Phänomen haben Wissenschaftler da / dN-∆K (Rissausbreitung) untersucht. Die Rate-Stress-Intensitäts-Anstiegskurve kann die Kurve in drei Zonen unterteilt werden: niedrige Rate, mittlere Rate, hohe Rate Zone. Die Pariser Formel besagt, dass es einen linearen Zusammenhang zwischen der stabilen Ausdehnung der mittleren Rate gibt:
Summenformel für die Form der Rissspitze:

Ermüdungsrissbildung und Dehnung können im Rahmen der Schadensmechanik vereinheitlicht werden.
Das Folgende ist eine Studie über die Risswachstumsrate der AZ31B-Magnesiumlegierung und die Bewertung der stabilen Expansionsrate von AZ31B.
Figure 10. Schematische Darstellung des Mechanismus für die Konkurrenz von Ermüdungsrissspitzen

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

Figure 12. Schematische Darstellung der aN-Kurve des Mechanismus zur Konkurrenz von Ermüdungsrissspitzen

Figure 13. Schematische Darstellung der da / dN-ΔK-Kurve für den Mechanismus der Ermüdungsrissspitzen-Konkurrenz

AB-Segment (mittlere Frequenzzone): da / dN = 4,57 × 10 & supmin; & sup7; (ΔK) 3,25 (7,2 ≤ ΔK ≤ 13,5 MPa · m1 / 2)
BC-Segment (Hochgeschwindigkeitszone): da / dN = 3,16 × 10 –10 (& Dgr; K) 6,21 (13,5 ≤ & Dgr; K ≤ 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 Material- und Bauteilleistungsprüfung im industriellen Bereich. Die Energiemethode kann die Ermüdungslebensdauer des Materials vorhersagen, und die Bruchmechanikmethode vereinheitlicht erfolgreich die Ermüdungsrissbildung und -ausdehnung.

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