L'introduzione dei metodi di prova della fatica

Quando un punto del componente è sottoposto ad una sollecitazione di disturbo sufficientemente grande, dopo un numero sufficiente di cicli si forma una cricca e questo fenomeno prende il nome di fatica. La frattura da fatica è la principale causa di cedimento delle strutture e dei componenti ingegneristici. Nell'attuale applicazione e ricerca, ci sono quattro tipi principali di metodi di prova di fatica:

1. Metodo di sollecitazione e deformazione nominale;

2. Metodo di sollecitazione e deformazione locale;

3. Metodo energetico;

4. Metodo della meccanica della frattura.

Questo articolo introduce brevemente i quattro tipi di metodi e le loro applicazioni.

Il metodo della sollecitazione nominale è un metodo per applicare una prova di sollecitazione nominale a un componente standard ed è classificato in fatica da sforzo e fatica da deformazione in base alla relazione tra la sollecitazione ciclica massima e la sollecitazione di snervamento.

In primo luogo, viene introdotta la fatica da sollecitazione, che viene definita fatica da sollecitazione se la sollecitazione ciclica massima Smax è inferiore alla sollecitazione di snervamento Sy. A causa del test di fatica da stress, la durata del materiale è più di 104 volte, quindi la fatica da stress è anche chiamata fatica ad alto ciclo. Secondo la teoria della fatica da sollecitazione, la sollecitazione S del materiale metallico e il numero N di cicli di rottura sono distribuiti in modo non lineare. Funzioni di potenza disponibili: prendi il logaritmo: , o usa l'esponenziale: prendi il logaritmo per rappresentare, questo metodo è chiamato metodo SN. I risultati sono stati analizzati utilizzando la curva SN o la curva p (tasso di sopravvivenza)-SN nel test effettivo.

La fatica da sollecitazione è generalmente utilizzata per la curva SN della fatica del materiale. Come mostrato in Fig. 1 e Fig. 2, il limite di fatica della lega di magnesio AZ31B (il rapporto di sollecitazione è 0,1 e la vita a fatica è 107 corrispondente al carico di fatica) è testato con il metodo di sollevamento. Il limite di fatica del campione di lega di magnesio AZ31B nella figura è 97,29 MPa.

Figura 1. Prova di fatica in lega di magnesio AZ31B

Figura 2. Curva SN del test di fatica in lega di magnesio AZ31B

La fatica da deformazione viene applicata alla prova di componenti con carico elevato e vita di progetto ridotta. La definizione è: se la sollecitazione ciclica massima Smax è maggiore della sollecitazione di snervamento Sy, si tratta di fatica da deformazione. La prova di fatica da sforzo viene utilizzata per studiare il componente ad alto carico e bassa frequenza. Ad esempio, durante la vita di servizio del recipiente a pressione, il numero totale di cicli è dell'ordine di 104. Pertanto, la deformazione viene utilizzata come descrizione del parametro di prestazione a fatica. L'affaticamento da stress è anche noto come affaticamento a basso ciclo.

Sulla base della ricerca sulla fatica da deformazione, gli studiosi hanno avanzato la seguente teoria, la relazione stress-deformazione (Remberg-Osgood elastoplastica stress-deformazione) dei materiali:

Nella formula, l'ampiezza della deformazione elastica εe, εp è l'ampiezza della deformazione plastica.

Nella prova di deformazione simmetrica ad ampiezza costante, a causa della deformazione plastica del materiale, la sollecitazione non può essere ridotta del percorso originale quando la deformazione è ridotta e la curva sforzo-deformazione è anulare. Questa curva è chiamata ciclo di isteresi. All'aumentare del numero di cicli, lo stesso stress di ampiezza di deformazione aumenterà o diminuirà. La risposta di questa sollecitazione corrispondente al cambiamento è chiamata tempra ciclica o rammollimento ciclico. Il ciclo è sufficiente per diversi cicli e alcuni materiali formeranno un ciclo di isteresi stabile.

Nella fatica da deformazione, una curva sforzo-deformazione viene utilizzata per descrivere la tendenza all'indurimento ciclico o al rammollimento ciclico del materiale. Per i materiali con una curva di ciclo di isteresi simmetrica, viene chiamato materiale di massa.

La figura seguente mostra la curva σ-ε della lega di magnesio ZK60 caricata nella direzione di laminazione e nella direzione trasversale. Nella direzione laterale è evidente il fenomeno dell'indurimento ciclico.

Figura 3. Carico della lega di magnesio ZK60A lungo la curva σ-ε di rotolamento

Figura 4. Carico della lega di magnesio ZK60A lungo la curva trasversale σ-ε

Per i provini con intaglio e le componenti stress-concentrate, viene utilizzata l'analisi sforzo-deformazione locale. La ricerca attuale mostra che la vita a fatica degli elementi è la massima deformazione e sollecitazione locali e viene proposto il concetto di fattore di concentrazione delle sollecitazioni. È adatto per calcolare la durata della formazione di cricche nel materiale e la previsione della vita a fatica residua dei componenti.

La teoria proposta dal metodo delle sollecitazioni locali ha la formula di Neuber (formula di concentrazione delle sollecitazioni)

Teoria del minner (teoria del danno cumulativo da fatica): la vita a fatica di un membro sotto stress costante S è N, quindi il danno attraverso n cicli è:

Se sottoposto a ni cicli sotto k sollecitazione costante Si, il danno totale può essere definito come:

I criteri di danno sono:

L'applicazione del metodo delle sollecitazioni locali è mostrata nella Figura 5 e nella Figura 6.

Figura 5. Previsione della vita a fatica dei campioni intagliati

Figura 6. Previsione della vita a fatica della gru (mappa di distribuzione del punto di deformazione e sollecitazione della gru)

La durata a fatica del punto di concentrazione delle sollecitazioni è calcolata secondo la seguente formula:

Dove: Sf – durata a fatica del campione uniforme di sollecitazione equivalente

Figura 6 Il metodo di calcolo della durata a fatica della gru consiste nell'inserire la mappa cronologica dei diversi punti di prova, inserire l'equazione della durata a fatica di ciascun punto e calcolare la vita a fatica residua di ciascun punto. Il punto minimo di vita predefinito è la vita a fatica residua del dispositivo. Per le gru, gli studiosi hanno suggerito che il valore di danno cumulativo D dell'acciaio ordinario raggiunge 0,68.

La termografia a infrarossi è un metodo per prevedere le prestazioni a fatica in base alla legge della costante di energia del processo di fatica del materiale. Il metodo di imaging termico della fatica si basa sull'energia termodinamica U, sull'energia cinetica K e su altre forme di dissipazione dell'energia nel processo di fatica. La somma delle variazioni di energia E e della variazione termica Q assorbita o dissipata dall'oggetto dovrebbe essere il lavoro W che agisce sull'oggetto. lo stesso.

La termografia a fatica presenta i vantaggi di non essere distruttiva, in tempo reale, senza contatto. Allo stesso tempo, a causa della relazione non lineare tra dissipazione di energia e carico di fatica e dell'errore di dissipazione della temperatura utilizzando la dissipazione del calore, non è ancora adatto per la misurazione industriale.

La ricerca attuale ha proposto la seguente teoria del modello predittivo, il metodo di Luong, ∆Tmax e la vita a fatica Nf sono i seguenti:

Dove: C1, C2 sono costanti.

Pertanto, il limite di fatica può essere previsto con il metodo a due fili. Sulla base della dissipazione del calore, gli studiosi hanno proposto i seguenti modelli:

Pendenza di aumento della temperatura R

Quello che segue è uno studio del metodo di imaging termico della fatica condotto dal team dell'insegnante Zhang Hongxia della Taiyuan University of Technology. La vita a fatica della lega AZ31B Mg è stata rapidamente prevista dalla termografia. È solo necessario testare l'aumento di temperatura del primo stadio del campione per prevedere il limite di fatica del materiale secondo il metodo a due linee. rispettivamente la figura 7, la figura 8, la figura 9.

Figura 7. Temperatura superficiale del campione di lega di magnesio AZ31B con diversi tempi di ciclo nella prova di fatica

Figura 8. Curva della temperatura della superficie del campione del processo di fatica AZ31B

Figura 9. La variazione della temperatura con il carico di fatica

La meccanica della frattura elastica lineare è la base teorica per lo studio della crescita delle cricche da fatica. La propagazione della cricca da fatica può anche essere descritta quantitativamente dal fattore di intensità dello stress K.

Sotto il carico di fatica, il tasso di variazione a della lunghezza della cricca a con il numero di cicli N, da/dN, è il tasso di crescita della cricca a fatica, che riflette la velocità di propagazione della cricca. Per una data lunghezza della cricca a, da/dN aumenta all'aumentare dell'ampiezza della sollecitazione ciclica ∆σ (maggiore ∆σ, maggiore ∆K). Sulla base di questo fenomeno, gli studiosi hanno studiato da/dN-∆K (crepa propagazione). La curva di aumento dell'intensità del tasso di stress, la curva può essere suddivisa in tre zone: tasso basso, tasso medio, zona ad alto tasso. La formula di Parigi afferma che esiste una relazione lineare tra l'estensione stabile del tasso medio:

Formula empirica per la forma della punta della fessura:

La formazione e l'espansione di crepe da fatica possono essere unificate nell'ambito della meccanica del danno.

Quello che segue è uno studio del tasso di crescita delle crepe della lega di magnesio AZ31B e valuta il tasso di espansione stabile di AZ31B.

Figura 10. Diagramma schematico del meccanismo di concorrenza della punta della cricca da fatica

Figura 11. Diagramma schematico di tre diverse regioni del campo sforzo-deformazione all'apice della cricca

Figura 12. Diagramma schematico della curva aN del meccanismo di concorrenza della punta della cricca a fatica

Figura 13. Diagramma schematico della curva da/dN-ΔK per il meccanismo di competizione della punta della cricca da fatica

Segmento AB (zona di frequenza media): da/dN=4,57×10-7(ΔK)3,25 (7,2＜ΔK≤13,5 MPa•m1/2)

Segmento BC (zona alta frequenza): da/dN=3,16×10-10(ΔK)6,21(13,5＜ΔK≤22,1 MPa•m1/2)

Conclusione:

I quattro tipi di metodi sono diversi nell'applicazione. Il metodo della sollecitazione nominale e il metodo della sollecitazione locale sono adatti per il test delle prestazioni di materiali e componenti in campo industriale. Il metodo dell'energia può prevedere la vita a fatica del materiale e il metodo della meccanica della frattura unifica con successo la formazione e l'espansione delle cricche da fatica.