Polski 
English 
Español 
हिन्दी 
العربية 
Português do Brasil 
Русский 
日本語 
Deutsch 
한국어 
Français 
Türkçe 
Tiếng Việt 
Italiano 
简体中文 Gdy punkt elementu zostanie poddany wystarczająco dużemu naprężeniu zakłócającemu, po odpowiedniej liczbie cykli powstaje pęknięcie, które nazywamy zmęczeniem. Pękanie zmęczeniowe jest główną przyczyną awarii konstrukcji i elementów inżynierskich. W obecnym zastosowaniu i badaniach wyróżnia się cztery główne rodzaje metod badań zmęczeniowych:
1. Metoda naprężeń i odkształceń nominalnych;
2. Metoda lokalnych naprężeń i odkształceń;
3. Metoda energetyczna;
4. Metoda mechaniki pękania.
W tym artykule pokrótce przedstawiono cztery rodzaje metod i ich zastosowania.
1. Metoda naprężeń nominalnych
Metoda naprężeń nominalnych jest metodą zastosowania testu naprężeń znamionowych do elementu standardowego i jest klasyfikowana jako zmęczenie naprężeniowe i zmęczenie odkształceniowe zgodnie z zależnością między maksymalnym naprężeniem cyklicznym a granicą plastyczności.
Po pierwsze, wprowadza się zmęczenie naprężeniowe, które definiuje się jako zmęczenie naprężeniowe, jeśli maksymalne naprężenie cykliczne Smax jest mniejsze niż granica plastyczności Sy. Ze względu na test zmęczenia naprężeniowego żywotność materiału jest ponad 104 razy większa, więc zmęczenie naprężeniowe jest również nazywane zmęczeniem wysokocyklowym. Zgodnie z teorią zmęczenia naprężeniowego, naprężenie S materiału metalowego i liczba N cykli zniszczenia mają rozkład nieliniowy. Dostępne funkcje potęgowe: weź logarytm: , lub użyj wykładniczego: weź logarytm do reprezentowania, ta metoda nazywa się metodą SN. Wyniki analizowano za pomocą krzywej SN lub krzywej p (współczynnik przeżycia)-SN w rzeczywistym teście.
Zmęczenie naprężeniowe jest generalnie używane dla krzywej zmęczenia materiału SN. Jak pokazano na rys. 1 i rys. 2, granicę zmęczeniową stopu magnezu AZ31B (stosunek naprężeń wynosi 0,1, a trwałość zmęczeniowa 107 odpowiada obciążeniu zmęczeniowemu) bada się metodą podnoszenia. Granica zmęczeniowa próbki stopu magnezu AZ31B na rysunku wynosi 97,29 MPa.
Rysunek 1. Test zmęczeniowy stopu magnezu AZ31B
Rysunek 2. Krzywa SN testu zmęczeniowego stopu magnezu AZ31B
Zmęczenie odkształceniowe jest stosowane do testowania elementów o dużym obciążeniu i niskiej projektowej trwałości. Definicja brzmi: jeśli maksymalne naprężenie cykliczne Smax jest większe niż granica plastyczności Sy, jest to zmęczenie odkształceniowe. Test zmęczenia naprężeniowego służy do badania elementu przy dużym obciążeniu i niskiej częstotliwości. Na przykład, w okresie eksploatacji zbiornika ciśnieniowego, całkowita liczba cykli jest rzędu 104. Dlatego odkształcenie jest używane jako opis parametru wytrzymałości zmęczeniowej. Zmęczenie stresem jest również znane jako zmęczenie niskocyklowe.
Na podstawie badań zmęczenia odkształceniowego uczeni wysunęli następującą teorię zależności naprężenie-odkształcenie (elastoplastyczne naprężenie-odkształcenie Remberga-Osgooda):
We wzorze amplituda odkształcenia sprężystego εe, εp jest amplitudą odkształcenia plastycznego.
W teście symetrycznego odkształcenia o stałej amplitudzie, ze względu na odkształcenie plastyczne materiału, naprężenie nie może zostać zredukowane przez pierwotną ścieżkę, gdy odkształcenie jest zmniejszone, a krzywa naprężenie-odkształcenie jest pierścieniowa. Ta krzywa nazywana jest pętlą histerezy. Wraz ze wzrostem liczby cykli, to samo naprężenie amplitudy odkształcenia będzie się zwiększać lub zmniejszać. Odpowiedź tego naprężenia odpowiadająca zmianie nazywana jest cyklicznym utwardzaniem lub cyklicznym zmiękczaniem. Cykl wystarcza na kilka cykli, a niektóre materiały utworzą stabilną pętlę histerezy.
W zmęczeniu odkształceniowym do opisania tendencji materiału do cyklicznego twardnienia lub cyklicznego zmiękczania stosuje się krzywą naprężenie-odkształcenie. W przypadku materiałów z symetryczną krzywą pętli histerezy nazywa się to materiałem masowym.
Poniższy rysunek przedstawia krzywą σ-ε stopu magnezu ZK60 obciążonego w kierunku walcowania i kierunku poprzecznym. W kierunku poprzecznym zjawisko cyklicznego utwardzania jest oczywiste.
Rysunek 3. Obciążenie stopem magnezu ZK60A wzdłuż krzywej toczenia σ-ε
Rysunek 4. Obciążenie stopem magnezu ZK60A wzdłuż poprzecznej krzywej σ-ε
2. Lokalna metoda naprężeń i odkształceń
W przypadku próbek z karbem i składników skoncentrowanych naprężeniu stosuje się lokalną analizę naprężenie-odkształcenie. Z dotychczasowych badań wynika, że trwałość zmęczeniowa prętów jest lokalnym maksymalnym odkształceniem i naprężeniem i zaproponowano koncepcję współczynnika koncentracji naprężeń. Nadaje się do obliczania trwałości powstawania pęknięć materiału i przewidywania resztkowej trwałości zmęczeniowej komponentów.
Teoria zaproponowana przez metodę naprężeń lokalnych ma wzór Neubera (wzór koncentracji naprężeń)
Teoria Minnera (teoria skumulowanych uszkodzeń zmęczeniowych): Trwałość zmęczeniowa elementu przy stałym naprężeniu S wynosi N, a następnie uszkodzenie w n cyklach wynosi:
W przypadku poddania ni cyklom pod k stałym naprężeniem Si, całkowite uszkodzenie można określić jako:
Kryteria uszkodzenia to:
Zastosowanie metody naprężeń lokalnych pokazano na Rysunku 5 i Rysunku 6.
Rysunek 5. Przewidywana trwałość zmęczeniowa próbek z karbem
Rysunek 6. Przewidywanie trwałości zmęczeniowej żurawia (mapa rozkładu punktów testowych naprężeń i odkształceń żurawia)
Trwałość zmęczeniową w punkcie koncentracji naprężeń oblicza się według następującego wzoru:
Gdzie: Sf – naprężenie zastępcze gładkiej trwałości zmęczeniowej próbki
Rysunek 6 Metoda obliczania trwałości zmęczeniowej żurawia polega na wprowadzeniu mapy historii czasu różnych punktów testowych i wprowadzeniu równania trwałości zmęczeniowej każdego punktu oraz obliczeniu resztkowej trwałości zmęczeniowej każdego punktu. Domyślny punkt minimalnej trwałości to pozostała trwałość zmęczeniowa urządzenia. W przypadku dźwigów uczeni zasugerowali, że skumulowana wartość uszkodzeń D zwykłej stali sięga 0,68.
3. metoda energetyczna
Termografia w podczerwieni jest metodą przewidywania właściwości zmęczeniowych w oparciu o prawo stałej energii procesu zmęczenia materiału. Metoda termicznego obrazowania zmęczenia opiera się na energii termodynamicznej U, energii kinetycznej K oraz innych formach rozpraszania energii w procesie zmęczenia. Suma zmian energii E i zmiany termicznej Q pochłoniętej lub rozproszonej przez obiekt powinna być pracą W działającą na obiekt. ten sam.
Obrazowanie termiczne zmęczeniowe ma zalety nieniszczącej, bezkontaktowej pracy w czasie rzeczywistym. Jednocześnie ze względu na nieliniową zależność między rozpraszaniem energii a obciążeniem zmęczeniowym oraz błąd rozpraszania temperatury z wykorzystaniem rozpraszania ciepła nadal nie nadaje się do pomiarów przemysłowych.
W obecnych badaniach zaproponowano następującą teorię modeli predykcyjnych, metodę Luonga, ∆Tmax i trwałość zmęczeniową Nf:
Gdzie: C1, C2 są stałymi.
Dlatego granicę zmęczenia można przewidzieć metodą dwuprzewodową. Na podstawie rozpraszania ciepła naukowcy zaproponowali następujące modele:
R-nachylenie wzrostu temperatury
Poniżej przedstawiono studium metody termicznego obrazowania zmęczeniowego przeprowadzone przez zespół nauczyciela Zhang Hongxia z Politechniki w Taiyuan. Trwałość zmęczeniowa stopu AZ31B Mg została szybko przewidziana za pomocą obrazowania termicznego. Aby przewidzieć granicę zmęczeniową materiału metodą dwuliniową, wystarczy zbadać wzrost temperatury pierwszego stopnia próbki. Rysunek 7, Rysunek 8, Rysunek 9, odpowiednio.
Rysunek 7. Temperatura powierzchni próbki stopu magnezu AZ31B przy różnych czasach cyklu w teście zmęczeniowym
Rysunek 8. Krzywa temperatury powierzchni próbki procesu zmęczeniowego AZ31B
Rysunek 9. Zmiana temperatury przy obciążeniu zmęczeniowym
4. Metoda mechaniki pękania
Liniowa mechanika pękania sprężystego stanowi teoretyczną podstawę badania rozwoju pęknięć zmęczeniowych. Propagację pęknięć zmęczeniowych można również ilościowo opisać współczynnikiem intensywności naprężeń K.
Pod obciążeniem zmęczeniowym szybkość zmiany a długości pęknięcia a wraz z liczbą cykli N, da/dN jest szybkością narastania pęknięcia zmęczeniowego, odzwierciedlającą szybkość propagacji pęknięcia. Dla danej długości pęknięcia a, da/dN wzrasta wraz ze wzrostem amplitudy naprężeń cyklicznych ∆σ (im większe ∆σ, tym większe ∆K). W oparciu o to zjawisko naukowcy zbadali da/dN-∆K (propagację pęknięć). Krzywa wzrostu intensywności naprężeń, krzywą można podzielić na trzy strefy: niskie tempo, średnie tempo, wysokie tempo. Formuła paryska stwierdza, że istnieje liniowa zależność między stabilnym rozszerzeniem średniej stawki:
Empiryczna formuła kształtu końcówki pęknięcia:
Tworzenie i rozszerzanie się pęknięć zmęczeniowych można ujednolicić w ramach mechaniki uszkodzeń.
Poniżej przedstawiono badanie szybkości pękania stopu magnezu AZ31B i ocenę stabilnej szybkości rozszerzania się AZ31B.
Rysunek 10. Schemat ideowy mechanizmu konkurencji wierzchołka pęknięcia zmęczeniowego
Rysunek 11. Schematyczny diagram trzech różnych obszarów pola naprężenie-odkształcenie na wierzchołku pęknięcia
Rysunek 12. Schemat ideowy krzywej aN mechanizmu konkurencji wierzchołka pęknięcia zmęczeniowego
Rysunek 13. Schematyczny wykres krzywej da/dN-ΔK dla mechanizmu konkurencyjnego wierzchołka pęknięcia zmęczeniowego
Segment AB (strefa średniego tempa): da/dN=4,57×10-7(ΔK)3,25 (7,2＜ΔK≤13,5 MPa•m1/2)
Segment BC (strefa wysokiej szybkości): da/dN=3,16×10-10(ΔK)6,21(13,5＜ΔK≤22,1 MPa•m1/2)
Wniosek:
Te cztery rodzaje metod różnią się pod względem zastosowania. Metoda naprężeń nominalnych i metoda naprężeń lokalnych są odpowiednie do badania wydajności materiałów i komponentów w dziedzinie przemysłowej. Metoda energetyczna pozwala przewidzieć trwałość zmęczeniową materiału, a metoda mechaniki pękania z powodzeniem ujednolica powstawanie i rozszerzanie się pęknięć zmęczeniowych.
