Как создавалась концепция усталости и что о ней нужно знать

Концепция кривой предела выносливости (HL) была впервые предложена при решении кривой предела выносливости задней оси.

10 января 1954 года комета BOAC распалась на высоте 7800 метров над Эльбой, Италия.

8 апреля очередная «комета» BOAC врезалась в Неаполитанский залив в Италии, в результате чего погиб 21 человек, находившийся на борту. На данный момент все кометы заземлены.

Частые падения комет потрясли мир.  

Тогда премьер-министр Великобритании Уинстон Черчилль приказал нам во что бы то ни стало выяснить причину катастрофы.

С этой целью ВМС Великобритании направили флот для подъема обломков самолета возле острова Эльба со дна моря на глубине сотен метров и отправили их для расследования в Королевский научно-исследовательский институт авиации.

Расследование установило, что в легких жертв авиакатастрофы были трещины, вызванные расширением газа, что указывает на то, что внезапное снижение давления воздуха в салоне перед катастрофой привело к быстрому расширению газа в легких, что привело к разрыву. легких. Исследование обломков самолета показало, что в некоторых иллюминаторах появились трещины, что соответствовало результатам вскрытия.

В то же время компания de havilan провела строгую проверку самолетов, находящихся в производстве и остановленных. Испытание длилось более 9000 часов, и на обшивке самолета появились трещины, точно так же, как трещины на обломках разбившегося самолета.

По исследованиям и анализу технических специалистов, причиной катастрофы стала «усталость» металлических материалов, из которых изготовлена конструкция корпуса самолета.

Под действием знакопеременного давления через некоторое время в зоне локальных высоких напряжений образуются микротрещины, а затем микротрещины постепенно расширяются до разрушения.

Усталостное разрушение имеет характеристики внезапного во времени, локального по местоположению и чувствительности к окружающей среде и дефектам, поэтому его нелегко обнаружить вовремя.

Под воздействием многократных нагнетаний и разжатий обшивка квадратного иллюминатора самолета-кометы деформируется и трескается, что в конечном итоге приводит к усталостному разрушению металла. Будучи первым типом реактивных лайнеров в мире, «Комета» летает быстрее, чем другие реактивные лайнеры, и, естественно, выдерживает большее давление, что облегчает усталость металла.

Таким образом, в результате расследования катастрофы на комете родилась новая тема – «механика усталости»..

Сегодня мы познакомимся и поймем: кривую усталости и основные механические свойства усталости.

Кривая усталости и кривая симметричной цикловой усталости

（1） Кривая усталости и предел выносливости

Кривая усталости: это кривая зависимости между усталостным напряжением и усталостной долговечностью, т.е. кривая SN, которая является основой для определения предела выносливости и установления критерия усталостного напряжения.

Для металлических материалов с деформационным старением, таких как углеродистая сталь и ковкий чугун, когда уровень циклического напряжения падает до определенного критического значения, участок с низким напряжением становится горизонтальным участком, что указывает на то, что образец может подвергаться бесконечным циклам напряжений без усталостного разрушения. Поэтому соответствующее напряжение называют пределом выносливости, который обозначается как σ – 1 (симметричный цикл, r = – 1).

Если этот тип материала не разрушается после 107 циклов напряжения, можно считать, что он не сломается, даже если он подвергается бесконечным циклам напряжения, поэтому 107 циклов часто используется в качестве основы для определения предела выносливости.

Другой вид металлических материалов, таких как алюминиевый сплав и нержавеющая сталь, не имеет горизонтального участка на кривой SN, но увеличивается с уменьшением напряжения. В настоящее время напряжение без разрушения в определенном цикле может быть определено только как условный предел выносливости или предел усталости с конечным сроком службы в соответствии с эксплуатационными требованиями материалов.

（2） Определение кривой усталости

Обычно кривую усталости измеряют с помощью испытания на усталость при поворотном изгибе. Принцип работы машины для испытания на четырехточечный изгиб показан на рисунке ниже.

Часть кривой SN с высоким напряжением (конечным сроком службы) измеряли методом групповых испытаний, то есть брали более высокий уровень стресса 3-4, и данные примерно 5 образцов измеряли при каждом уровне стресса, а затем данные был обработан для расчета медианного (коэффициент выживаемости 50%) усталостного ресурса.

Медианную кривую SN с выживаемостью 50% можно получить, используя σ – 1, измеренную методом восходящего и нисходящего, в качестве точки самого низкого уровня стресса кривой SN и согласовав ее с результатами, измеренными методом группового тестирования, в прямая линия или кривая.

（3） Предел усталости при различных состояниях напряжения

Предел выносливости одного и того же материала различен при разных напряженных состояниях, но между ними существует определенная связь.

Результаты показывают, что существует определенная взаимосвязь между пределом выносливости при симметричном изгибе и пределом выносливости при симметричном растяжении, сжатии и кручении.

（4） Связь между пределом выносливости и статической прочностью

Испытание показывает, что чем больше предел прочности металлического материала, тем больше предел выносливости.

Для сталей средней и низкой прочности существует линейная зависимость между пределом выносливости и пределом прочности.

Когда σ B мало, это можно приблизительно записать как σ – 1 = σ B.

Когда σ B выше, зависимость, близкая к линейной, будет отклоняться, что связано с уменьшением пластичности и вязкости разрушения, а также с легким образованием и распространением трещин.

Диаграмма усталости и асимметричный предел циклической усталости

Многие детали работают в условиях несимметричной циклической нагрузки, поэтому необходимо измерить предел несимметричной циклической выносливости материалов для удовлетворения потребностей проектирования и выбора материалов таких деталей.

Пределы выносливости различных асимметричных циклов обычно получают из диаграммы усталости методом инженерного чертежа.

В соответствии с различными методами рисования существует два вида диаграмм усталости.

（1） σ a – σ m диаграмма усталости

При условии различного соотношения напряжений R предел выносливости σ r, выраженный σ Max, разлагается на σ A и σ m, и диаграмма усталости σ a – σ m получается путем построения кривой ABC в системе координат.

（2） σ max (σ min) – σ m диаграмма усталости

Предел усталости при различных соотношениях напряжений R выражается через σ max (σ min) и σ m соответственно в системе координат для формирования диаграммы усталости.

AHB — предел выносливости σ Max при различных R.  

Предел выносливости увеличивается с увеличением среднего напряжения или соотношения напряжений, но амплитуда напряжения а уменьшается.

Устойчивость к усталостным перегрузкам

Исходный предел выносливости материала может не изменяться и не уменьшаться, когда металлические детали время от времени подвергаются кратковременным перегрузкам, что зависит от перегрузочного напряжения материала и соответствующих совокупных циклов перегрузки.  

Если металл проработает определенное количество циклов при уровне напряжения, превышающем предел выносливости, его предел выносливости и усталостная долговечность снизятся, что приведет к повреждению от перегрузки.

Способность металлического материала сопротивляться усталостному повреждению от перегрузки выражается границей повреждения от перегрузки или зоной повреждения от перегрузки.

Граница повреждения от перегрузки определяется экспериментально: измеряются различные уровни перегрузочных напряжений и соответствующие им циклы напряжений, которые начинают снижать усталостную долговечность, и получаются разные контрольные точки. Граница повреждения от перегрузки получается путем соединения каждой точки. Два запроса не являются благоприятными

Область теневой линии между границей повреждения от перегрузки и прямолинейным участком области повышенных напряжений кривой усталости (цикл усталостного разрушения при каждом уровне напряжения этого участка называется величиной выносливости при перегрузке) называется областью повреждения при перегрузке. .

При перегрузке деталей в этой области предел выносливости материала будет снижаться в разной степени, причем тем сильнее снижается предел выносливости вблизи значения выносливости.

Чем круче граница повреждения от перегрузки (или величина перегрузочной выносливости) и чем уже зона повреждения, тем сильнее способность противостоять усталостной перегрузке.

Чувствительность к усталости

Из-за необходимости использования детали часто имеют ступеньки, углы, шпоночные канавки, смазочные отверстия, резьбу и т. д. Эти структуры аналогичны эффекту надреза, который изменяет напряженное состояние и вызывает концентрацию напряжений.

Поэтому важно понимать влияние концентрации напряжений, вызванной надрезом, на предел выносливости.

Существует два крайних случая при оценке материалов по чувствительности к усталостным надрезам.

(а) KF = KT, то есть распределение напряжений в образце с надрезом точно такое же, как и в упругом состоянии, и перераспределение напряжений отсутствует. В это время надрез наиболее серьезно снижает предел выносливости, а чувствительность к усталостному надрезу QF = 1, а чувствительность материала к надрезу является самой большой.

(б) KF = 1, σ – 1 = σ – 1n, надрез не снижает предел выносливости, что свидетельствует о большом перераспределении напряжений в процессе усталости, эффект концентрации напряжений полностью исключен, QF = 0, чувствительность материала к вырезу наименьшая.

Следовательно, значение QF может отражать способность материала перераспределять напряжения и снижать концентрацию напряжений при усталости.

Многоцикловая усталость: большинство металлов очень чувствительны к надрезам; уши сломаны

При малоцикловой усталости большинство металлов не чувствительны к надрезу, поскольку область основания надреза последнего находится в пластической зоне, что приводит к релаксации напряжений и уменьшению концентрации напряжений.