Внедрение методов испытаний на усталость

Когда точка компонента подвергается достаточно большому возмущающему напряжению, трещина образуется после достаточного числа циклов, и это явление называется усталостью. Усталостное разрушение является основной причиной разрушения инженерных сооружений и узлов. В текущем приложении и исследованиях существует четыре основных типа испытаний на усталость:
1. Номинальное напряжение и метод деформации;
2. Метод местного напряжения и деформации;
3. Энергетический метод;
4. Метод механики разрушения.
В этой статье кратко представлены четыре типа методов и их применения.

1. Метод номинального стресса

Метод номинального напряжения - это метод применения номинального стресс-теста к стандартному компоненту, который классифицируется на усталостное напряжение и усталостное напряжение в зависимости от соотношения между максимальным циклическим напряжением и пределом текучести.
Сначала вводится усталостное напряжение, которое определяется как усталостное напряжение, если максимальное циклическое напряжение Smax меньше предела текучести Sy. Из-за испытания на усталостную прочность срок службы материала превышает 104 раза, поэтому усталостную нагрузку также называют усталостью при высоких циклах. В соответствии с теорией усталости от напряжения, напряжение S металлического материала и число циклов разрушения N нелинейно распределены. Доступные степенные функции: взять логарифм: или использовать экспоненциальный: взять логарифм для представления, этот метод называется методом SN. Результаты анализировали с использованием кривой SN или кривой p (выживаемости) -SN в реальном тесте.
Усталость от напряжения обычно используется для кривой SN усталости материала. Как показано на фиг.1 и фиг.2, предел усталости магниевого сплава AZ31B (отношение напряжений составляет 0,1, а усталостная долговечность равна 107, что соответствует усталостной нагрузке) проверяется методом подъема. Предел усталости образца магниевого сплава AZ31B на рисунке составляет 97,29 МПа.
Рисунок 1. Испытание усталости из магниевого сплава AZ31B

Рисунок 2. Кривая SN усталостного испытания магниевого сплава AZ31B

Усталость от напряжения применяется для испытаний компонентов с высокой нагрузкой и низким сроком службы. Определение таково: если максимальное циклическое напряжение Smax больше предела текучести Sy, это усталостное напряжение. Испытание на усталостную прочность используется для изучения компонента при высокой нагрузке и низкой частоте. Например, в течение срока службы сосуда под давлением общее число циклов составляет порядка 104. Поэтому в качестве описания параметра усталостных характеристик используется деформация. Стрессовая усталость также известна как усталость низкого цикла.
Основываясь на исследованиях усталости от напряжения, ученые выдвинули следующую теорию зависимости напряжения от напряжения (упругость от напряжения Ремберга-Осгуда) материалов:

В формуле εe амплитуда упругой деформации, εp - амплитуда пластической деформации.
В испытании на симметричную деформацию с постоянной амплитудой из-за пластической деформации материала напряжение не может быть уменьшено с помощью исходного пути, когда деформация снижена, а кривая напряжения-деформации является кольцевой. Эта кривая называется петлей гистерезиса. По мере увеличения числа циклов напряжение или амплитуда одного и того же напряжения будут увеличиваться или уменьшаться. Реакция на это напряжение, соответствующее изменению, называется циклическим отверждением или циклическим размягчением. Цикла достаточно для нескольких циклов, и некоторые материалы образуют устойчивую петлю гистерезиса.
При усталости от напряжения кривая напряжение-деформация используется для описания тенденции к циклическому упрочнению или циклическому размягчению материала. Для материалов с симметричной кривой петли гистерезиса это называется массирующим материалом.
На рисунке ниже показана кривая σ-ε магниевого сплава ZK60, загруженного в направлении прокатки и в поперечном направлении. В боковом направлении явление циклического упрочнения очевидно.
Рисунок 3. ZK60A нагрузка магниевого сплава вдоль кривой σ-ε прокатки

Рисунок 4. Нагрузка магниевого сплава ZK60A вдоль поперечной кривой σ-ε

2. Метод локального напряжения и деформации

Для образцов с надрезом и компонентов, сконцентрированных на напряжении, используется локальный анализ напряжения-деформации. Текущее исследование показывает, что усталостная долговечность элементов является локальным максимальным напряжением и напряжением, и предлагается концепция коэффициента концентрации напряжений. Он подходит для расчета ресурса образования трещин в материале и прогнозирования остаточного усталостного ресурса компонентов.
Теория, предложенная методом локальных напряжений, имеет формулу Нейбера (формула концентрации напряжений)
Теория Миннера (теория усталостных кумулятивных повреждений): усталостная долговечность элемента при постоянном напряжении S равна N, тогда повреждение за n циклов составляет:

Если подвергнуть n циклов при k постоянном напряжении Si, общий ущерб может быть определен как:

Критерии ущерба:

Применение метода локального напряжения показано на рисунке 5 и рисунке 6.
Рисунок 5. Прогноз усталостного ресурса образцов с надрезом
Рисунок 6. Прогнозирование усталостного ресурса крана (карта распределения нагрузочных и деформационных точек крана)

Точечная усталостная прочность при концентрации напряжений рассчитывается по следующей формуле:

Где: Sf - эквивалентное напряжение гладкой усталостной прочности образца
Рис. 6 Метод расчета усталостного ресурса крана заключается в вводе карты временной истории различных испытательных точек, вводе уравнения усталостного ресурса для каждой точки и вычислении остаточного усталостного ресурса в каждой точке. Минимальная точка срока службы по умолчанию - это остаточная усталостная долговечность устройства. В отношении кранов ученые предположили, что совокупное значение ущерба D для обычной стали достигает 0,68.

3.энергетический метод

Инфракрасная термография - это метод прогнозирования усталостных характеристик, основанный на законе энергетической постоянной процесса усталости материала. Метод теплового изображения усталости основан на термодинамической энергии U, кинетической энергии K и других формах рассеяния энергии в процессе усталости. Сумма изменений энергии E и теплового изменения Q, поглощенного или рассеиваемого объектом, должна быть работой W, воздействующей на объект. тот же самый.
Усталостные тепловизионные изображения обладают такими преимуществами, как неразрушающий бесконтактный режим реального времени. В то же время из-за нелинейной взаимосвязи между рассеиванием энергии и усталостной нагрузкой и погрешностью рассеивания температуры при рассеивании тепла она все еще не подходит для промышленных измерений.
Текущее исследование предложило следующую теорию прогностической модели, метод Луонга, Tmax и усталостную долговечность Nf:

Где: C1, C2 - постоянные.
Следовательно, предел усталости можно прогнозировать двухпроводным методом. На основании рассеяния тепла ученые предложили следующие модели:

R-повышение температуры склона
Ниже приводится исследование метода усталостной термической визуализации командой преподавателя Чжан Хунся из Тайюаньского технологического университета. Усталостная долговечность Mg-сплава AZ31B была быстро предсказана с помощью тепловидения. Необходимо только проверить повышение температуры на первой стадии образца, чтобы предсказать предел усталости материала в соответствии с двухстрочным методом. Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9 соответственно.
Рисунок 7. Температура поверхности образца магниевого сплава AZ31B с различным временем цикла в усталостном испытании

Рисунок 8. Кривая температуры поверхности образца процесса усталости AZ31B

Рисунок 9. Изменение температуры в зависимости от усталостной нагрузки

4. Метод механики разрушения

Механика линейного упругого разрушения является теоретической основой для изучения роста усталостных трещин. Распространение усталостных трещин также можно количественно описать коэффициентом интенсивности напряжений K.
При усталостной нагрузке скорость изменения длины трещины a с числом циклов N, da / dN, представляет собой скорость роста усталостной трещины, отражающую скорость распространения трещины. Для данной длины трещины a da / dN увеличивается с увеличением амплитуды циклического напряжения ∆σ (чем больше ∆σ, тем больше ∆K). Основываясь на этом явлении, ученые изучили da / dN-∆K (распространение трещин). Кривая увеличения интенсивности напряжения-напряжения, кривая может быть разделена на три зоны: низкая скорость, средняя скорость, зона высокой скорости. Парижская формула утверждает, что между стабильным расширением средней ставки существует линейная зависимость:
Эмпирическая формула для кончика трещины:

Формирование и расширение усталостной трещины можно объединить в рамках механики повреждений.
Ниже приведено исследование скорости роста трещины магниевого сплава AZ31B и оценка стабильной скорости расширения AZ31B.
Рисунок 10. Принципиальная схема механизма конкуренции острия усталостной трещины

Рисунок 11. Принципиальная схема трех разных областей поля напряжений на вершине трещины

Рисунок 12. Принципиальная схема кривой AN механизма конкуренции острия усталостной трещины

Рисунок 13. Принципиальная схема кривой da / dN-ΔK для механизма соревнования усталостных трещин

Сегмент АВ (зона средней скорости): da / dN = 4,57 × 10-7 (ΔK) 3,25 (7,2 < ΔK≤13,5 МПа • м1 / 2)
Сегмент BC (зона высокой скорости): da / dN = 3,16 × 10-10 (ΔK) 6,21 (13,5 K K≤22,1 МПа • м1 / 2)
Заключение:
Четыре типа методов различны в применении. Метод номинального напряжения и метод локального напряжения подходят для испытания материалов и характеристик компонентов в промышленной сфере. Энергетический метод может предсказать усталостную долговечность материала, а метод механики разрушения успешно объединяет образование и расширение усталостной трещины.

Оставьте комментарий

ru_RUРусский
en_USEnglish zh_CN简体中文 es_ESEspañol arالعربية hi_INहिन्दी pt_BRPortuguês do Brasil bn_BDবাংলা ja日本語 pa_INਪੰਜਾਬੀ jv_IDBasa Jawa de_DEDeutsch ko_KR한국어 fr_FRFrançais tr_TRTürkçe viTiếng Việt pl_PLPolski ru_RUРусский