Усталость материала, сопротивление усталости и как их учитывать при проектировании

При выборе материала для конкретного изделия важно учитывать условия эксплуатации, которым он будет подвергаться. Выбор материала с правильными свойствами гарантирует долгий срок службы изделия.

Важное свойство, которое необходимо учесть конструктору, - это предел прочности материала на разрыв. Этот показатель оределяет к максимальную нагрузку, которую материал сможет выдержать до того, как произойдет разрушение. При конструировании необходимо обеспечить определенный запас прочности, чтобы снизить риск поломки.

Однако во многих случаях нагрузка на детель непостоянна. Величина и направление нагрузки могут меняться равномерно или неравномерно. Такие нагрузки известны как колеблющиеся нагрузки и могут привести к поломке, которая может произойти при значениях нагрузки намного ниже предела прочности на растяжение .

В этой статье мы узнаем о таком явлении как усталость материала и о том, как избежать поломок, вызванной им.

Оглавление

1. Что такое усталость материала?

2. Что такое усталостный отказ

3. Процесс разрушения из-за усталости материала

4. Детали машин, склонные к усталости

5. Усталостная прочность

6. Предел усталости

7. Предел выносливости

8. S-N Кривая

9. Учет усталости при проектировании

Что такое усталость материала?

Усталость материала можно объяснить как ослабление материала из-за приложения колеблющихся нагрузок, которые приводят к повреждению структуры материала и возможному разрушению. Повреждение начинается локально, со временем нарастает и может закончиться катастрофой.

В процессе эксплуатации детали подвергаются многочисленным колебаниям нагрузки. Вот несколько примеров:

• Точка на колесе вагона, где оно соприкасается с железнодорожным рельсом. При соприкосновении эта часть колеса подвергается сжимающей нагрузке со стороны металлического рельса. Когда эта точка удаляется от рельса, сжимающая сила в этой точке спадает. Это происходит один раз за каждый оборот и миллионы раз за один рейс поезда.
• Транспорт, проезжающий по мосту, создает непостоянную нагрузку на мост. Мост подвергается наибольшей проседающей нагрузке, когда движущийся транспорт находится ближе всего к середине моста. Эта сила снимается, когда нет движения.
• Корпус лодки при движении по волнам подвергается постоянным растягивающим и сжимающим силам. Это особенно заметно в штормовую погоду.

Что такое усталостный отказ

Разрушение из-за усталости (усталостный отказ) - это то, с чем сталкивается каждый, пытаясь сломать металлическую проволоку.

Мы знаем, что для этого необходимо многократное сгибание проволоки вперед и назад. Каждое изгибание вперед-назад - это один цикл. Когда проволока наконец обрывается, вы можете подсчитать количество циклов, которые потребовались, чтобы привести к начальной трещине и окончательному обрыву.

Знание количества циклов и нагрузочных напряжений дает усталостную прочность этого материала.

Если бы вы попытались порвать провод, просто потянув за оба конца, требования к силе были бы довольно высокими. В то же время изгибание требует минимальных усилий и дает тот же результат.

Проволока подвергалась переменным нагрузкам в точке изгиба, поскольку верхняя и нижняя части поперечного сечения проволоки попеременно растягивались и сжимались. При достаточном количестве циклов нагрузки провод обрывается.

Это пример усталостного разрушения. Таким образом, усталостное разрушение может происходить довольно легко даже при небольших нагрузках и небольшом количестве циклов нагружения, в зависимости от материала.

Также стоит отметить, что усталостный отказ не происходит постепенно. Он происходит мгновенно, как будто хрупкий материал распадается на более мелкие кусочки.

Это также гораздо менее предсказуемо, чем обычный отказ, поскольку есть несколько предварительных указаний. Эти признаки трудно увидеть невооруженным глазом. При обычном отказе из-за чрезмерной нагрузки образование трещины будет наблюдаться, но не произойдет до появления усталостного разрушения. Это делает невозможным точно предсказать, в какой момент времени деталь выйдет из строя из-за усталости.

Чтобы предотвратить такую ситуацию, детали необходимо тщательно осмотреть и заменить после рекомендованного количества циклов нагрузки. Количество циклов зависит от характеристик материала и величины нагрузки. Более высокая нагрузка означает более короткий жизненный цикл. Это можно лучше понять, используя кривую SN, к которой мы скоро вернемся.

Процесс разрушения

Разрушение из-за усталости происходит без предупреждения, но при внимательном наблюдении некоторые признаки становятся очевидными.

Образование начальной микротрещины

При непрерывном воздействии на материал циклических нагрузок в местах повышенных напряжений начинают развиваться крохотные трещины. Эти трещины могут быть обнаружены специальными методами контроля.

Одним из таких примеров обнаружения трещин является испытание красителем для проверки шатунов дизель-генераторных двигателей во время текущих капитальных ремонтов. При обнаружении трещин деталь заменяется новой или отремонтированной запчастью.

Распространение трещин

Как только возникла усталостная трещина, она распространяется по детали с каждым циклом нагрузки. Растекаясь по материалу, он обычно образует бороздки на поверхности.

Бороздки - это отметки на поверхности, которые показывают положение вершины трещины. Эти бороздки являются признаком развития усталостной трещины. Распространение трещины происходит очень медленно, когда трещина возникает впервые, и это называется ростом трещины на стадии I.

Образование трещины

Когда трещина достигает критического размера и интенсивность напряжения в точке превышает вязкость разрушения материала, трещина распространяется с высокой скоростью.

Этот тип быстрого распространения известен как рост трещины на стадии II и происходит в направлении, перпендикулярном приложенной силе.

Со временем материал не может выдерживать дальнейшие нагрузки, и происходит его полное разрушение. Это разрушение происходит мгновенно и может привести к серьезным последствиям как для работников, использующих машину, так и самой машины.

Детали, склонные к усталости

Некоторые виды деталей машин с большей вероятностью сломаются из-за колеблющихся напряжений. Инженеру необходимо знать о таких деталях, чтобы избежать поломки.

Валы

Усталость стоит на первом месте в списке причин выхода из строя валов. Коленчатые валы, например, подвергаются серьезным циклическим нагрузкам. Они являются неотъемлемой частью многих силовых агрегатов, таких как дизельные генераторы, судовые двигатели, двигатели автомобилей и поршневые компрессоры.

Некачественная конструкция - основная причина повреждения валов. Для повышения усталостной долговечности коленчатого вала можно использовать процесс галтельной прокатки.

Другие валы, такие как поршневые и центробежные насосы, двигатели и т. д., Также подвергаются циклическим нагрузкам, что может привести к поломке.

Напряжение возникает в разных точках нагрузки. Например, на одном конце вала находится двигатель, который опирается частью своего веса на вал. В качестве точек опоры могут выступать 2 подшипника. В то же время, скорость вращения нуждается в передаче, возможно, в виде звездочки и цепи, которые дополнительно нагружают вал.

Во время вращения направление нагрузки постоянно меняется по отношению к оси вала. Таким образом, может произойти обрыв, аналогично вышеуказанному примеру с проволокой.

Болты

Болты известны как источник возможных поломок. Они должны выдерживать растягивающие и сжимающие напряжения, возникающим при движении/вибрации оборудования.

Недостаточная затяжка болтов дает возможность для большего движения. Таким образом, болты должны быть затянуты с нагрузкой, превышающей максимальную рабочую нагрузку

Шестерни

Шестерни передают мощность через зубья. Эти зубья выдерживают высокие нагрузки, когда находятся в контакте с зубом другой сопряженной шестерни. Когда они отходят от этого положения, напряжения снимаются. Циклическое нагрузка происходит, когда величина силы, действующей на зуб, непрерывно изменяется.

Кроме того, нагрузка распределяется неравномерно по всей длине зубьев. Такая локализация нагрузки может еще больше усугубить проблемы с усталостью.

Сопротивление усталости (усталочная прочность)

Усталостная прочность или сопротивление усталости - это способность материала противостоять усталостному разрушению. Усталочная прочность определяется его как предельное значение напряжения (обозначается S Nf ), при котором разрушение происходит после числа циклов нагрузки N f . Это количество циклов может изменгяться в зависимости от нагрузки и материала.

По прошествии определенного количества циклов нагрузки материал может выйти из строя в любой момент, и разумно заменить его как можно скорее.

Предел усталости

Предел усталости, обозначаемый S f , определяется как значение напряжения, при котором N f (количество циклов, при которых происходит отказ) становится очень большим. N f можно увеличить за счет уменьшения значения напряжения циклической нагрузки.

При сохранении нагрузки ниже предела усталости деталь может выдержать огромное количество циклов, обычно более 10 миллионов, но может достигать и 500 миллионов.

Разница между усталостной прочностью и пределом усталости заключается в количестве циклов. При усталостном пределе оно значительно выше. Поэтому инженеры стараются проектировать свои детали таким образом, чтобы во время работы они находились ниже предела усталости.

Расчет предела выносливости

Существуют различные тесты на усталость, которые позволяют нам определять предел выносливости различных материалов. Это следующие:

1. Метод стрессовой жизни. В этом методе усталостная долговечность материалов рассчитывается путем воздействия на них различных амплитуд напряжений. Затем строится кривая. Эта кривая также известна как кривая SN.
2. Метод деформация-долговечность. Когда деформация, вызванная циклической нагрузкой, больше не является упругой, ее можно использовать вместо напряжения для построения графика зависимости деформации от срока службы.
3. Метод роста трещин. В этом методе рассчитывается степень роста трещины за цикл напряжения. Это дает нам скорость роста трещины и помогает нам оценить количество циклов, необходимых для достижения критического размера трещины.
4. Вероятностные методы — основаны на методах напряжения / деформации или роста трещин и повышает точность прогнозируемого срока службы. Вышеупомянутые методы сами по себе не учитывают распределение вероятностей. Однако мы знаем, что не все детали выйдут из строя одновременно после прохождения N f циклов напряжения. Использование распределения вероятностей помогает нам сократить количество циклов без сбоев.

Предел выносливости

Из графика видно, что кривая SN становится все более плоской по мере уменьшения значений напряжения. Так обстоит дело с большинством материалов.

Наступает момент, когда кривая стали становится горизонтальной. Это означает, что ниже этого значения напряжения материал никогда не разрушится из-за усталости. Этот предел напряжения известен как предел выносливости.

В то же время алюминий не обладает такими свойствами, и, хотя он может выдерживать больше циклов при более низкой нагрузке, предела выносливости нет.

Разница между пределом выносливости и пределом усталости заключается в том, что предел выносливости не определяет ограниченное количество циклов, после которых произойдет поломка . Деталь в основном имеет бесконечный срок службы и не будет иметь усталостных повреждений. У него неограниченная усталостная жизнь.

Кривая SN

Прогнозирование усталостной долговечности может быть выполнено путем построения кривой SN, где S означает приложенное напряжение, а N означает количество циклов нагрузки. Большинство кривых SN строят в лабораториях, где разные образцы испытывают при различных значениях напряжения с использованием испытательного оборудования. Отмечают N f образца . N f - количество циклов, при которых происходит отказ.

Затем эти точки наносятся на логарифмическую кривую SN для учета больших значений N f . Затем линейная регрессия используется для формирования непрерывной кривой вместо дискретных точек тестовых данных на графике.

Готовая кривая в некоторой степени напоминает гиперболу. Уравнение для кривой представляет собой производную SN=константа.

Это означает, что с уменьшением амплитуды напряжения количество циклов напряжения увеличивается экспоненциально. Одно уравнение не может быть использовано для всей кривой, поэтому для точек данных в выбранном диапазоне определяются различные уравнения. Эти уравнения могут быть рассчитаны вручную или с помощью программного обеспечения, например, Solidworks.

После получения S-N кривой ее можно использовать для определения усталостной долговечности детали, если известно значение циклической нагрузки.

Учет усталости при проектировании

Благодаря проведенным исследованиям явления усталости металла за последние несколько десятилетий, имеется много информации для более эффективного проектирования деталей.

При проектировании в пределах предела выносливости материал практически прослужит практиченски вечно при отсутствии коррозии и других факторов. Давайте рассмотрим, как правильное проектирование может улучшить продолжительность жизни материалов.

1. Проектирование в пределах предела выносливости. Максимальная циклическая нагрузка, которая будет приложена во время эксплуатации, должна быть в пределах предела выносливости, чтобы предотвратить усталостное разрушение.
2. Отказоустойчивая конструкция. Конструкция должна учитывать возможный отказ детали. Насколько это возможно, должно быть обеспечено, чтобы отказ одной детали не привел к полной остановке системы или непоправимому повреждению оборудования.
3. Регулярное обновление уязвимых частей. При проектировании необходимо учитывать пределы усталости различных деталей и указывать рекомендуемую продолжительность обслуживания этих деталей. Затем эти сроки обслуживания могут быть добавлены в систему профилактического обслуживания для легкого анализа и обновления деталей.

4. Устойчивость к повреждениям. При проектировании детали необходимо учитывать вероятность наличия дефектов в новой детали. Следует предположить, что трещины могут уже присутствовать.

5. Оценка риска. Риск отказа детали должен регулярно оцениваться, чтобы он оставался в пределах приемлемого уровня.

Также для предотвращения усталостного разрушения, помимо проектирования, необходимо проводить контрольные испытания и проводить плановую профилактику.

Источник: Андреас Веллинг. https://fractory.com/material-fatigue-strength/