Materiale træthed

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 7. december 2021; checks kræver 5 redigeringer .

Materialetræthed ( engelsk  fatigue of materials ) - nedbrydning af materialets mekaniske egenskaber som følge af den gradvise ophobning af skader under påvirkning af variable (ofte cykliske) spændinger med dannelse og udvikling af revner , som forårsager dets ødelæggelse over en bestemt tidspunkt. Denne type svigt kaldes træthedsfejl .

Fænomenet med et fald i styrken af ​​maskindele under påvirkning af en cyklisk belastning blev opdaget allerede i midten af ​​det 19. århundrede. Dette tjente som grundlag for skabelsen af ​​en ny retning i videnskaben om styrken af ​​materialer og strukturer, kaldet "fysik af træthed af materialer".

Historie

Den første undersøgelse, der behandler spørgsmålet om materialetræthed, er arbejdet af Wilhelm Albert offentliggjort i 1838 [1] [2] . Udtrykket "træthed" tilhører tydeligvis F. Braithwaite ( eng.  Frederick Braithwaite (1854) [3] , selvom Poncelet tilbage i 1839 i sine forelæsninger på militærskolen i Metz karakteriserede metallernes tilstand efter cykliske belastninger som " træthed".

I 1858-1870'erne begyndte den tyske ingeniør August Wöhler systematiske undersøgelser af materialetræthed, hovedsageligt helliget undersøgelsen af ​​træthed af jernbaneaksler [2] . Især studerede han disse deles driftsbetingelser, skabte udstyr, der gjorde det muligt at gengive deres driftsforhold under laboratorieforhold, og byggede træthedskurver for de undersøgte materialer.

I 1880'erne etablerede I. Bauschinger ( Bauschinger- effekten ) en ændring i elasticitetsgrænsen for materialer under gentagne variable belastninger og beviste forskellen mellem deformationsprocesser under statiske og cykliske belastninger, og opdagede også hysteresesløjfer i deformationsdiagrammet i spændingen -belastningskoordinater.

I 1903 opdagede James Alfred Ewing og D. Humphrey tilstedeværelsen af ​​såkaldte glidebånd på overfladen af ​​prøver udsat for variable belastninger, og fandt ud af, at de er en forudsætning for fremkomsten af ​​udmattelsesrevner i metaller [4] [5] . Yderligere undersøgelser [6] viste, at forekomsten af ​​forskydningsbånd ved spændinger , der er væsentligt lavere end flydespændingen, er forbundet med den strukturelle uhomogenitet af metaller, hvilket fører til betydelige deformationer af individuelle lokale volumener af materialet, og også at under cyklisk belastning, proces med plastisk deformation er lokaliseret , på overfladen af ​​prøven observeres ofte udseendet af fremspringende (ekstrudering) og nedtrykte (indtrængende) sektioner af materialet. På det submikrostrukturelle niveau overvejes de mekanismer, der fører til initiering af træthedsrevner, ved hjælp af begreberne dislokationsteori.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev de første undersøgelser i det russiske imperium om træthed af materialer offentliggjort, hvis forfattere var de ukrainske videnskabsmænd M. Voropaev [7] og K. Siminsky [8] .

I første halvdel af det 20. århundrede blev de fænomenologiske mønstre for i materialer undersøgt, og der blev formuleret skadesummeringshypoteser, som gør det muligt at forudsige holdbarhed ved variable amplituder;træthedsskadeakkumulering [8] .

Materialetræthedsforskning blev intensivt udviklet i 1945-1960'erne i forbindelse med træthedsfejl i flystrukturer, hvilket primært havde katastrofale konsekvenser (styrt af det første kommercielle jetfly "Kometa", 1954). Samtidig blev lovene for spredning af data fra den eksperimentelle bestemmelse af udholdenhedsgrænsen og antallet af cyklusser til materialesvigt undersøgt i detaljer, og der blev skabt metoder til at tage hensyn til dem i design af maskiner og strukturer. grundlæggende koncepter for svigt under lavcyklusbelastning blev formuleret, nye tilgange blev udviklet til at vurdere holdbarheden af ​​materialer og strukturer, når grundlaget for brudforudsigelsen ikke blev taget af stress, men af ​​deformation, især dens plastiske komponent [8] .

I 1961 foreslog P. Peris en ligning, der relaterer træthedsrevnevæksthastigheden til værdien af ​​stressintensitetsfaktoren [9] [10] . På grundlag af disse og andre kriterier for brudmekanik er der blevet udført en betydelig mængde forskning, som et resultat af hvilken de vigtigste love for udviklingen af ​​udmattelsesrevner er blevet etableret under hensyntagen til hele komplekset af faktorer, der opstår under driftsforhold.

Typer af træthed

Udtrykket "træthed" bruges til at betegne den afgørende faktor i typen af ​​svigt i form af en uventet pludselig adskillelse af en del eller et maskinelement i to eller flere dele som følge af cykliske belastninger eller deformationer i nogen tid . Ødelæggelse sker gennem initiering og udbredelse af en revne, som bliver dens årsag, når den når en vis kritisk størrelse og bliver ustabil og hurtigt øges. Antallet af belastningscyklusser, hvor der opstår svigt, afhænger af niveauet af den virkende spænding - med en stigning i variable spændinger falder antallet af cyklusser, der kræves til initiering og udvikling af en revne. De belastninger og belastninger, ved hvilke træthedsfejl typisk opstår, er meget lavere end dem, der fører til svigt under statiske forhold. Når størrelsen af ​​belastninger og forskydninger er sådan, at fejl opstår efter mere end 10.000 cyklusser, omtales fænomenet almindeligvis som højcyklustræthed. Når værdierne af belastninger og forskydninger er sådan, at fejl opstår i mindre end 10.000 cyklusser, kaldes fænomenet lavcyklustræthed .

Når cykliske belastninger og deformationer opstår i dele som følge af påvirkningen af ​​et cyklisk varierende temperaturfelt, omtales fænomenet almindeligvis som termisk træthed.

Brud, kendt som overfladetræthed, opstår normalt i nærvær af roterende kontaktflader. Det manifesterer sig i form af pitting , revner og smuldring af kontaktfladerne som følge af påvirkningen af ​​kontaktspændinger, under påvirkning af hvilke, i en lav dybde, opstår de maksimale cykliske forskydningsspændinger nær overfladen. Disse spændinger fører til dannelse af revner, der opstår på overfladen, mens nogle partikler af materialet adskilles. Dette fænomen kan ofte ses som en form for slid .

Fritningstræthed  er processen med skadeakkumulering og aktivering af overfladematerialer , der er i kontakt og udfører oscillerende relative bevægelser med en lille amplitude under påvirkning af en cyklisk belastning, hvilket forårsager variable forskydningsdeformationer af overfladelag, fastholdelse og adskillelse af partikler, udseende af oxider , accelereret revnedannelse og ødelæggelse af objektet [11] . Overfladeskader og mikrorevner, der opstår som følge af gnidning, spiller rollen som træthedsrevnekerner, som et resultat af hvilke træthedsfejl opstår under sådanne belastninger, der ikke ville forårsage svigt under andre forhold.

Slagtræthed opstår, når der opstår svigt ved gentagne stødbelastninger på grund af dannelse og udbredelse af udmattelsesrevner.

Korrosionstræthed er en kompleks type svigt, hvor de negative virkninger af korrosion og vekslende belastning kombineres, hvilket fører til svigt [12] . I korrosionsprocessen dannes der ofte gruber på metaloverfladen, som bliver til spændingskoncentratorer. Som et resultat af stresskoncentration accelereres processen med træthedsfejl. Derudover tjener revner i det skøre lag af korrosionsprodukter som kerner for udmattelsesrevner, der forplanter sig ind i basismetallet. På den anden side, som et resultat af påvirkningen af ​​cykliske spændinger eller deformationer, opstår revnedannelse og afskalning af korrosionsprodukter, det vil sige, at det korrosive mediums adgang til nye lag af metal åbner. Begge processer accelererer således hinanden, og risikoen for ødelæggelse øges.

Materialetræthedsegenskaber

De nominelle værdier af maksimale spændinger under forhold med variabel belastning er mindre end trækstyrken og generelt mindre end materialets flydespænding . Et materiales egenskab til at arbejde under forhold med cykliske belastninger er karakteriseret ved udholdenhedsgrænsen  - den maksimale cyklusspænding i absolut værdi, ved hvilken der stadig ikke er nogen ødelæggelse fra træthed for et givet antal belastningscyklusser, som kaldes testbasen (N 0 ) [13] . Dens værdi afhænger af materialets struktur og defekter, fremstillings- og forarbejdningsteknologi, overfladetilstand, testmiljø og temperatur, spændingskoncentration, prøvestørrelse, belastningspåføringstilstand og så videre og kan variere (under de mest ugunstige forhold, falde). 5-10 gange i forhold til materialets trækstyrke). Disse funktioner forårsager betydelige vanskeligheder ved design af maskiner og strukturer på grund af behovet for at udelukke deres træthedsfejl. Som praksis viser, er 50-80% af nedbrud af maskiner og strukturer forbundet med materialetræthed [8] .

Et materiales evne til at modstå brud under tidsvarierende belastninger kaldes udholdenhed.

Hovedkarakteristikaene for udmattelsesmodstand bestemmes ud fra udmattelseskurven, som karakteriserer forholdet mellem de maksimale spændinger eller cyklusamplituder og prøvernes cykliske holdbarhed. En grafisk repræsentation af det resulterende forhold mellem cyklusspændingsamplituder og antallet af cyklusser til svigt kaldes træthedskurven eller Weller-diagrammet (kurve) (August Weller August Wöhler , tysk ingeniør).

Generelt kan træthedskurven, som beskriver sammenhængen mellem maksimale spændinger og antallet af cyklusser til svigt N p , opdeles i tre sektioner. I afsnit I opstår svigt som følge af rettet plastisk deformation op til brudtøjningen, som er tilnærmelsesvis lig med brudtøjningen under statisk belastning. I afsnit II opstår svigt efter et relativt lille antal belastningscyklusser (N p ≤ 2⋅10 4 cyklusser), og udmattelsesrevnevækst er ledsaget af betydelige plastiske deformationer. Denne type svigt kaldes lav-cyklus træthedsfejl. I afsnit II og III opstår svigt på grund af initiering og udbredelse af en udmattelsesrevne. Ved bruddet kan der som udgangspunkt skelnes mellem to sektioner: en finfiberstruktur, som er typisk for væksten af ​​en udmattelsesrevne, og en grovkornet sektion af det endelige brud.

I afsnit III ødelægges materialet efter et stort antal belastningscyklusser med lille amplitude. I denne henseende kaldes afsnit II afsnittet om lavcyklustræthed; III - et sted med høj-cyklus træthed, eller simpelthen træthed.

Ved afprøvning af nogle materialer, især kulstofstål ved stuetemperatur, er den højre del af afhængigheden rettet mod en vandret linje (N p >10 7 cyklusser).

Cyklisk holdbarhed forstås som antallet af spændings- eller deformationscyklusser, som en genstand modstår under belastning til grænsetilstanden (dannelse af en udmattelsesrevne af en vis længde eller fuldstændig ødelæggelse).

Hvis påføringen af ​​belastninger på materialet er periodisk, kaldes summen af ​​alle spændingsværdier, der forekommer i materialet, spændingscyklus . Træthedsmodstanden påvirkes hovedsageligt af cyklussens minimum (σ min ) og maksimum (σ max ) spændinger og amplituden af ​​spændingscyklussen . Forholdet mellem minimumsspændingen af ​​cyklussen og maksimum, under hensyntagen til tegnene på spændingerne, kaldes  cyklusasymmetrikoefficienten og er angivet med bogstavet r

.

Så, med en symmetrisk cyklus, vil asymmetrikoefficienten være lig med −1, og udholdenhedsgrænsen under træk-kompressionsforhold vil blive kaldt σ ​​−1 , og under torsionsbetingelser τ −1.

Træthedstests

Træthedstest  - Test af den cykliske belastning af et objekt for at bestemme træthedsmodstandskarakteristika [14] .

Ved test for træthed bestemmes udholdenhedsgrænsen . For at bestemme udholdenhedsgrænsen bygges træthedskurver. Samtidig testes mindst ti prøver for et belastningsniveau. Træthedskurver er bygget i semi-logaritmiske eller logaritmiske koordinater [15] .

Der er forskellige testskemaer: bøjning, vridning, spænding, kompression. Den mest almindelige udmattelsestestmetode er den roterende bøjningstest af en cylindrisk prøve, hvor én bøjningscyklus svarer til én omdrejning.

Tilgange til studiet af træthed

Problemet med træthed af materialer studeres af specialister inden for mekanik, fysik, kemi, ingeniørvidenskab og lignende. Deres forskning er rettet både mod at studere karakteren af ​​udmattelsessvigt i materialer og konstruere passende teorier og på at skabe metoder til at designe maskiner og strukturer, der udelukker forekomsten af ​​deres sammenbrud fra træthed under drift [8] .

Videnskaben om materialetræthed kan opdeles efter tilgange til undersøgelsen i:

Forebyggelse af træthedsfejl

Den vigtigste metode til at forhindre udmattelsesfejl er at ændre mekanismens design for at eliminere cykliske belastninger eller at erstatte materialer med dem, der er mindre tilbøjelige til udmattelsesfejl. En betydelig forøgelse af udholdenheden giver kemisk-termisk behandling af metaller , for eksempel overfladenitrering .

Termisk sprøjtning , især højhastigheds flammesprøjtning , skaber trykspænding i belægningen af ​​materialet og hjælper med at reducere deles tilbøjelighed til udmattelsesfejl. .

Nogle bemærkelsesværdige træthedsfejlkatastrofer

Se også

Bemærk

  1. ↑ Albert, WAJ Über Treibseile am Harz // Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, 1838, vol. 10, P 215-234.
  2. ↑ 1 2 Schutz, W. (1996). "En historie om træthed" . Teknisk brudmekanik . 54 (2): 263-300. DOI : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  3. ↑ Braithwaite, F. (1854). "Om træthed og deraf følgende brud på metaller" . Civilingeniørinstitutionen, Protokol . 13 (1854): 463-467. DOI : 10.1680/imotp.1854.23960 . Arkiveret fra originalen 2019-08-09 . Hentet 2021-04-30 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
  4. ↑ Ewing JA, Humphrey JCW Trans. roy. roc (London) (A). Vol. 200, s. 241, 1903.
  5. ↑ Ewing JA, Rosenhain W. Trans. roy. soc (London) (A). Vol. 193, s. 353, 1900.
  6. ↑ Gough HJ, Hanson D. Proc. roy. soc (London) (A). Vol. 104, 1923.
  7. ↑ Beskhmelnitsina M. M. Voropaev Mikhailo Oleksiyovich // Materialets træthed  // Encyclopedia of modern Ukraine  : [ ukr. ]  : ved 30 t.  / National Academy of Sciences of Ukraine Shevchenko , Institut for Encyklopædiske Studier ved Ukraines Nationale Videnskabsakademi. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Troshchenko V. T. Materialemængde Arkivkopi dateret 22. april 2016 på Wayback Machine // Materialetræthed  // Encyclopedia of modern Ukraine  : [ ukr. ]  : ved 30 t.  / National Academy of Sciences of Ukraine Shevchenko , Institut for Encyklopædiske Studier ved Ukraines Nationale Videnskabsakademi. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  9. ↑ Paris Paul C; et al. (1961). "En rationel analytisk teori om træthed" (PDF) . Tendensen inden for teknik . 13 (1):9-14 . Hentet 15. juni 2017 .
  10. ↑ Lutz Diana. Paul C. Paris, pioner inden for brudmekanik, hædret for sit arbejde . Washington University i St. Louis . Washington University i St. Louis. Hentet 15. juni 2017. Arkiveret fra originalen 9. august 2019.
  11. ↑ DSTU 2444-94 Rozrakhunki og test for mіtsnіst. Opir at vtomі. Vilkårene er de samme.
  12. ↑ DSTU 3830-98 Korrosion af metaller og legeringer. Begreberne er de vigtigste at forstå.
  13. ↑ DSTU 2825-94 Rozrahunki og test for mіtsnіst. Begreberne er de vigtigste at forstå.
  14. ↑ DSTU 2824-94 Rozrahunki og test for mіtsnіst. Se og metoder til mekanisk prøvning. Vilkårene er de samme.
  15. ↑ GOST 25.502-79 Beregninger og styrkeprøver i maskinteknik. Metoder til mekanisk prøvning af metaller. Træthedstestmetoder.
  16. ↑ Diskussion i bogen fra 1879 om Versailles-ulykken . Hentet 19. december 2020. Arkiveret fra originalen 16. april 2007.
  17. ↑ Sohn Emily. Hvorfor den store melasseoversvømmelse var så dødbringende  . Historiekanalen . A&E Television Networks (15. januar 2019). Hentet 16. januar 2019. Arkiveret fra originalen 16. januar 2021.
  18. ↑ ObjectWiki: Fuselage of de Havilland Comet Airliner G-ALYP . Videnskabsmuseet (24. september 2009). Hentet 9. oktober 2009. Arkiveret fra originalen 7. januar 2009.
  19. ↑ An-10A styrt af den ukrainske UGA nær Kharkov . airdisaster.ru. Hentet 4. november 2012. Arkiveret fra originalen 4. oktober 2012.
  20. ↑ Mark Cogan: "Det første knæk" . Hentet 19. december 2020. Arkiveret fra originalen 4. august 2021.
  21. ↑ 1 2 Aircraft Accident Report, Aloha Airlines Flight 243, Boeing 737-100, N73711, Near Maui, Hawaii, 28. april 1998 . National Transportation Safety Board (14. juni 1989). Hentet 5. februar 2016. Arkiveret fra originalen 20. januar 2021.
  22. ↑ Ulykkesbeskrivelse på luftfartssikkerhedsnetværk
  23. ↑ Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe . Arkiveret 14. april 2021 på Wayback Machine i: Süddeutsche Zeitung , 2. juni 2008.
  24. ↑ Kudryavy V.V. Systemiske årsager til ulykker  // Hydroteknisk konstruktion. - 2013. - Nr. 2 . Arkiveret fra originalen den 22. januar 2021.
  25. ↑ Obligatorisk inspektion af alle Boeing 737-motorer efter Southwest Incident - Airways Magazine  , Airways Magazine (  18. april 2018). Arkiveret fra originalen den 19. april 2018. Hentet 18. april 2018.

Kilder

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger