Усталость (материал)

Ослабление материала, вызванное изменяемыми приложенными нагрузками Разрушение алюминиевого плеча кривошипа. Темная область штрихов: медленный рост трещин. Яркая зернистая область: внезапное разрушение.

В материаловедении, усталость - это ослабление материала, вызванное циклической нагрузкой, которое приводит к прогрессирующим и локализованным повреждениям конструкции и росту трещин.. Как только возникла бороздка на некоторых частях поверхности излома, она будет немного увеличена с каждым циклом нагружения, обычно образуя . Трещина продолжает расти до тех пор, пока не достигает критического размера, что происходит, когда коэффициент прочности напряжения трещины с вязкость разрушения материала, вызывая быстрое распространение и обычно полное разрушение конструкции.

Усталость традиционно ассоциировалась с разрушением металлических компонентов, что произошло к появлению термина усталость металла . В девятнадцатом веке металла, что внезапный выход из строя металлических железнодорожных осей вызывает кристаллизацию из-за хрупкости поверхности излома, но с тех пор это опровергается. Похоже, что большинством материалов, таких как композиты, пластмассы и керамика, испытывают какие-либо разрушения, связанные с усталостью.

Чтобы помочь в прогнозировании усталостной долговечности компонента, испытания на усталость используются с использованием купонов. для измерения скорости роста трещины путем применения циклической нагрузки амплитуды и усреднения измеренного роста трещины за тысячи циклов. Однако есть специальные случаи, когда скорость роста трещин, требуется корректировка. Такое как: снижение скорости роста, происходит при небольших нагрузках около порога или после приложения перегрузки; Связанная с короткими трещинами или после приложения недогрузки.

Если нагрузки превышают определенный порог, трещины возникли при уровнех напряжения таких в виде отверстий, устойчивых полос скольжения (PSB), границ раздела композитов или границ зерен в металлах. Номинальные максимальные значения напряжения, вызывающие такое повреждение, могут быть намного меньше прочности материала, обычно обозначаемого предел прочности на разрыв или предел текучести.

• 1 Стадии 1.1 Возникновение усталости
  • 1.1 Возникновение трещин
  • 1.2 Рост трещин
    • 1.2.1 Ускорение и замедление
• 2 Характеристики усталости
• 3 Хронология истории исследований усталости
• 4 Прогноз Усталостная долговечность
  • 4.1 Методы стресс- долговечности и деформации-долговечности
    • 4.1.1 Правило Майнера
    • 4.1.2 Метод стресс-долговечности (SN)
    • 4.1.3 Метод деформации-долговечности (ε-N)
  • 4.2 Методы роста трещин
• 5 Работа с усталостью
  • 5.1 Проектирование
  • 5.2 Испытания
  • 5.3 Ремонт
  • 5.4 Увеличение срока службы
• 6 Заметные усталостные разрушения
  • 6.1 Крушение поезда Версаль
  • 6.2 de Havilland Comet
  • 6.3 Опрокидывание нефтяной платформы Alexander L. Kielland
  • 6.4 Другое
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Дополнительная литература
• 10 Внешние ссылки

Исторически усталость разделялась в области многоцикловой усталости, требующие более 10 циклов до разрушения, напряжение низкое, и в первую очередь упругость и малоцикловая усталость, где имеется значительная пластичность. Эксперименты показали, что малоцикловая усталость также ростом трещины.

Усталостные разрушения, как при высоком, так и при низком цикле, все следуют одним и тем же основным этапом процесса зарождения трещины, роста трещины на этапе I, роста трещины на этапе II и наконец окончательный провал. Чтобы начать процесс, внутри материала должны зародиться трещины. Этот процесс может происходить либо в концентраторах напряжения в металлических образцах, либо в областях с высокой плотностью пустот в полимерных образцах. Эти трещины сначала медленно распространяются во время роста трещины I стадии по кристаллографическому плоскостям, где сдвига максимальны. Когда трещины достигают критического размера, они быстро распространяются во время роста трещины II стадии в направлении, перпендикулярном приложенной силе. Эти трещины могут привести к окончательному разрушению материала, часто с катастрофической хрупкостью.

Возникновение трещин

Формирование начальных трещин, предшествующих усталостному разрушению, представляет собой отдельный процесс, состоящий из четырех дискретных этапов в металлических образцах. Материал будет способствовать ячеистую структуру и затвердеть в ответ на приложенную нагрузку. Это напряжение амплитуды приложенного с учетом новых ограничений на деформацию. Эти новообразованные клеточные структуры в итоге разрушают устойчивые полосы скольжения (PSB). Скольжение в материале локализовано в этих PSB, и увеличенное скольжение теперь может концентратором напряжения для образования трещины. Зарождение и рост трещины до обнаруживаемого размера составляет часть процесса растрескивания. Именно по этой причине циклические усталостные отказы, кажется, происходит так внезапно, когда основная часть изменений материала не видна без разрушающих испытаний. Даже в обычно пластичных материалах усталостные разрушения будут напоминать внезапные хрупкие разрушения.

Плоскостижения, вызванные PSB, приводят к проникновению и экструзии вдоль поверхности материала, часто происходящему парами. Это скольжение не является изменением микроструктуры внутри материала, а скорее распространением дислокаций внутри материала. Вместо гладкого интерфейса вторжения и выдавливания заставят поверхность материала напоминать край колоды карт, где не все карты идеально выровнены. Внедрения и выдавливания, вызванные скольжением, на материале очень тонкую структуру поверхности. Поверхностное скольжение, вызванное PSB, может вызвать возникновение трещин.

Эти этапы также можно пропустить, если трещины образ в уже существующем концентраторе напряжений, например, из-за включения в материале или из-за геометрического концентратора напряжений, вызванного острым внутренним углом или скруглением.

Рост трещины

Большая часть усталостного ресурса обычно расходуется на фазе роста трещины. Скорость роста в первую очередь определяется диапазоном циклических нагрузок, хотя дополнительные факторы, такие как средний стресс, перегрузки и недогрузки, также могут влиять на скорость роста. Рост трещин может прекратиться, если нагрузка достаточно малы, чтобы упасть ниже критического порога.

Усталостные трещины могут вырасти из-за дефектов материала или производства размером от 10 мкм.

Когда скорость роста становится достаточно большой, на поверхности излома становятся видны полосы усталости. Штрихи обозначают положение вершины трещины, а ширина каждой полосы представляет рост от одного цикла нагружения. Штрихи - это результат пластичности вершины трещины.

Когда интенсивность напряжения как критическое значение, происходит неустойчивое быстрое разрушение, обычно в результате процесса слияния микропустот. До окончательного разрушения поверхности разрушения может содержать смесь усталости и малых разрушения.

Ускорение и замедление

Следующие эффекты изменяют скорость роста:

• Эффект среднего стресса . Более высокое среднее увеличение скорости роста трещин.
• Окружающая среда . Повышенная влажность увеличивает скорость роста трещин. В случае алюминия трещины обычно растут от поверхности, где водородный пар из атмосферы может достичь вершины трещины и диссоциировать на атомарный водород, что вызывает водородное охрупчивание. Растущие внутри трещины изолированы от атмосферы и растут в вакууме, где скорость роста обычно на порядок ниже, чем у поверхностной трещины.
• Эффект короткой трещины . В 1975 году Пирсон заметил, что короткие трещины растут быстрее, чем ожидалось. Возможные причины эффекта короткой трещины включают наличие Т-напряжения, трехосное напряженное состояние в вершине трещины, отсутствие закрытия трещины, связанное с короткими трещинами, большую пластическую зону по сравнению с длиной трещины. Кроме того, длинные трещины обычно имеют порог, которого нет у коротких трещин. Существует ряд критериев коротких трещин:
  • трещины обычно меньше 1 мм,
  • трещины меньше размера микроструктуры материала, такого как размер зерна, или
  • Длина трещины мала по сравнению с пластической зоной.
• Недогрузки . Небольшое количество недогрузок увеличения скорости роста и может противодействовать эффекту перегрузок.
• Перегрузки . Первоначальные перегрузки (>1,5 максимальной нагрузки в отслеживании) приводят к небольшому увеличению скорости с последующим длительным снижением скорости роста.

• В металлических сплавах и для упрощения случай, когда нет макроскопических или микроскопических неоднородностей, процесс начинается с перемещений дислокаций на микроскопическом уровне, которые в конечном итоге образуют устойчивые полосы скольжения, которые становятся ядром коротких трещин.
• Макроскопические и микроскопические неоднородности (в кристаллическом зерне) шкалы), а также конструктивные особенности компонентов, которые вызывают концентрацию напряжений (отверстия, шпоночные пазы, резкие направления нагрузки и т. Д.), являются общими местами, в которых начинается процесс усталости.
• Усталость - это процесс, который имеет степень случайности (стохастический ), часто демонстрирующий значительный разброс даже в кажущихся идентичными образцами в хорошо контролируемой среде.
• Усталость обычно связана с растягивающими напряжениями, но усталость сообщалось об ошибках из-за сжимающих нагрузок.
• Чем больше диапазон приложенного напряжения, тем короче срок службы.
• Устойчивость долговечности.
• Ущерб необратим. Материалы не восстанавливаются в состоянии покоя.
• Усталостная долговечность зависит от множества факторов, таких как температура, чистота поверхности, металлургическая микроструктура, присутствие окисляющие или инертные химические вещества, остаточные напряжения, истирание контакта (истирание ) и т. д.
• Некоторые материалы (например, некоторые сталь и титановые сплавы) имеют теоретический предел выносливости, ниже которого продолжающаяся нагрузка не приводит к усталостному разрушению.
• Многоцикловая усталость Прочность (примерно от 10 до 10 циклов) может быть описана на основе напряжений. В этих испытаниях обычно используется сервогидравлический испытательный стенд с регулируемой нагрузкой с частотой около 20–50 Гц. Другие виды машин, например, резонансные магнитные машины, также Работа для достижения частот до 250 Гц.
• Малоцикловая усталость (нагрузка, которая обычно вызывает отказ чем за 10 циклов), связывает с локализованным пластиком поведение в металлах; таким образом, для прогнозирования усталостной долговечности металлов следует использовать параметр на основе деформации. Испытания с постоянными амплиту деформации, как правило, на уровне 0,01–5 Гц.

Микрофотографии, показывающие, как растут усталостные трещины на поверхности по мере дальнейшего циклирования материала. Из Ewing Humfrey, 1903

• 1837: Вильгельм Альберт публикует первую статью об утомлении. Он разработал испытательную машину для конвейерных цепей, используемых на шахтах Клаусталь .
• 1839 г.: Жан-Виктор Понселе данные металлы как «усталые» в своих лекциях в военной школе в Мец.
• 1842: Уильям Джон Маккорн Рэнкин признает важность концентрации стресса в своем исследовании железной дороги ось отказы. Крушение поезда Версаль было вызвано усталостным отказом оси локомотива.
• 1843: Джозеф Глинн сообщает об усталости оси на локомотивном тендере. Он определяет шпоночный паз как источник трещины.
• 1848: Железнодорожная инспекция сообщает об одном из первых поломок шины, вероятно, из-за отверстий под заклепку в протекторе железнодорожного вагона. рулевое колесо. Скорее всего, это была усталость.
• 1849: Итону Ходжкинсону предоставлена ​​«небольшая сумма денег», чтобы он отчитался перед Парламентом Великобритании о своей работе в «установлении» путем прямого эксперимента, влиянии продолжающихся изменений нагрузки на железные конструкции и то, в какой степени они могут быть загружены без опасности для их конечной безопасности ».
• 1854: Ф. Брейтуэйт сообщает об общих сбоях из-за усталости при обслуживании и дает термин «усталость».
• 1860: систематические испытания на утомляемость, проведенные сэром Уильямом Фэйрбэрном и Августом Велером.
• 1870: А. Велер резюмирует свою работу по железнодорожным осям. Он приходит к выводу, что диапазон циклических напряжений более важен, чем пиковое напряжение, и первое понятие предела выносливости.
• 1903: сэр Джеймс Альфред Юинг демонстрирует происхождение усталостного разрушения в микроскопических трещинах.
• 1910: О.Н. Баскин предлагает логарифмическую зависимость для кривых SN, используя данные испытаний Велера.
• 1940: Сидни М. Кэдвелл публикует первое строгое исследование усталости резины.
• 1945: AM Miner популяризирует гипотезу линейных повреждений Палмгрена (1924) как практический инструмент проектирования.
• 1952: W. Вейбулл Модель кривой SN.
• 1954: Первый в мире коммерческий реактивный лайнер de Havilland Comet терпит бедствие, когда три самолета разбиваются в воздухе, в результате чего де Хэвилленд и все другие производители модернизируют высотные самолеты и, в частности, заменяют квадратные проемы, такие как окна, на овальные.
• 1954: LF Coffin и SS Manson объясняют рост усталостных трещин в терминах пластика деформация в вершине трещины.
• 1961: П. К. Пэрис предлагает методы прогнозирования скорости роста усталостных трещин практического скептицизму популярной защиты феноменологического подхода Майнера.
• 1968: Тацуо Эндо и М. Мацуиши разработал алгоритм подсчета дождевых потоков и обеспечил надежное применение правил Майнера к случайным загрузкам.
• 1970: У. Элбер разъясняет механизмы и механизмы закрытие трещины замедление роста усталостной трещины из-за заклинивающего эффекта пластической деформации, оставшейся позади вершины трещины.
• 1973: М.У. Браун и К.Дж. Миллер обратите внимание на то, что усталостная долговечность в многоосных условиях определяет образование, получившее наибольшее повреждение, и что необходимо учитывать как растягивающие, так и поперечные нагрузки на критическую плоскость.
• 1986: всеобъемлющий Первоначально формулируется износоусталостное повреждение активных систем, приводящее к созданию трибофатичности.

Спектральная нагрузка

Американское общество испытаний и материалов на усталостную долговечность, N f, как количество циклов напряжения определенного характера, которое образец выдерживает перед Возникла ошибка нового характера. Для некоторых материалов особенно стали и титана существует теоретическое значение амплитуды напряжения, материал которого не разрушится в течение любого количества циклов, называемый предел выносливости . предел выносливости, или усталостная прочность.

Инженеры использовали ряд методов для определения усталостной долговечности материала:

1. метод стресс-долговечности,
2. метод деформации-долговечности,
3. метод роста трещин и
4. вероятностные методы, которые могут быть основаны либо на ресурсах, либо на методах роста трещин.

Независимо от того, используется ли подход «напряжение / деформация-долговечность» или используется подход к росту трещины, комплексная или переменная амплитуда нагрузка к серии простых циклических нагрузок, эквивалентных усталости, с использованием такой техники, как алгоритм подсчета дождевого потока.

методы стресс-долговечности и деформации-долговечности

Механическая часть часто подвергается сложной, часто случайный, последовательность нагрузок, больших и малых. Чтобы оценить безопасный срок службы такой детали с использованием методов усталостного повреждения или напряжения / деформации, обычно выполняется следующая последовательность шагов:

1. Сложное нагружение сводится к серии простых циклических нагружений с использованием такой техники, как анализ дождевого потока ;
2. A гистограмма циклического напряжения создается из анализа дождевого потока для формирования:
3. Для каждого уровня напряжения степень совокупного повреждения рассчитывается по кривой SN; и
4. Эффект отдельных вкладов комбинируется с использованием алгоритма, такого как правило Майнера.

Поскольку кривые S-N обычно генерируются для одноосного нагружения, необходимо некоторое правило эквивалентности всякий раз, когда нагрузка является многоосной. Для простых, пропорциональных историй нагрузки (поперечная нагрузка в постоянном соотношении с осевой) может применяться. Для более сложных ситуаций, таких как непропорциональная нагрузка, необходимо применять анализ критической плоскости.

Правило Майнера

В 1945 году М.А. Майнер популяризировал правило, которое впервые было предложено А. Палмгрен в 1924 году. Правило, по-разному называемое правилом Майнера или гипотезой линейного повреждения Палмгрена-Майнера, гласит, что если в спектре есть k различных величин напряжений, S i (1 ≤ i ≤ k), каждый из которых вносит n i(Si) циклов, то, если N i(Si) - это количество циклов до разрушения при постоянном изменении напряжения S i (определено испытаниями на одноосную усталость), происходит отказ когда:

$\sum \; i\; =\; 1\; kni\; N\; i\; =\; C\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sum\; \_\; \{i\; =\; 1\}\; ^\; \{k\}\; \{\backslash \; frac\; \{n\_\; \{i\}\}\; \{N\_\; \{i\}\}\}\; =\; C\}$

Обычно для целей проектирования C принимается равным 1. Это можно рассматривать как оценку того, какая часть жизни потребляется линейной комбинацией инверсий напряжения в различных величинах.

Хотя правило Майнера может быть полезным приближением во многих обстоятельствах, оно имеет несколько основных ограничений:

1. Оно не учитывает вероятностную природу утомления, и нет простого способа связать срок службы, предсказанный этим правилом, с характеристики вероятностного распределения. Отраслевые аналитики часто используют расчетные кривые, скорректированные с учетом разброса, для расчета N i(Si).
2. Последовательность, в которой циклы высоких и низких напряжений применяются к образцу, на самом деле влияет на усталостную долговечность, которую не учитывает правило Майнера. В некоторых обстоятельствах циклы низкого напряжения, за которым следует высокий стресс, причиняют больший ущерб, чем можно было бы предсказать по правилам. Он не учитывает эффект перегрузки или высокого напряжения, которые могут привести к остаточному напряжению сжатия, которое может замедлить рост трещины. Высокое напряжение, сопровождаемое низким напряжением, может привести к меньшим повреждениям из-за наличия остаточного напряжения сжатия.

Метод определения срока службы (SN)

Кривая SN для хрупкого алюминия с пределом прочности на разрыв 320 МПа

Материалы Усталостные характеристики обычно характеризуют кривой SN, также известной как кривая Вёллера . Эточасто наносится на график зависимости циклического напряжения (S) от количества циклов до отказа (N) в логарифмической шкале. Кривые S-N получены в результате испытаний материалов, необходимых охарактеризовать (которые часто называемые купонами или образцами), когда испытательная машина прикладывает регулярное синусоидальное напряжение, которое также подсчитывает количество циклов до разрушения. Этот процесс иногда называют тестированием купонов. Для большей точности, но с меньшей общностью используется тестирование компонентов. Каждый тест купона или пытается установить точку на графике, хотя в некоторых случаях имеет место биение, когда до этого требуется доступное для теста (см. цензура ). Для анализа данных об утомляемости требуются методы из статистики, особенно анализ выживаемости и линейная регрессия.

На развитие кривой SN могут влиять многие факторы, такие как соотношение напряжений (среднее напряжение), частота нагружения, температура, коррозия, остаточные напряжения и наличие зазубрин. Диаграмма постоянной стабильной долговечности (CFL) полезна для изучения влияния соотношения напряжений. Линия Гудмана - это метод использования для оценки напряжения на среднем усталостная прочность.

Диаграмма постоянной усталостной прочности (CFL) для оценки отношения напряжений на кривую S-N. Кроме того, при наличии напряжения постоянного, накладываемого на циклическую нагрузку, соотношение Гудмана может быть отказано. Он строит график зависимости амплитуды напряжения от среднего напряжения с пределом выносливости и предел прочности на растяжение материала в качестве крайних двух значений. Альтернативные критерии включают в себя Содерберга и Гербера.

Купоны, отобранные из однородного кадра, будут отображать изменение количества циклов до отказа, кривая SN должна быть более точной кривой вероятности цикла (нагрузки SNP). для вероятности отказа после заданного количества циклов определенного напряжения.

Для объема-центрированных кубических материалов (ОЦК) кривая Велера часто становится горизонтальной линией с уменьшающейся амплитудой напряжения, т.е. существует усталостная прочность, которая может быть присвоена этим материалом. Для гранецентрированных кубических металлов (ГЦК) кривая Велера обычно непрерывно падает, так что этим материалом можно присвоить только предел усталости.

Метод деформационной долговечности (ε-N)

График, показывающий усталостное разрушение как функция амплитуды деформации.

Когда деформации перестают быть упругими, например, при наличии концентраций напряжений, использовать параметры подобия вместо напряжения можно общую деформацию. Это известно как метод растяжения-жизни. Полная амплитуда деформации $\Delta \; \epsilon \; /\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; /\; 2\}$представляет собой сумму амплитуды упругой деформации $\Delta \; \epsilon \; e\; /\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\; /\; 2\}$и амплитуда пластической деформации $\Delta \; \epsilon \; p\; /\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{p\}\}\; /\; 2\}$и задается формулой

$\Delta \; \epsilon \; 2\; =\; \Delta \; \epsilon \; e\; 2\; +\; \Delta \; \epsilon \; p\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \backslash \; over\; 2\}\; =\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\; \backslash \; over\; 2\}\; +\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{p\}\}\; \backslash \; over\; 2\}\}$.

Уравнение Баскена для амплитуды упругой деформации:

$\Delta \; \epsilon \; e\; 2\; =\; \Delta \; \sigma \; 2\; E\; =\; \sigma \; a\; E\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\; \backslash \; over\; 2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; sigma\}\; \{2E\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sigma\; \_\; \{\backslash \; text\; \{a\}\}\}\; \{E\}\}\}$

где $E\; \{\backslash \; displaystyle\; E\}$равно модуль Юнга.

Соотношение для многоцикловой усталости можно выразить с помощью амплитуды упругой деформации

$\Delta \; \epsilon \; е\; 2\; знак\; равно\; \sigma \; е\; \text{'}\; Е\; (2\; N\; е)\; б\; \{\backslash \; Displaystyle\; \{\backslash \; D\; elta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\; \backslash \; over\; 2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sigma\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\}\; ^\; \{\backslash \; prime\}\}\; \{E\}\}\; (2N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\})\; ^\; \{b\}\}$

где $\sigma \; f\; \text{'}\{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\}\; ^\; \{\backslash \; prime\}\}$- параметр, масштабируемый при растяжении прочности, полученная путем подбора экспериментальных данных, $N\; f\; \{\backslash \; displaystyle\; N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\}\}$- количество циклов до отказа, а $b\; \{\backslash \; displaystyle\; b\}$- это наклон логарифмической кривой, снова определяемый путем подбора кривой.

В 1954 году Коффин и Мэнсон предположили, что усталостная долговечность связями с амплитудой пластической деформации, используя:

$\Delta \; \epsilon \; p\; 2\; =\; \epsilon \; f\; \text{'}(2\; N\; f)\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{p\}\}\; \backslash \; over\; 2\}\; =\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\}\; ^\; \{\backslash \; prime\}\; (2N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\})\; ^\; \{c\}\}$.

Уравнения могут быть объединены для учета многоцикловой и малоцикловой усталости, давая

$\Delta \; \epsilon \; 2\; =\; \sigma \; f\; \prime \; E\; (2\; N\; f)\; b\; +\; \epsilon \; f\; \prime \; (2\; N\; f)\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; varepsilon\; \backslash \; over\; 2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sigma\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\}\; ^\; \{\backslash \; prime\}\}\; \{E\}\}\; (2N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\})\; ^\; \{b\}\; +\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\}\; ^\; \{\backslash \; prime\}\; (2N\; \_\; \{\backslash \; text\; \{f\}\})\; ^\; \{c\}\}$.

Методы роста трещин

Оценить усталостную долговечность компонента можно с помощью уравнение роста трещины путем суммирования каждого приращения каждого цикла нагружения. К расчетному сроку службы применяются коэффициенты безопасности или разброса, чтобы учесть любую неопределенность и изменчивость, связанную с усталостью. Скорость роста, используемая при измерении скорости роста, обычно измеряется путем измерения скорости распространения трещин на поверхности купона.. Стандартные методы измерения скорости роста разработаны ASTM International.

Уравнения роста трещин, такие как уравнение Париса - Эрдогана, используются для прогнозирования срока службы компонента. Их можно использовать для прогнозирования роста трещины от 10 мкм до разрушения. Для обычных производственных предприятий это может охватывать большую часть усталостного ресурса компонента, которого может начаться с первого цикла. Условия на испытании испытательного образца с использованием характеристик напряжения, такого как интенсивность, J-интеграл или смещение раскрытия вершины трещины. Тесты на ускорение.

Могут потребоваться дополнительные модели для включения замедления и ускорения, связанных с перегрузками или недогрузками в сопровождении нагружения. Кроме того, могут потребоваться данные о росте мелких трещин, чтобы соответствовать повышенной скорости роста небольших трещин.

Обычно для извлечения используется метод подсчета циклов, такой как подсчет циклового потока циклы из сложной последовательности. Было показано, что этот метод, наряду с другими, работает с методами роста трещин.

Методы роста трещин имеют то преимущество, что они могут предсказать промежуточный размер трещин. Эта информация децентрализованная установка для системы безопасности, тогда как методы системы / срока службы дают срок службы только до отказа.

Поверхность разрушения в стеклянном стержне, показывающая следы пляжа, окружающие место инициации.

Надежная конструкция против усталостного разрушения требует тщательного обучения контролируемого опыта в строительная инженерия, машиностроение или материаловедение. Существует как минимум пять основных подходов к обеспечению срока службы механических деталей, которые демонстрируют возрастную степень сложности:

1. Конструкция, позволяющая удерживать напряжение ниже порогового значения предела выносливости (бесконечного концепции службы);
2. отказоустойчивость, отказанная деградация и отказоустойчивый дизайн : попросите пользователя заменить детали в случае их выхода из строя. Проектируйте таким образом, чтобы не было единой точки отказа, и чтобы не было отказа какой-либо части не приводил к катастрофическому отказу всей системы.
3. Дизайн с безопасным сроком службы : Дизайн (консервативно) на фиксированный срок службы, по истечении которого пользователь получает указание заменить деталь на новую (так называемая деталь с подъемом, концепция с ограниченным сроком службы или конструкция с "безопасным сроком службы) "практика); запланированное устаревание и одноразовое изделие - это варианты, рассчитанные на фиксированный срок службы, по истечении которого пользователь получит указание заменить все устройство;
4. Устойчивость к повреждениям : подход, который обеспечивает безопасность самолета, предполагая наличие трещин или дефектов даже в новом самолете. Расчеты ростин, периодические осмотры и ремонт Инспекции обычно используют неразрушающий контроль для ограничения или контроля размера преступин и требуют точного прогнозирования скорости роста трещин между инспекциями. Конструктор устанавливает достаточно частый график проверок обслуживания самолета, чтобы детали заменялись, пока трещина все еще находится в фазе «медленного роста». Это часто устойчивой к повреждениям конструкцией или «снятием с эксплуатации по причине».
5. Управление рисками : Гарантирует, что вероятность отказа остается ниже приемлемого уровня. Этот подход обычно используется для воздушных судов, где приемлемые уровни могут быть основаны на вероятности отказа во время одного полета или продолжении срока службы воздушного судна. Предполагается, что компонент имеет трещину с вероятным распределением размеров трещины. Этот подход может быть изменен, использование и критический размер трещины. Вызывают многочисленные повреждения в местах, вызывающих множественные повреждения . Распределения вероятностей, которые являются общими для анализа данных и проектирования против утомления, включают логнормальное распределение, распределение экстремальных значений, распределение Бирнбаума - Сондерса и Распределение Вейбулла.

Испытания

Испытания на усталость можно использовать для таких компонентов, как купон или полномасштабный образец для испытаний, чтобы определить:

1. скорость роста трещин и усталостную долговечность таких компонентов, как купон или полномасштабное испытательное изделие.
2. расположение критических областей
3. степень отказоустойчивости при выходе из строя части конструкции
4. источник и причина дефекта, порождающего трещину, из фрактографического исследования трещины.

Эти испытания могут быть частью стандарта сертификации, например, для сертификации летной годности.

Ремонт

1. Стоп сверла Начали распространяться усталостные трещины, которые иногда можно остановить просверливанием отверстий, называемых ограничителями сверления, на вершине трещины. Остается возможность новой трещины, начинающейся на стороне отверстия.
2. Смесь . Небольшие трещины можно сгладить, поверхность обработать холодной обработкой или дробеструйной обработкой.
3. Отверстия большого размера . Отверстия с растущими из них трещинами можно просверлить до большего отверстия, чтобы удалить трещины, и втулки, чтобы восстановить исходное отверстие. Втулки могут быть подвергнуты холодной усадке Втулки с натягом для создания полезных сжимающих остаточных напряжений. Отверстие с увеличенным размером можно также обработать в холодном состоянии, протянув через отверстие оправку с увеличенным размером.
4. Заплата . Трещины можно отремонтировать, установив заплатку или ремонтную арматуру. Композитные накладки использовались для прочности крыльев самолета после обнаружения трещин или для снижения напряжения растрескиванием с целью увеличения усталостного ресурса. Заплаты могут ограничивать возможность установки в удалении и замене для проверок.

Повышение срока службы

Пример стального автомобильного моста, обработанного HFMI, во избежание усталости вдоль сварного перехода.

1. Сменить материал . Изменение материалов, используемых в деталях, также может увеличить усталостную долговечность. Например, детали могут быть изготовлены из металлов с более высокой стойкостью. Полная замена и изменение конструкции деталей также могут уменьшить, если не устранить проблемы усталости. Таким образом, винты вертолета лопасти и винты металлические заменяются на композитные эквиваленты. Они не только легче, но и более устойчивы к усталости. Они более дорогие, но дополнительные затраты окупаются их большей целостностью, поскольку потеря лопасти несущего винта обычно приводит к полной потере самолета. Аналогичный аргумент был выдвинут в пользу замены металлических фюзеляжей, крыльев и хвостовой части самолетов.
2. Создание остаточных напряжений Упрочнение поверхности может уменьшить такие растягивающие напряжения и создать сжимающие остаточные напряжения, что предотвращает возникновение трещин. Формы упрочнения включают: дробеструйное упрочнение с использованием высокоскоростных снарядов, высокочастотное ударное воздействие (также называемое высокочастотным механическим воздействием) с использованием механического молотка и лазер. упрочнение с использованием высокоэнергетических лазерных импульсов. Выглаживание с низкой пластичностью может также использоваться для создания напряжения сжатия в галтелях, а оправки для холодной обработки могут использоваться для отверстий. Увеличение усталостной долговечности и прочности пропорционально связано с глубиной создаваемых сжимающих остаточных напряжений. Дробеструйная обработка создает сжимающие остаточные напряжения на глубину примерно 0,005 дюйма (0,1 мм), тогда как Лазерная обработка может составлять от 0,040 до 0,100 дюйма (от 1 до 2,5 мм) или глубже.
3. Глубокая криогенная обработка . Было показано, что глубокой криогенной обработки сопротивление усталостному разрушению. Было показано, что пружины, используемые в производстве, автогонках и огнестрельном оружии. Тепловая проверка, которая является формой термической циклической усталости, была значительно снижена.
4. Перепрофилирование . Изменение формы напряжения, такое как отверстие или вырез, можно использовать для продления срока службы компонента. Оптимизация формы с использованием алгоритмов численной оптимизации использования для увеличения напряжений в крыльях и их службы срока.

Крушение поезда Версаль

Катастрофа поезда Версаль Рисунок усталостного разрушения оси, сделанный Джозефом Глинном, 1843 г.

После празднования короля Луи-Филиппа I в Версальском дворце поезд, возвращающийся в Париж разбился в мае 1842 г. в Медон после того, как ведущий локомотив сломал ось. Вагоны сзади завалились в разбитые двигатели и загорелись. По меньшей мере 55 погибли, оказавшись в ловушке в вагонах, в том числе среди Жюль Дюмон д'Юрвиль. Эта авария известна во Франции как "Ferroviaire de Meudon". Свидетелем аварии стал британский инженер-локомотив Джозеф Локк, о которой широко сообщили в Великобритании. Это широко обсуждалось инженерами, которые искали объяснения.

Крушение произошло в результате сломанной оси локомотива. Исследование сломанных осей в Великобритании, проведенное Ренкином, подчеркнуло интенсивность роста трещин при повторяющихся нагрузках. Увеличивающаяся железнодорожная система, предполагающие механизмы роста трещин из-за повторяющихся нагрузок, были проигнорированы. Другие ложные теории казались более приемлемыми, например, идея о том, что металл каким-то образом «кристаллизовался». Это представление основывалось на кристаллическом виде области больших разрушения на поверхности трещины, но игнорировало тот факт, что металл уже был высококристаллическим.

Комета де Хэвилленда

Обнаруженные (заштрихованные) части обломков G-ALYP и место аварии (вызвано стрелкой)

Два комета де Хэвилленда сломались. взлетели в воздух и разбились друг с другом с интервалом в несколько месяцев в 1954 году. В результате систематические испытания проводились на фюзеляже , погруженном в резервуар с водой под давлением. После 3 000 полетов следователи из Royal Aircraft Establishment (RAE) пришли к выводу, что авария произошла из-за отказа герметичной кабины на носовой части автоматического пеленгатора окно в крыше. Это «» было фактически одним из двух отверстий для антенн электронной навигационной системы, в которой непрозрачные стекловолоконные панели заменяли оконное «стекло». Отказ вызван многократным повышением и сбросом давления в кабине самолета. Кроме того, опоры вокруг окон были приклепаны, а не скреплены, поскольку в исходных спецификациях заложена цель. Проблема усугублялась технология изготовления заклепок. В отличие от клепки сверлом, несовершенный характер отверстия, образовавшийся при клепке пуансоном, вызвал производственные дефекты, вызвавшие возникновение усталостных трещин вокруг заклепки.

Фрагмент крыши фюзеляжа G-ALYP, выставленный в Музее в Лондоне, демонстрирующий два окна ADF, произошел первый сбой.

Напорная кабина Comet была спроектирована с учетом запаса прочности с комфортом, превышающим то, что требуется британскими требованиями гражданской летной годности (давление в кабине контрольных испытаний в 2,5 раза по сравнению с требованием в 1,33 раза и предельная нагрузка в 2,0 раза больше давления в кабине), и авария вызвала пересмотр требований к безопасной нагрузочной прочности герметичных герметичных авиалайнеров.

Кроме того, было обнаружено, что напряжение вокруг проемов кабины высокого давления было значительно выше, чем предполагалось, особенно вокруг вырезов с острыми углами, такими как окна. В результате все будущие реактивные авиалайнеры будут иметь окна с закругленными углами, что значительно снизит концентрацию напряжений. Это была отличительной чертой всех более поздних моделей Кометы. Следователи RAE сообщили в ходе публичного расследования, что острые углы возле оконных проемов послужили причиной возникновения трещин. Обшивка самолета также была слишком тонкой.

Нефтяная платформа Alexander L. Kielland опрокидывается

Трещины на правой стороне буровой установки Alexander L. Kielland

Alexander L. Kielland был норвежским полу- погружная буровая установка, которая перевернулась во время работы на нефтяном месторождении Экофиск в марте 1980 года, в результате чего погибли 123 человека. Опрокидывание было самой страшной катастрофой в норвежских водах со времен Второй мировой войны. Буровая установка, расположенная примерно в 320 км к востоку от Данди, Шотландия, принадлежала норвежской компании Stavanger Drilling и сдавалась в аренду американской компании Phillips Petroleum во время стихийного бедствия. Во время проливного дождя и тумана рано вечером 27 марта 1980 года более 200 человек не дежурили в жилом помещении на Александер Л. Килланд. Дул порывистый ветер до 40 узлов, высота волн до 12 метров. Буровую установку только что отвели лебедкой от производственной платформы Edda. За несколько минут до 18:30 находящиеся на борту почувствовали «резкий треск», последовала за «какая-то дрожь». Внезапно буровая установка наклонилась более чем на 30 ° и затем стабилизировалась. Пять из шести якорных тросов были оборваны, а один оставшийся трос не позволил установке опрокинуться. Список продолжал увеличиваться, и в 18:53 оставшийся якорный трос оборвался, и буровая установка перевернулась.

Год спустя, в марте 1981 г., в отчете о расследовании был сделан вывод о том, что буровая установка разрушилась из-за усталостной трещины в одной из ее шести распорок (распорка D-6), которая соединяла обрушившуюся D-образную стойку с остальной частью буровая установка. Это произошло из-за небольшого углового шва диаметром 6 мм, который соединял ненесущую фланцевую пластину с этой связью D-6. На этой фланцевой пластине находился гидролокатор, инструмент во время буровых работ. Плохой профиль углового шва способствовал снижению его усталостной прочности. Кроме того, в ходе исследования было обнаружено значительное количество пластинчатого разрыва в пластине фланца и холодные трещины в стыковом шве. Холодные трещины в сварных швах, повышенная повышенная нагрузка из-за ослабленной фланцевой пластины, плохой профиль сварного шва и циклические напряжения (которые были обычными для Северного моря ), казалось, все вместе играли в работе буровой установки. коллапс.

Прочее

• Катастрофа на угольном шахте Хартли 1862 года была вызвана переломом балки парового двигателя и унесла жизни 220 человек.
• Бостон 1919 года Великая патока Затопление связано с усталостным разрушением.
• Крушение рейса 421 авиакомпания Northwest Airlines в 1948 году из-за усталостного разрушения корня лонжерона крыла
• 1957 г. «Гора Пинатубо», президентский самолет президента Филиппин Рамона Магсайсая, разбился из-за отказа двигателя, вызванного усталостью металла.
• Опрокидывание 1965 г. Первая морская нефтяная платформа Великобритании Sea Gem возникла из-за усталости части системы подвески, соединяющей корпус с опорами.
• 1968 рейс 417 Los Angeles Airways потерял одну из лопастей несущего винта из-за усталостного разрушения.
• Самолет авиакомпания MacRobertson Miller Airlines, рейс 1750 1968 года потерял крыло из-за ненадлежащего обслуживания, что привело к усталостному разрушению.
• Катастрофа 1969 года F-111A из-за усталостного разрушения шарнирного соединения крыла из-за дефекта материала к развитию устойчивый к повреждениям подход к расчету на усталость.
• Крушение Dan-Air Boeing 707 в 1977 году вызвало из-за усталостного разрушения, что произошло к потере правого горизонтального стабилизатора.
• Самолет American Airlines, рейс 191 1979 года, разбился после отделения двигателя, вызванным усталостным повреждением конструкции пилона, удерживающим двигатель на крыле, вызванными неправильными процедурами технического обслуживания.
• 1980 LOT Flight 7 разбился из-за усталости вала турбины двигателя, что привело к разрушению двигателя и потере управления.
• 1985 Рейс 123 Japan Airlines потерпел крушение после того, как самолет потерял вертикальный стабилизатор из-за неисправного ремонта задней переборки.
• Самолет Aloha Airlines, рейс 243 1988 года, перенес резкую декомпрессию 24000 футов (7300 м) после усталостного отказа.
• Самолет United Airlines, рейс 232 1989 года потерял хвостовой двигатель из-за усталостного разрушения ступицы диска вентилятора.
• Самолет Рейс Эль-Аль 1862 1992 года потерял оба двигателя на правом крыле из-за усталостного разрушения опоры пилона двигателя №3.
• Крушение поезда Эсхеде в 1998 году было вызвано усталостным разрушением одного композитного колеса.
• Крушение рельса в Хэтфилде в 2000 году , вероятно, было вызвано качением контактная усталость.
• Отзыв в 2000 6,5 миллиона шин Firestone на Ford Explorers произошел из-за роста усталостных трещин, которые привели к отделению протектора от шины.
• 2002 Рейс 611 China Airlines распалась в полете из-за усталостного отказа.
• Самолет рейс 101 Chalk's Ocean Airways 2005 года потерял правое крыло из-за усталостного отказа, вызванного ненадлежащим обслуживанием
• .
• Крушение поезда в Виареджо в 2009 г. из-за усталостного разрушения.
• Авария на Саяно-Шушенской ГРЭС в 2009 г. из-за усталости металла турбины крепления.
• На самолете Рейса 66 авиакомпании Air France в 2017 г. произошел отказ двигателя из-за усталостного перелома ступицы вентилятора в условиях холода.

• Авиационная безопасность - состояние, при котором возникают риски с авиацией находятся на приемлемом уровне
• Анализ критической плоскости
• Внедрение
• Судебная инженерия материалов
• Фрактография
• Усталость припоя - Деградация припоя из-за деформации при циклической нагрузке
• Термо- механическая усталость
• Вибрационная усталость

• PDL Staff (1995). Усталостные и трибологические свойства пластиков и эластомеров. Библиотека дизайна пластмасс. ISBN 978-1-884207-15-0.
• Лири, М.; Бервилл, К. (2009). «Применимость опубликованных данных для расчета с ограничением по усталости». Международная организация по обеспечению качества и надежности. 25 (8): 921–932. doi : 10.1002 / qre.1010.
• Дитер Г. Э. (2013). Механическая металлургия. Макгроу-Хилл. ISBN 978-1259064791.
• Литтл, Р.Е.; Jebe, E.H. (1975). Статистический дизайн экспериментов на усталость. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-54115-9.
• Скиве, Дж. (2009). Усталость конструкций и материалов. Springer. ISBN 978-1-4020-6807-2.
• Лаланн, К. (2009). Усталостное повреждение. ISTE - Wiley. ISBN 978-1-84821-125-4.
• Пок, Л. (2007). Metal Fatigue, что это такое, почему это важно. Springer. ISBN 978-1-4020-5596-6.
• Дрейпер, Дж. (2008). Современный анализ усталости металлов. EMAS. ISBN 978-0-947817-79-4.
• Суреш, С. (2004). Усталость материалов. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57046-6.
• Ким, Х.С. (2018). Механика твердого тела и разрушения, 3-е изд.. Букбун, Лондон. ISBN 978-87-403-2393-1.

Викискладе есть медиафайлы, связанные с Усталость материалов.

• Усталость Шон М.. Келли
• Рекомендации по распространению усталостных трещин в СВМПЭ
• видео испытания на усталость Университет прикладных наук Карлсруэ
• Метод деформации G. Глинка
• Усталость от нагрузочных амплитуд А. Фатеми