Причины усталости

Причины усталости

Причины усталости — Собрано большое количество данных об усталостной прочности материала, но до сих пор не создана обоснованная теория, объясняющая причины и механизмы этого явления. Усталостное разрушение, ранее обусловленное «кристаллизацией» металла, стало хрупким.

• Такая теория была выдвинута на основе рассмотрения возникновения разрушения (С. 394). было установлено, что отдельные кристаллы не изменяются при усталостных испытаниях, за исключением кристаллов, в которых происходит деформация скольжения внутри. — * ? * Баузингер-первый человек, который начал изучение циклического стресса.

Он использовал чувствительный экстензометр, чтобы медленно нагружать и разгружать образцы и устанавливать соотношение между напряжением и деформацией в этих условиях 1). таким образом, он показал, что предел пропорциональности между напряжением и сжатием не является постоянным параметром данного материала, но может изменяться, когда образец подвергается изменению stresses.

To объясняя тот факт, что предел прочности стали в симметричном цикле напряжений может быть ниже пропорционального предела, полученного в результате статических испытаний, Баусингер предложил теорию, согласно которой материал, полученный на заводе, может иметь свой собственный пропорциональный предел растяжения и сжатия вследствие холодной обработки, а истинное или естественное соотношение и пропорциональность могут отличаться от предела напряжений это предел, который будет установлен после его установки.

Предполагается, что эти естественные пропорциональные пределы определяют безопасный диапазон напряжений для испытания на усталость. Идея Bausinger был доработан Барстоу 9).Медленно загрузите и разгрузите машину (1 цикл в 2 минуты) и прикрепите зеркальный экстензометр Martens к образцу、 Л)И. в аус ч а н и Е Е Г, Митт. Лаборатория Машиностроения. Мюнхен, 1886.Смотрите также Ding-ler£Poly tech. Джей Ти то.26, 1886. * ) Л. Bairstow, Фил. Трансрой. Соц. (Лондон), т. 210, ПП.

Одна тысяча девятьсот одиннадцать Он получил зависимость между напряжением и деформацией в циклах различных диапазонов напряжений. На рисунке 341 показаны некоторые результаты, полученные при разрыве стальной оси стали (предел Предел текучести 3500 кг [см *и предел С(ХГ / см *） комната компания IBM Освистывать. $ 00 / Освистывать 2700. — £.» / О 750C тяжело * 1 77 / б \ с ДЖДЖ я / ф \ я Один-// 1 б я \ 1 Л V ИЖ /. > Я 9 — си Рисунок 341. Интенсивность 5900 кг / см) симметричный цикл напряжений (среднее напряжение равно нулю).

В строке а показаны начальные испытания на растяжение и сжатие с амплитудой 2200 кг / см.В этих пределах, как вы можете видеть, соотношение между напряжением и деформацией точно следует простому закону! это не. Затем, когда образец подвергался переменному напряжению 2200 кг / см, было обнаружено, что первая прямая а постепенно развивалась в петлю определенной формы.

Такая петля, полученная после 18 750 циклов, обозначается кривой B. In этот случай, первый Случай пропорциональности выходил за естественные пределы так называемой пропорциональности, установленной после многих циклов переменного напряжения. Поскольку эти пределы составляют менее 2200 кг / см, циклическая остаточная деформация, по-видимому, равна ширине ПК. Петли C,£> и E были получены после воздействия знакопеременных напряжений, равных 2350, 2650 и 3300 кг / см* соответственно.

Количество циклов в каждом случае было достаточно, чтобы установить постоянный размер цикла. При построении графиков изменения ширины этих петель в соответствии с соответствующим максимальным напряжением, Барстоу получал почти прямую линию. Пересечение этой линии и оси напряжений определяет диапазон напряжений, которые не влияют на формирование петли.

Этот определенный диапазон напряжений был принят Барстоу в качестве безопасного диапазона напряжений, и последующие испытания на выносливость подтвердили это предположение с достаточной точностью. С тех пор были разработаны различные методы, основанные на этом, чтобы быстро определить диапазон напряжений усталости 2).

Длина, рассчитанная в этих испытаниях, составляла всего 0,5 дюйма, и экстензометр Мартенса не мог обнаружить небольшой упругий гистерезис. Людмила Фирмаль

См. Книгу: И. Н. Гоф, усталость металла, Лондон, гл. 10, 1924.Е. см. также Лер, DieAbKürzungsverfahren, тезисы, Штутгарт, 1Ö25. Измерение петель гистерезиса для определения безопасного диапазона напряжений может быть выполнено другим способом, с использованием калориметрии.

Область цикла представляет собой энергию, потребляемую в течение 1 цикла. Эта энергия преобразуется в тепло, что позволяет измерить ее количество. Первый эксперимент такого родабыл проведен Хопкинсоном и Уильямсом и показал, что площадь петли, определенная калориметрией, соответствует в пределах 6% от площади, определенной измерениями с помощью экстензометров.

Эти тесты также показали, что можно установить раздельный гистерезис values. It не вызывает разрушения и может считаться истинным упругим гистерезисом. На основе такой калориметрии было также разработано множество экспресс-методов определения предела выносливости. 9) первую попытку объяснить механизм разрушения при испытании на выносливость предприняли Юинг и Хамфри.

Они использовали вращающийся образец шведского железа с полированной поверхностью, наносили симметричный цикл напряжений, а затем исследовали эту поверхность с помощью металлургического микроскопа. Они обнаружили, что после достаточного количества циклов на поверхности некоторых кристаллов появляется полоса скольжения, если напряжение приложено сверх определенных пределов.

As цикл повторяется, количество полос скольжения увеличивается, и некоторые из предыдущих полос скольжения значительно расширились. Этот процесс расширения продолжался до тех пор, пока трещина не была окончательно сформирована, и трещина продолжалась вдоль расширенной полосы скольжения. Они обнаружили, что знакопеременные напряжения 850 кг / см могут применяться миллионы раз без создания полосы скольжения.

Напряжение 1100 кг / см после 300 миллионов циклов вызывало только 1 одиночную полосу скольжения, и эта линия была ограничена центральной частью Кристалла. Из этих испытаний был сделан вывод, что напряжение 1100 кг / см *является пределом усталости шведского железа. На основе таких испытаний была предложена теория, согласно которой циклы напряжений, превышающие предел прочности, вызывают полосы скольжения в отдельных кристаллах.

Если вы продолжите применять эти циклы напряжения, на поверхности будет происходить непрерывное скольжение. Проскальзывание сопровождается трением, подобным тому, которое наблюдается между скользящими поверхностями solids. As в результате трения,^согласно этой теории, материал будет постепенно изнашиваться вдоль поверхности скольжения, что приведет к образованию трещин.

B. Хопкинсон и О. Т. Уильямс, Proc. Рой. Соц. (Лондон), A, r. 87, 1912. 8) Ж. А. е ш я н Г и Ж. С.. В. ч у М 1 р е й, PhJL Транс. Рой. Соц. (London), T 200, p. 241, 1903. Дальнейшие исследования показали, что полосы скольжения могут возникать при напряжениях значительно ниже предела выносливости материала и могут быть развернуты и расширены без cracking. It является пределом прочности и не может объяснить механизм проявления усталостных трещин.

Для дальнейшего углубления механизма разрушения теста усталостью Гоф применил новый метод исследования с использованием точных рентгеновских методов 9).Начиная с монокристаллического образца,,> n показал, что механизм деформации пластических металлических кристаллов под действием знакопеременных напряжений остается на прежнем месте даже в статических условиях.

То есть скольжение вдоль определенной кристаллической плоскости в определенном направлении происходит, благодаря величине тангенса сопряженной составляющей направления скольжения. Рентгеновский анализ показал, что (если цикл находится вне безопасного диапазона напряжений) поверхность кристалла искажается таким образом, что кривизна не видна в среднем, нолокальная кривизна существует отдельно.

Его большая локальная деформация-возможно, тоже 1. фактический разрыв решетки-должен возникать на таких криволинейных поверхностях, что может привести к образованию прогрессивных трещин при приложении достаточно широкого диапазона внешних напряжений или деформаций.

• При малом значении ом периодической деформации состояние может быть стабильным. ; ’ £ При проведении экспериментов по предварительным статическим испытаниям кристаллических материалов, таких как мягкая сталь, при сохранении упругого состояния не происходит постоянного изменения particles. In участок между пределом упругости и пределом текучести, линии скольжения появляются на поверхности частиц в некоторых неблагоприятных направлениях.

Эти 1nii определяют плоскость * c ^Кристалла лени лаз. Если поперечное напряжение над пределом выносливости материала является филогенетическим для образца, то самые слабые зерна начинают повреждаться 5-й поверхностью скольжения, что приводит к появлению тонких трещин вдоль этой поверхности. Трещины расширяются с увеличением числа циклов, распространяя соседние частицы, что в конечном итоге приводит к разрушению объекта.

Это указывает на то, что усталостное повреждение начинается там, где происходит пластическое течение, в то время как материал нагрузки сохраняет свою полную эластичность. * ) Дж. г г у г н и Д. ч а н ы, конф. Рой. Соц. (Лондон), A, T. 104, 1923. * ) Заключение этого исследования было представлено Королевскому аэронавигационному обществу Великобритании. 1936, 8 июня. Рой, Аэронавт Сок. Адресу: <адрес>.

To изучая деформацию места, где начинается усталостное повреждение под действием знакопеременных напряжений, мы вновь рассматриваем модель, состоящую из 3 стержней(рис. 271, С. 343).Предполагая, что переменная сила Pt, которая больше предела упругости модели, будет действовать симметрично, как описано на стр. 346, получим петлю в виде параллелограмма (рис.342).

Из-за пластической деформации вертикальный стержень был проигнорирован, и предполагалось, что предел текучести стержня оставался постоянным в течение цикла нагрузки. Исходя из этого предположения, размер цикла оставался постоянным независимо от количества циклов. c. принимая во внимание упрочнение, вы получите совершенно равномерный результат / получите линию ab, начиная с точки a, которая определяет начало разгрузки модели (рис.342).

Вследствие незначительного увеличения предела текучести вследствие предшествующей пластической деформации (область ЕА на рисунке) сердечник продолжает действовать упруго*при более высоких значениях нагрузки, например, соответствующих»точке в»на рисунке. Начиная с этого значения нагрузки, вертикальный стержень будет течь и получать секцию b? Рисунок..

Точка J соответствует силе P, действующей вверх. Если сейчас разгрузить модель, а затем снова загрузить ее в обратном направлении, то на графике видно, что упрочнение вертикального стержня позволит продолжить ход упругой деформации до определенной точки. Точка (Γ определяет начало потока и получает сечение figure ’ на фигуры. — С? Рисунок 842. Продолжить цикл дальнейшей погрузки-разгрузки и точки f, Y * G,…Вы получите: вертикальным упрочнением、

В стержне, который напоминает слабость образца испытательной усталости, петля гистерезиса сужается все больше и больше по мере увеличения числа циклов. Это свидетельствует о том, что амплитуда внешней нагрузки остается постоянной (;±; P), а амплитуда пластической деформации стержня уменьшается при каждом cycle. At при этом амплитуда напряжения в стержне увеличивается.

Количество циклов Затем приближаемся к значению, которое должно быть получено под действием нагрузки Р, которая приложена к модели идеально упругой. Возвращаясь к рассмотрению слабости образца при испытании на усталость, необходимо решить основную проблему: пластически деформированные зерна будут безопасно сопротивляться прогрессирующему упрочнению, или усталостная трещина начнет expand.

To ответь на этот вопрос, Орованец!9) мы исследовали упрочнение слабых мест при переменных напряжениях, используя кривую упрочнения, которая представляет предел текучести как функцию пластической деформации. как показано на рисунке, он рассмотрел 2 случая. 343, а, 343, б. В любом случае, линия опа ля） один.） Рисунок 343. Представляет кривую упрочнения материала.

Ордината точки I, соответствующая точке на рисунке 1. 342 подчеркивает слабость испытательного усталостного образца в начале первого цикла. Людмила Фирмаль

Зигзагообразная кривая p p p * …Соответствует непрерывной переменной пластической деформации слабого места во время цикла внешней нагрузки.

Предполагая, что упрочнение не зависит от направления деформации, а только от суммы абсолютных значений в цикле, точка p \ p*. на кривой упрочнения опа… Определите степень затвердевания слабых мест. Для рисунка, если 343, a и точка Z меньше точки B, заклепка всегда меньше предельного значения (точка A), даже если нет ограничения на количество cycles. So в этом случае мы приходим к выводу, что переменная нагрузка безопасна.

Если рисунок 343, b и точка Z выше точки B, то упрочнение в слабой точке достигает своего экстремального значения в точке B. As число циклов увеличивается еще больше, начинают образовываться трещины, и усталость приводит к разрушению образца. Вы можете видеть, что опасные и безопасные циклы отличаются только положением точки Z. 

Поэтому предел выносливости соответствует, Если точка Z совпадает с точкой B. 1) ордината OZ представляет собой экстремальное напряжение, близкое к амплитуде напряжения в слабом месте при увеличении числа циклов. Это локальное напряжение, зависящее от ориентации слабых кристаллических зерен, которое может быть выше определения, рассчитанного как среднее напряжение по поперечному сечению образца.

Основываясь на диаграмме рис. 343, Орован сделал несколько выводов относительно усталостной прочности. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными. 1) поскольку влияние флуктуирующих напряжений зависит только от относительных значений ординат OZ и OB, долговечность материала связана с прочностью на растяжение и, как можно ожидать, не зависит от таких характеристик, как пропорциональный предел текучести, предел текучести и пластичность. 

2) предполагая, что часть кривой упрочнения RA(рис.343) может быть заменена наклонной линией, кривая о-п (РИС. 312) указывает на то, что она имеет характерную форму, состоящую из наклонной горизонтальной прямой. Вы также можете сделать приблизительную оценку количества циклов. Пересечение этих 2 линий (предел выносливости). 3) влияние среднего напряжения на величину диапазона напряжений показано на рисунке 3 343.

Смотрите также:

Предмет сопротивление материалов: сопромат

Уменьшение влияния концентрации напряжений на усталость	Механические свойства металлов при высоких температурах
Разрушение поверхности при усталости	Изгиб балок при высоких температурах