3891

Усталостное разрушение

Лекция

Физика

Первые наблюдения усталостного разрушения относятся к концу XVIII века, когда у длительно эксплуатируемых дилижансов в Англии и почтовых карет во Франции неожиданно для инженерного мира стали хрупко ломаться оси, изготовленные из кованого железа, об...

Русский

2012-11-09

133 KB

86 чел.

Первые наблюдения усталостного разрушения относятся к концу XVIII века, когда у длительно эксплуатируемых дилижансов в Англии и почтовых карет во Франции неожиданно для инженерного мира стали хрупко ломаться оси, изготовленные из кованого железа, обладающего высокой пластичностью. Специалисты того времени объясняли это явление перерождением материала за счет его усталости в процессе длительной эксплуатации под действием переменных напряжений, возникающих из-за неровностей дороги. С тех пор термин "Усталость материалов", хотя не отражающий полностью сложные процессы, протекающих в металле под воздействием напряжений, переменных во времени, нашёл высокое распространение в инженерных методах расчёта надёжности элементов конструкций.

Первые систематические экспериментальные исследования сопротивления усталостному разрушению стальных образцов при действии переменных нагрузок были проведены немецким ученым А. Велером, который опубликовал результаты исследований в виде итоговых таблиц в 1870 г. Графическое представление этих результатов в виде кривых усталости впервые было осуществлено Л. Шпангенбергом в 1875 г., хотя в мировой практике эти кривые связываются только с именем А. Велера.

Усталость материалов и в настоящее время является одной из основных причин отказа деталей машин и элементов конструкции, подверженных действию напряжений, циклически изменяющихся во времени. В связи с этим для повышения ресурса и надежности подобных конструкций важное значение приобретают вопросы выбора материала, обоснования режимов технологии производства полуфабрикатов и деталей и организации контроля технологического процесса, обеспечивающие стабильное и высокое сопротивление элементов конструкций усталостному разрушению.

авиационных происшествий

Решения проблемы повышения ресурса и надёжности машин обусловливает разработку и внедрение вероятностных методов расчёта на прочность при переменных напряжениях, учитывающих случайный характер действующих нагрузок и вариацию характеристик сопротивления усталости материалов и деталей.

Характеристики сопротивления усталостному разрушению материала и изделий определяются в результате испытаний на усталость образцов, моделей, натурных деталей и конструкций в целом, что требует больших материальных затрат и весьма длительного времени, которого, как правило, не хватает конструктору на стадии проектирования и доводки конструкции. В связи с этим ученые многих стран ведут поиски расчётных (косвенных) методов оценки характеристик сопротивления усталостному разрушению и методов ускоренных и форсированных испытаний на усталость.

Основные термины

Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению

Сопротивление усталости - свойство материала противостоять усталости

Усталостное повреждение - необратимое изменение физико-механических свойств материала объекта под действием переменных напряжений

Усталостная трещина - частичное разделение материала под действием переменных напряжений

Скорость роста усталостной трещины - отношение приращения длины усталостной трещины к интервалу времени.

1.1. ЦИКЛЫ НАПРЯЖЕНИЙ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИКЛА.

Совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярном нагружении (рис.1.1) называется циклом напряжений.

Характеристики цикла напряжений.

Частота циклов (f)  отношение числа циклов напряжений к интервалу времени их действия.

Период цикла (Т) – продолжительность одного цикла напряжений, T=1/f  (рис.1.1.)

Максимальное напряжение цикла  (σmax)   наибольшее по алгебраическому значению напряжение цикла (рис. 1.1., рис. 1.2.)

Минимальное напряжение цикла  (σmin)   наименьшее по алгебраическому значению напряжение цикла (рис.1.1, 1.2).

Среднее напряжение цикла (σm)   постоянная (положительная или отрицательная) составляющая цикла напряжений (рис.1.1, 1.2), равная алгебраической полусумме максимального и минимального напряжения цикла,

;

Амплитуда напряжений цикла   наибольшее числовое положительное значение переменной составляющей цикла напряжений (рис.1.1., рис.1.2.), равная алгебраической полуразности максимального и минимального напряжения цикла

Размах напряжений цикла (2σa)  алгебраическая разность максимального и минимального напряжения цикла .

Коэффициент асимметрии цикла напряжений (Rσ), отношение минимального напряжения цикла к максимальному,

Рис. 1.1. Циклы напряжений

Рис. 1.2. Параметры циклов нагружения в области растяжения и сжатия

1.2. РАЗНОВИДНОСТИ ЦИКЛОВ НАПРЯЖЕНИЙ

Симметричный цикл напряжений (рис.1.3, г) – цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку

;

Rσ = 1.

Асимметричный цикл напряжений (рис.1.3, а, б, в, д, е, ж) – цикл, у которого максимальные и минимальные напряжения имеют разные абсолютные значения

Знакопеременный цикл напряжений (рис. 1.3, в, г, д) – цикл напряжений, изменяющихся по значению и по знаку

Знакопостоянный цикл напряжений (рис.1.3, а, б, е, ж) – цикл напряжений, изменяющихся только по абсолютному значению.

Отнулевой цикл напряжений (рис.1.3, б, е) – знакопостоянный цикл напряжений, изменяющихся от нуля до максимума () или от нуля до минимума ()

Подобные циклы напряжений — циклы, у которых коэффициенты асимметрии одинаковы.

Рис. 1.3. Разновидности циклов напряжений и соответствующие им значения коэффициентов асимметрии

1.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ПРИ РЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Циклическая долговечность (N) – число циклов напряжений, выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения, при неизменных характеристиках цикла напряжений.

Малоцикловая усталость – усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упруго-пластическом деформировании. Условно принимают, что при N < 50000 циклов имеет место малоцикловая усталость.

Многоцикловая усталость – усталость материала, при котором усталостное повреждение или разрушение происходит, в основном, при упругом деформировании. Условно принимают, что при N > 50000 циклов имеет место многоцикловая усталость.

База испытаний – предварительно задаваемое наибольшее число циклов при испытании на усталость.

Кривая усталости N(σ) – график, характеризующий зависимость между максимальными напряжениями или амплитудами цикла и циклической долговечностью одинаковых образцов, построенный по параметру среднего напряжения цикла или по параметру коэффициента асимметрии цикла (рис.1.4, а, б). Участок I на рис.1.4 соответствует малоцикловой усталости, а участки II и III – многоцикловой. Участок III для углеродистых и низколегированных сталей обычно имеет горизонтальный линейный характер. Для высоколегированных сталей и сплавов на магниевой, алюминиевой и титановой основах этот участок представляет собой кривую, стремящуюся к асимптоте при N = ∞.

Рис. 1.4. Варианты представления кривой усталости.

1.4. РАЗНОВИДНОСТИ УРАВНЕНИЙ КРИВЫХ УСТАЛОСТИ

Для описания кривых усталости сталей используются:

Уравнение Велера (1870 г.)

      или       (1.1)

Уравнение Басквина (1910 г.)

    или    (1.2)

Уравнение Штромейера (1914 г.)

 или    (1.3)

Уравнение Пальмгрена (1924 г.)

 или    (1.4)

Уравнение Вейбулла (1949 г.)

 или  (1.5)

Уравнения (1.1) и (1.2) описывают только II участок кривых усталости, уравнение (1.3) – II и III участки, уравнения (1.4) и (1.5) охватывают все три участка кривых усталости.

Применительно к легким сплавам (магниевым, алюминиевым и титановым) для указанных участков кривых усталости могут использоваться уравнения (1.3), (1.4) и (1.5).

Однако, как показали специальные исследования [1,2], более адекватно экспериментальным данным соответствует уравнение Степнова М.Н. (1970 г.).

(1.6)

Параметр B в уравнениях (1.4) и (1.5), а также параметр N1, в уравнении (1.6), определяют положение кривой усталости только в малоцикловой области (участок I на рис. 1.4). Поэтому при описании кривой многоцикловой усталости без ущерба для точности принимают B=0 и N1=0.

Коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений  величина, определяемая по формуле


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78743. Сценарій урочистої лінійки, присвяченої святу Першого дзвоника і Дню знань 56.5 KB
  В зеленім лісі побував якийсь художник і поволі Дерева перефарбував У золотисто-жовтий колір. Ведучий - Ти хто такий? – всі здивувались. Тебе не бачили ми досі. То придивіться, - хтось озвавсь. І всі побачили – це осінь. Ведучий А з нею в кожен дім прийшло радісне свято – День знань.
78744. БУДЬ ОБЕРЕЖНИМ НА ДОРОЗІ! 69 KB
  Навчальна: Поглибити знання учнів про правила дорожнього руху; повторити основні правила пішоходів та автомобілістів. Розвиваюча: сприяти розвитку мислення, мовлення, пам’яті, навичок поведінки на дорозі. Виховна: виховувати повагу до оточуючих, увагу, ввічливість.
78745. ПРОЩАВАЙ, БУКВАРИКУ! 81 KB
  Мета: Вчити дітей виразно декламувати вірші, формувати інтерес до читання. Розвивати акторські здібності, уяву, вміння фантазувати. Виховувати у дітей любов до книги, дружні стосунки, родинні почуття.
78747. Відомі жінки Німеччини 69.5 KB
  Meine lieben Damen und Herren! Liebe Talente! Herzlich willkommen zu unserem feierlichen Abend. Es ist bekannt, dass der Frühling eine der schönsten Jahreszeiten und gerade diese Jahreszeit assoziiert bei uns mit der Gestalt der Frau, nicht umsonst widmen wir heute unseren Abend den Frauen.
78748. «Русская улица» или «Самые старые песни о главном» 49 KB
  Родина русского фольклора – это русская деревня, где одним из самых уважаемых и нужных людей был гармонист – парень или молодой мужчина, играющий на гармони. Стоило только летним вечером, после трудного рабочего дня услышать где-то в конце деревни зазывный голос гармони...
78749. Свято Останнього дзвоника 71 KB
  Мета: літературно-музична композиція, яка підводить підсумок навчальному року, приймає нових першокласників до своїх лав; розкриває красу, багатство і значення шкільних років у житті кожного. Весняний день – грайливий травень – Дарує радощів розмай. Школярик добре кожен знає, Що це навчанню року край.
78750. Перья штампуют из той же стали, которая завтра пойдет на штыки 96.5 KB
  Напряжение физических и духовных сил во время войны рождало как примеры величайшего героизма и самопожертвования так и примеры низкого коварства и подлости. И бравый генерал лихо блиставший на учениях до войны бестолково и растерянно мечущийся на дороге войны загубив всю свою армию.
78751. Гра «Що? Де? Коли?» По життю і творчості Тараса Шевченка 170.5 KB
  Портрет Т.Г.Шевченка, виставка книжок; дзиґа, конверти із запитаннями, мультимедійна дошка. Гра проходить між командами, які формуються на основі класів. Попередньо капітани команд отримують домашнє завдання: розробити презентацію за одною із тем («Т.Шевченко - художник», «Т. Шевченко у Києві», «Значення творчості Т. Шевченка» тощо)