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

87 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

21657. ЗАТУХАНИЕ 160 KB
  ЗАТУХАНИЕ Важнейшими параметрами световода являются оптическое потери и соответственно затухание передаваемой энергии. Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения и потерь рассеивания т. Потери на поглощение существенно зависят от частоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными. Потери обусловлены комплексным характером показателя преломления nдjnм который связан с тангенсом угла диэлектрических потерь выражением .
21658. Гидрология болот 114 KB
  Вместо высоких камышей и тростников развиваются мелководные растения хвощи осоки и многие другие водолюбивые растения отложения которых хотя и поднимаются над поверхностью воды в озере но затопляются весенними и летними высокими водами отлагающими принесенные или взмученные частицы ила. В климатических условиях северной половины России осадков выпадает больше чем расходуется влаги на испарение поэтому излишек воды скапливается на поверхности болота сначала в форме мочажин а затем в виде вторичных озер и русел...
21659. Гидрология подземных вод 318 KB
  Долгое время существовали две теории отрицавшие одна другую: теория инфильтрации в которой утверждалось что скопление подземной воды есть результат просачивания атмосферных осадков в почву и грунт теория конденсации доказывающая что источником происхождения подземных вод является водяной пар атмосферы который вместе с воздухом попадает в холодные слои земной коры и там конденсируется. Воды возникают на больших глубинах из диссоциированных ионов Н и О2 или паров воды поднимающихся из магматической или метаморфической зоны....
21660. Гидрология рек 346.5 KB
  Главные реки и их притоки. Речная система включает в себя одну главную реку ряд притоков главной реки притоки этих притоков и т. Реки непосредственно впадающие в главную реку называются притоками первого порядка. Притоки второго порядка по отношению к главной реке реки впадающие в притоки первого порядка и т.
21661. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ 78.5 KB
  Приливноотливные движения периодические поднятия и опускания уровня воды в океанах и морях возникают в результате того что Земля испытывает притяжение Луны и Солнца. РАЗРУШИТЕЛЬНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРЯ Разрушительная деятельность моря называется абразией. К тому же между подводной абразионной террасой и клиффом возникает пляж представляющий гряды или насыпи гальки гравия иногда песка полого спускающиеся в сторону моря. При поперечном подходе волн к берегу в зоне прибоя в пределах пляжа часто формируются валы из...
21662. Химические и физические свойства природных вод 117 KB
  Основные физические свойства воды снега и льда Общие сведения. При анализе гидрологических явлений принимается что количество свободной воды на Земле сохраняется постоянным. Вода в результате некоторых процессов вступает в прочные соединения с другими веществами и перестает существовать как свободное образование однако в глубоких слоях земной коры имеют место и обратные процессы: при высоких давлениях и температурах вновь образуется некоторое количество воды. Температура замерзания дистиллированной воды принята за 0 С а температура...
21663. Гидрология озер 174 KB
  Гидрология озер Происхождение типы и морфология озерных котловин Озерами называются котловины или впадины земной поверхности заполненные водой и не имеющие прямого соединения с морем. Согласно приведенному определению к озерам могут быть отнесены и такие крупные водоемы как Каспийское и Аральское моря а также сравнительно небольшие временные скопления воды в понижениях местности образующиеся например в период весеннего снеготаяния. Иногда в отличие от текущих вод рек озера определяют как водоемы с замедленным стоком или с...
21664. Гидрология водохранилищ 70.5 KB
  Водохранилища в зависимости от их морфологических и гидрологических особенностей можно разделить на несколько групп. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами. Поэтому озерные водохранилища не имеют четко выраженной русловой формы и многократного превышения длины над максимальной шириной. Основными параметрами водохранилища являются объём площадь зеркала и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.
21665. Гидрология ледников 62 KB
  Благодаря режеляции происходит слияние двух ледниковых потоков в один фирновые зерна смерзаются в плотную ледяную массу заплывают трещины в ледниках и т. Таким образом ледник может быть разделен на две части: верхнюю где преобладает накопление снега и льда фирновый бассейн или бассейн питания нижнюю где происходит стаивание ледника область стока область абляции язык ледника. Многочисленные наблюдения и специально поставленные опыты показали что течение ледника сходно с течением водного потока. Скорость движения льда в...