Anyagfáradtság

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. december 7-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

Anyagfáradás ( angol  fatigue of materials ) - az anyag mechanikai tulajdonságainak leromlása a károsodások fokozatos felhalmozódása következtében változó (gyakran ciklikus) feszültségek hatására, repedések kialakulásával és kialakulásával , ami az anyag károsodását okozza egy idő alatt. pontos idő. Ezt a fajta meghibásodást kimerültségnek nevezik .

A ciklikus terhelés hatására a gépalkatrészek szilárdságának csökkenésének jelenségét már a 19. század közepén felfedezték. Ez szolgált alapul az anyagok és szerkezetek szilárdságának tudományában egy új irány létrehozásához, amelyet "az anyagok fáradásának fizikájának" neveznek.

Történelem

Az első tanulmány, amely az anyagi fáradtság kérdésével foglalkozik , Wilhelm Albert 1838-ban megjelent munkája [1] [2] . A "fáradtság" kifejezés egyértelműen F. Braithwaite-hoz tartozik ( eng.  Frederick Braithwaite (1854) [3] , bár Poncelet még 1839-ben a metzi katonai iskolában tartott előadásaiban a fémek ciklikus terhelések utáni állapotát a következőképpen jellemezte: " fáradtság".

Az 1858-1870-es években August Wöhler német mérnök szisztematikus tanulmányokat kezdett az anyagkifáradásról, főként a vasúti tengelyek fáradásának tanulmányozásával [2] . Különösen ezeknek az alkatrészeknek a működési körülményeit tanulmányozta, olyan berendezéseket hozott létre, amelyek lehetővé tették működési körülményeik laboratóriumi körülmények közötti reprodukálását, valamint kifáradási görbéket épített a vizsgált anyagokhoz.

Az 1880-as években I. Bauschinger ( Bauschinger- effektus ) megállapította az anyagok rugalmassági határának változását ismétlődő változó terhelés mellett, és bebizonyította a statikus és ciklikus terhelések alatti alakváltozási folyamatok közötti különbséget, valamint hiszterézis hurkokat fedezett fel a deformációs diagramban a feszültségben. - alakváltozási koordináták.

1903-ban James Alfred Ewing és D. Humphrey úgynevezett csúszósávok jelenlétét fedezték fel a változó terhelésnek kitett minták felületén, és megállapították, hogy ezek előfeltételei a fémekben kifáradási repedések megjelenésének [4] [5]. . További vizsgálatok [6] kimutatták, hogy a folyáshatárnál lényegesen kisebb feszültségeknél a nyírósávok kialakulása a fémek szerkezeti inhomogenitásával jár együtt, ami az anyag egyedi lokális térfogatának jelentős deformációjához vezet, valamint ciklikus terhelés esetén a A plasztikus deformáció folyamata lokalizált, a minta felületén gyakran megfigyelhető az anyag kiálló (extrudálás) és nyomott (behatolás) szakaszainak megjelenése. Szubmikrostrukturális szinten a kifáradási repedések kialakulásához vezető mechanizmusokat a diszlokációelmélet fogalmai segítségével vizsgáljuk.

A 20. század elején jelentek meg az Orosz Birodalomban az anyagok elfáradásával kapcsolatos első tanulmányok, melyek szerzői M. Voropaev [7] és K. Siminsky [8] ukrán tudósok voltak .

A 20. század első felében tanulmányozták az anyagokban előforduló károsodások felhalmozódásának fenomenológiai mintázatait, és olyan károsodásösszegzési hipotéziseket fogalmaztak meg, amelyek lehetővé teszik a változó amplitúdójú tartósság előrejelzését, valamintkifáradási [8] .

Az anyagkifáradás kutatását az 1945-1960-as években intenzíven fejlesztették a repülőgép-szerkezetek kifáradási hibáival kapcsolatban, amelyek elsősorban katasztrofális következményekkel jártak (az első kereskedelmi sugárhajtású repülőgép, a „Kometa”, 1954). Ugyanakkor részletesen tanulmányozták az anyagok tartóssági határának és a ciklusok számának a kísérleti meghatározásától a tönkremenetelig terjedő adatok szórásának törvényeit, és módszereket alkottak ezek figyelembevételére a gépek és szerkezetek tervezésénél, a megfogalmazták a kisciklusú terhelés alatti tönkremenetel alapfogalmait, új megközelítéseket dolgoztak ki az anyagok és szerkezetek tartósságának felmérésére, amikor a törés-előrejelzés alapját nem a feszültség, hanem az alakváltozás, különösen annak plasztikus komponense vette alapul [8] .

1961-ben P. Peris egy egyenletet javasolt, amely a kifáradási repedés növekedési sebességét a feszültségintenzitási tényező értékéhez kapcsolja [9] [10] . Ezen és a törésmechanikai egyéb kritériumok alapján jelentős mennyiségű kutatást végeztek, melynek eredményeként a kifáradási repedések kialakulásának fő törvényszerűségeit megállapították, figyelembe véve az előforduló tényezők teljes komplexumát. működési körülmények között.

A fáradtság típusai

A "kifáradás" kifejezést a meghibásodás típusának meghatározó tényezőjének jelölésére használjuk, amely egy alkatrész vagy gépelem váratlan, hirtelen két vagy több részre válik szét ciklikus terhelések vagy deformációk következtében . A pusztulás egy repedés keletkezése és továbbterjedése révén következik be, amely egy bizonyos kritikus méret elérésekor ennek oka, instabillá válik és gyorsan növekszik. Azon terhelési ciklusok száma, amelyeknél meghibásodás lép fel, a hatófeszültség mértékétől függ - a változó feszültségek növekedésével a repedés keletkezéséhez és kialakulásához szükséges ciklusok száma csökken. Azok a terhelések és feszültségek, amelyeknél a kifáradás általában fellép, sokkal alacsonyabbak, mint azok, amelyek statikus körülmények között meghibásodáshoz vezetnek. Ha a terhelések és az elmozdulások nagysága olyan, hogy a meghibásodás több mint 10 000 ciklus után következik be, a jelenséget általában nagyciklusú fáradtságnak nevezik. Ha a terhelések és az elmozdulások értékei olyanok, hogy a meghibásodás kevesebb, mint 10 000 ciklus alatt következik be, a jelenséget alacsony ciklusú fáradtságnak nevezik .

Amikor ciklikus terhelések és deformációk lépnek fel részenként egy ciklikusan változó hőmérsékleti mező hatására, a jelenséget általában termikus kifáradásnak nevezik.

A felületi kifáradásnak nevezett törés általában forgó érintkezési felületek jelenlétében következik be. Az érintkezési feszültségek hatására az érintkezési felületek lyukvá válása, repedése és morzsolódása formájában nyilvánul meg, melynek hatására kis mélységben a felület közelében a maximális ciklikus nyírófeszültségek keletkeznek . Ezek a feszültségek repedések kialakulásához vezetnek, amelyek a felületen keletkeznek, miközben az anyag egyes részecskéi szétválnak. Ez a jelenség gyakran a kopás egy formájának tekinthető .

A koptató kifáradás az egymással érintkező és kis amplitúdójú oszcilláló relatív mozgást végző felületi anyagok  károsodásának és működésének folyamata ciklikus terhelés hatására, amely a felületi rétegek változó nyíródeformációit okozza, a részecskék megragadása és elválasztása, megjelenése. oxidok , felgyorsult repedés és a tárgy megsemmisülése [11] . A kifáradási repedésmagok szerepét töltik be a felületi sérülések és a repedések következtében fellépő mikrorepedések, amelyek következtében olyan terhelések mellett jön létre a fáradási tönkremenetel, amely más körülmények között nem okoz tönkremenetelt.

Ütéskifáradásról akkor beszélünk, ha ismétlődő ütközési terhelések hatására a kifáradási repedések kialakulása és terjedése következtében meghibásodás következik be.

A korróziós kifáradás egy összetett típusú meghibásodás, amelyben a korrózió és a váltakozó terhelés káros hatásai kombinálódnak, ami meghibásodáshoz vezet [12] . A korrózió során a fémfelületen gyakran keletkeznek gödrök, amelyek feszültségkoncentrátorokká válnak. A stresszkoncentráció hatására felgyorsul a kifáradási tönkremenetel folyamata. Ezenkívül a korróziós termékek rideg rétegében lévő repedések a nemesfémbe terjedő kifáradási repedések magjaként szolgálnak. Másrészt a ciklikus feszültségek vagy deformációk hatására a korróziós termékek repedése, hámlása lép fel, vagyis a korrozív közeg hozzáférése új fémrétegekhez nyílik meg. Így mindkét folyamat felgyorsítja egymást, és nő a pusztulás veszélye.

Anyagfáradási jellemzők

A maximális feszültségek névleges értéke változó terhelés mellett kisebb, mint a szakítószilárdság , és általában kisebb, mint az anyag folyáshatára . Az anyag ciklikus terhelések melletti működési tulajdonságát a tartóssági határ jellemzi  - a maximális ciklusfeszültség abszolút értékben, amelynél adott számú terhelési cikluson belül még mindig nincs kifáradásból eredő károsodás, amelyet tesztbázisnak nevezünk. (N 0 ) [13] . Értéke függ az anyag szerkezetétől és hibáitól, a gyártási és feldolgozási technológiától, a felület állapotától, a vizsgálati környezettől és hőmérséklettől, a feszültségkoncentrációtól, a minta nagyságától, a terhelés alkalmazási módjától stb., és változhat (a legkedvezőtlenebb körülmények között csökken 5-10-szeresére az anyag szakítószilárdságához képest). Ezek a tulajdonságok jelentős nehézségeket okoznak a gépek és szerkezetek tervezésében, mivel ki kell zárni a fáradási hibákat. A gyakorlat azt mutatja, hogy a gépek és szerkezetek meghibásodásának 50-80%-a anyagfáradással függ össze [8] .

Az anyag azon képességét, hogy ellenáll a törésnek az időben változó feszültségek hatására, állóképességnek nevezzük .

A kifáradási ellenállás főbb jellemzőit a kifáradási görbéből határozzuk meg, amely a maximális feszültségek vagy ciklusamplitúdók és a minták ciklikus tartóssága közötti összefüggést jellemzi. A ciklusfeszültség-amplitúdók és a meghibásodásig eltelt ciklusok száma közötti összefüggés grafikus ábrázolását fáradtsági görbének vagy Weller-diagramnak (görbe) nevezzük (August Weller August Wöhler , német mérnök).

Általánosságban elmondható, hogy a kifáradási görbe, amely a maximális feszültségek és az N p meghibásodásig tartó ciklusok száma közötti összefüggést írja le , három részre osztható. Az I. szakaszban a meghibásodás az irányított képlékeny alakváltozás eredményeként következik be a végső alakváltozásig, amely megközelítőleg megegyezik a statikus terhelés alatti végső alakváltozással. A II. szakaszban a meghibásodás viszonylag kis számú terhelési ciklus után következik be (N p ≤ 2⋅10 4 ciklus), és a kifáradási repedés növekedése jelentős képlékeny alakváltozásokkal jár együtt. Ezt a fajta meghibásodást alacsony ciklusú kifáradásnak nevezik. A II. és III. szakaszon a meghibásodás a kifáradási repedés keletkezése és továbbterjedése miatt következik be. A törésnél főszabály szerint két szakasz különböztethető meg: a kifáradási repedés kialakulására jellemző finomszálas szerkezet és a végső törés durva szemcsés szakasza.

A III. szakaszban az anyag megsemmisül nagyszámú, kis amplitúdójú terhelési ciklus után. Ebben a tekintetben a II. szakaszt az alacsony ciklusú fáradtság szakaszának nevezik; III - a nagy ciklusú fáradtság helye, vagy egyszerűen fáradtság.

Egyes anyagok, különösen szénacélok szobahőmérsékleten történő vizsgálatakor a függőség jobb oldali szakasza egy vízszintes vonalra irányul (N p >10 7 ciklus).

A ciklikus tartósság alatt azon igénybevételi vagy alakváltozási ciklusok számát értjük, amelyeket egy tárgy terhelés alatt a határállapotig elvisel (bizonyos hosszúságú kifáradási repedés kialakulása vagy teljes tönkremenetele).

Ha az anyagra gyakorolt ​​terhelés periodikus, akkor az anyagban előforduló összes feszültségérték összességét feszültségciklusnak nevezzük . A fáradási ellenállást elsősorban a ciklus minimális (σ min ) és maximális (σ max ) feszültségei, valamint a feszültségciklus amplitúdója befolyásolja . A ciklus minimális feszültségének a maximumhoz viszonyított arányát, figyelembe véve a feszültségek előjeleit,  ciklus aszimmetria együtthatónak nevezzük, és r betűvel jelöljük.

.

Ekkor szimmetrikus ciklus esetén az aszimmetria-együttható -1 lesz, és a tartóssági határt feszültség-kompressziós körülmények között σ -1 , torziós feltételek mellett pedig τ -1-nek nevezzük.

Fáradtsági tesztek

Fáradtsági  tesztelés - Egy tárgy ciklikus terhelésének tesztelése a fáradtságállósági jellemzők meghatározására [14] .

A fáradtság vizsgálatakor meghatározzák az állóképességi határt . Az állóképességi határ meghatározásához fáradtsági görbék készülnek. Ugyanakkor egy terhelési szintre legalább tíz mintát vizsgálnak meg. A kifáradási görbék féllogaritmikus vagy logaritmikus koordinátákban épülnek fel [15] .

Különféle vizsgálati sémák léteznek: hajlítás, csavarás, feszítés, összenyomás. A legelterjedtebb kifáradásvizsgálati módszer a hengeres próbatest forgó hajlító vizsgálata, ahol egy hajlítási ciklus egy fordulatnak felel meg.

A fáradtság vizsgálatának megközelítései

Az anyagok fáradásának problémáját a mechanika, a fizika, a kémia, a mérnöki tudományok és hasonló területek szakemberei tanulmányozzák. Kutatásaik egyrészt az anyagok kifáradási tönkremenetelének természetének tanulmányozására és megfelelő elméletek felállítására irányulnak, másrészt olyan gépek és szerkezetek tervezési módszereinek megalkotására, amelyek kizárják az üzem közbeni kifáradásból eredő tönkremenetelüket [8] .

Az anyagi fáradtság tudománya a vizsgálat megközelítése szerint a következőkre osztható:

A fáradtság meghibásodásának megelőzése

A kifáradásos meghibásodás megelőzésének fő módja a mechanizmus kialakításának módosítása a ciklikus terhelések kiküszöbölése érdekében, vagy az anyagok cseréje olyan anyagokkal, amelyek kevésbé hajlamosak a kifáradásra. A tartósság jelentős növekedése a fémek kémiai-termikus kezelését eredményezi , például felületi nitridálást .

A termikus permetezés , különösen a nagy sebességű lángpermetezés , nyomófeszültséget hoz létre az anyag bevonatában , és segít csökkenteni az alkatrészek kifáradási hajlamát. .

Néhány figyelemre méltó fáradtsághiba katasztrófa

Lásd még

Megjegyzés

  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). „A fáradtság története” . Mérnöki törésmechanika . 54 (2): 263-300. DOI : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  3. ↑ Braithwaite, F. (1854). „A fémek kifáradásáról és ennek következtében fellépő repedésekről” . Építőmérnökök intézménye, eljárási jegyzőkönyvek . 13 (1854): 463-467. DOI : 10.1680/imotp.1854.23960 . Archiválva az eredetiből, ekkor: 2019-08-09 . Letöltve: 2021-04-30 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
  4. ↑ Ewing JA, Humphrey JCW Trans. roy. roc (London) (A). Vol. 200, 241. o., 1903.
  5. ↑ Ewing JA, Rosenhain W. Trans. roy. soc (London) (A). Vol. 193, 353. o., 1900.
  6. ↑ Gough HJ, Hanson D. Proc. roy. soc (London) (A). Vol. 104, 1923.
  7. ↑ Beskhmelnicina M. M. Voropaev Mihailo Oleksiyovich // Az anyag fáradtsága  // A modern Ukrajna enciklopédiája  : [ ukr. ]  : 30 t.  / Ukrán Nemzeti Tudományos Akadémia Sevcsenko , az Ukrán Nemzeti Tudományos Akadémia Enciklopédiai Tanulmányok Intézete. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Troshchenko V. T. Anyagkötet Archív példány 2016. április 22-én a Wayback Machine -nél // Anyagfáradtság  // A modern Ukrajna enciklopédiája  : [ ukr. ]  : 30 t.  / Ukrán Nemzeti Tudományos Akadémia Sevcsenko , az Ukrán Nemzeti Tudományos Akadémia Enciklopédiai Tanulmányok Intézete. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  9. ↑ Paris Paul C; et al. (1961). „A fáradtság racionális analitikus elmélete” (PDF) . A mérnöki irányzat . 13 (1):9-14 . Letöltve : 2017. június 15 .
  10. ↑ Lutz Diana. Paul C. Paris, a törésmechanika úttörője, kitüntetésben részesült munkájáért . Washingtoni Egyetem St. Louis . Washingtoni Egyetem St. Louis. Letöltve: 2017. június 15. Az eredetiből archiválva : 2019. augusztus 9..
  11. ↑ DSTU 2444-94 Rozrakhunki és a mіtsnіst tesztelése. Opir at vtomі. A feltételek ugyanazok.
  12. ↑ DSTU 3830-98 Fémek és ötvözetek korróziója. A kifejezések a legfontosabbak, amelyeket meg kell érteni.
  13. ↑ DSTU 2825-94 Rozrahunki és a mіtsnіst tesztelése. A kifejezések a legfontosabbak, amelyeket meg kell érteni.
  14. ↑ DSTU 2824-94 Rozrahunki és a mіtsnіst tesztelése. Lásd és a mechanikai vizsgálat módszerei. A feltételek ugyanazok.
  15. ↑ GOST 25.502-79 Számítások és szilárdsági vizsgálatok a gépészetben. Fémek mechanikai vizsgálati módszerei. Fáradtság vizsgálati módszerek.
  16. ↑ Vita 1879-ben a versailles-i balesetről . Letöltve: 2020. december 19. Az eredetiből archiválva : 2007. április 16.
  17. ↑ Sohn Emily. Miért volt olyan halálos a nagy melaszözön  ? A History Channel . A&E Television Networks (2019. január 15.). Letöltve: 2019. január 16. Az eredetiből archiválva : 2021. január 16.
  18. ↑ ObjectWiki: A de Havilland Comet G-ALYP repülőgép törzse . Tudományos Múzeum (2009. szeptember 24.). Letöltve: 2009. október 9. Az eredetiből archiválva : 2009. január 7..
  19. ↑ An-10A lezuhant az ukrán UGA Harkov közelében . airdisaster.ru. Letöltve: 2012. november 4. Az eredetiből archiválva : 2012. október 4..
  20. ↑ Mark Cogan: "Az első repedés" . Letöltve: 2020. december 19. Az eredetiből archiválva : 2021. augusztus 4..
  21. ↑ 1 2 Repülőgép baleseti jelentés, Aloha Airlines Flight 243, Boeing 737-100, N73711, Near Maui, Hawaii, 1998. április 28 .. Nemzeti Közlekedésbiztonsági Tanács (1989. június 14.). Letöltve: 2016. február 5. Az eredetiből archiválva : 2021. január 20.
  22. ↑ Baleset leírása a Repülésbiztonsági Hálózaton
  23. ↑ Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe . Archiválva : 2021. április 14. a Wayback Machine -nél In: Süddeutsche Zeitung , 2008. június 2.
  24. ↑ Kudryavy V.V. A balesetek rendszeres okai  // Hidrotechnikai építés. - 2013. - 2. sz . Archiválva az eredetiből 2021. január 22-én.
  25. ↑ Minden Boeing 737-es hajtómű kötelező ellenőrzése délnyugati eseményt követően – Airways Magazine  , Airways Magazine (  2018. április 18.). Az eredetiből archiválva : 2018. április 19. Letöltve: 2018. április 18.

Források

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban