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材料疲劳强度

材料疲劳强度

选择用于特定应用的材料时,重要的是要考虑它将受到的服务条件。选择具有正确性质的材料确保持久的寿命。

一种比其他任何属性都被认为是材料的极限抗拉强度。这种强度指的是材料在失效发生之前能够承受的最大载荷。然后选择安全系数,以进一步降低故障风险。

但是,在许多应用中,负载不是恒定的。负载的幅度和方向可能以规则或不规则的方式变化。这种载荷被称为波动负载,并且可能导致可能在远低于的负载值下发生的击穿极限拉伸强度

在本文中,我们将学习材料疲劳的现象以及我们如何避免由其引起的故障。

什么是疲劳?

疲劳可以解释为由于波动载荷的应用导致材料结构损伤和最终失效的材料弱化。破坏从局部开始,随着时间的推移而累积,最终可能导致一场灾难。

在维修期间,有许多波动的负载零件。一些例子如下:

  • 火车车轮上与轨道接触的一点。在接触时,车轮上的这个点受到金属轨道的压缩载荷。当它离开底部时,该点上的压缩力就会减弱。这种情况在每一次旋转中发生一次,在一次旅程中会发生数百万次。
  • 通过桥梁的交通应用桥上的波动负荷。当交通最靠近桥梁中间时,桥梁受到最高的下垂负荷。没有流量时,此力被删除。
  • 当船驶过波浪时,船体在前进时受到恒定的拉伸和压缩力。这在船颠簸的恶劣天气中尤其明显。

了解疲劳失败

疲劳失败是每个人都在试图打破金属丝时遇到的东西。

该过程包括许多次来回弯曲电线。每个前后弯曲都是一个循环。当电线最终打破时,您可以计算导致初始裂缝和最终突破所需的周期数。

知道循环次数和装载应力给出了该材料的疲劳强度。

如果你试图从两端拉断铁丝,需要的力会非常大。与此同时,弯曲只需要很小的力就能得到同样的结果。

当线横截面的顶部和底部交替地拉伸并压缩,电线经受弯曲点处的波动负载。有足够数量的负载循环,电线断裂。

这是疲劳失效的一个例子。因此,根据材料的不同,即使在小负载和少量负载循环时,它也很容易发生。

值得一提的是,疲劳失败不会逐渐发生。它是瞬间的,就像一个脆性材料,刚刚分成较小的碎片。

疲劳失败
疲劳失败

它也远比常规的失败更难预测,因为没有什么前兆。这些迹象用肉眼是很难察觉的。在经常性故障中,由于负荷过大,缩放会被观察到,但在疲劳破裂发生之前没有颈缩现象。这使得我们不可能准确预测零件在什么时间会因为疲劳而失效。

为防止这种情况,必须在推荐的负载周期后密切检查和改变部件。循环的数量取决于材料特性和负载的大小。更高的负载意味着较短的生命周期。可以使用我们将很快得到的S-N曲线更好地理解这一点。

失败过程

疲劳失败发生没有警告,而是仔细观察,有些指示很明显。

形成初始微裂纹

在连续暴露于循环载荷的情况下,在高应力点开始开发微型裂缝。可以通过非破坏性测试方法观察这些裂缝。

着色探伤
着色探伤

在常规突起期间检查柴油发电机发动机连接杆的染料渗透试验是裂纹检测的一个例子。如果发现裂缝,则零件被新的或翻新的备件替换。

裂纹扩展

一旦出现疲劳裂纹,它将在每个载荷循环中通过零件传播。当它在材料中扩散时,通常会产生条纹表面上。

条纹是表面上显示裂纹尖端位置的标记。这些条纹表明了疲劳裂纹的发展。裂纹最初萌生时,裂纹扩展极为缓慢,称为阶段I裂纹扩展。

骨折

当裂缝达到临界尺寸并且点的应力强度超过材料的断裂韧性时,裂缝以高速扩散。

这种类型的快速传播称为阶段II裂纹生长,并且它发生在垂直于施加力的方向上。

随着时间的推移,材料无法承受任何进一步的载荷,发生完全的断裂。这种故障是立即发生的,可能会对使用机器的工人和机器本身造成严重的后果。

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机器组件容易发生疲劳

由于强度波动,机器的某些部件更有可能屈服于破碎。必须意识到这些部分,以便避免崩溃。

疲劳位于列表顶部时,在轴故障原因时。例如,曲轴必须面对严重的循环载荷。它们形成了许多主要搬运工的组成部分,例如柴油发电机,海洋发动机,车辆发动机和往复式压缩机。

设计不规范是造成竖井损坏的主要原因。一种曲轴圆角轧制工艺可用于提高其疲劳寿命。

其他轴,如那些在往复式和离心泵,电机等也受到循环负荷,导致崩溃的危险。

压力来自不同的负荷点。例如,在轴的一端是电动机,其在轴上搁置其一些重量。可能有2个轴承作为支持点。同时,旋转速度需要传递,也可以是链轮和链的形式,两者都进一步加载轴。

在旋转过程中,负载的方向是不断变化的主观轴的轴。因此,中断的发生类似于前面的连线示例。

螺栓

螺栓被称为可能的失败的源。由于机械运动/振动,它们必须抵抗拉伸和压缩应力。

螺栓紧绷不足提供更多运动的空间。因此,必须将螺栓拧紧到超过最大工作负荷的负载。

齿轮

材料断裂

齿轮通过牙齿传递功率。当它们与其他配合齿轮齿接触时,这些牙齿处理高负荷。当它们远离该位置时,将压力除去。随着牙齿上的力量幅度连续变化的力大小,发生循环载荷。

此外,负载不均匀地分布在牙齿的整个长度上。这种负荷本地化可以进一步加剧疲劳问题。

疲劳强度

疲劳强度是材料抵抗疲劳失效的能力。

ASTM.将它定义为压力的限制值(由s表示NF.)在n之后发生故障F负载周期数。根据负载和材料的不同,循环次数可以从几个循环到一个大的循环次数。

经过一定数量的负载循环,材料在任何时候都会失败,并且尽快改变它是谨慎的。

疲劳极限

疲劳极限,由s表示F,定义为N时的应力值F(发生故障的周期数)变得非常大。NF可以通过降低循环负载的应力值来增加。

保持负载低于疲劳极限时,部分可以承受大量的循环,通常超过1000万,但高达500万。

疲劳强度和疲劳极限之间的差异是循环的数量。它具有疲劳极限的显着提高。因此,工程师试图设计它们的部件,以便在工作期间保存在疲劳极限下。

计算疲劳极限

有各种疲劳测试可供使我们确定不同材料的疲劳极限。这些如下:

  1. 压力寿命方法。该方法通过对材料施加不同的应力幅值来计算材料的疲劳寿命。然后曲线就画出来了。这条曲线也被称为S-N曲线。
  2. 应变寿命方法。当循环加载产生的应变不再具有弹性时,可以用它代替应力来绘制应变与寿命的关系图。
  3. 裂纹扩展法。在该方法中,计算每个应力循环的裂缝增长量。这使我们提供了裂缝增长的速度,有助于我们估计裂缝达到临界大小所需的循环次数。
  4. 概率方法。这是基于应力/应变 - 寿命或裂缝的生长方法,提高预测使用寿命的准确性。上述方法不考虑自己的概率分布。但是,我们知道并非所有部分都不会同时失败一次F压力循环已通过。使用概率分布有助于我们缩小循环次数而不会发生故障。

疲劳极限

耐力限制

由于降低应力值,从图中可以从图中显而易见的是,随着应力值的降低,S-N曲线变得逐渐变得更平坦。这是大多数材料的情况。

有一个点,钢的曲线变得水平。这意味着低于该应力值,材料将永远不会因为疲劳而失效。这种应力极限称为耐力极限。

同时,铝不具有这样的性质,而虽然它可以持续较低负载的循环,但没有耐久极限。

疲劳极限和耐久极限之间的差异是耐久性限制在其中发生故障后的持续限制不会限定有限数量的循环。部分基本上有无限的寿命,不会表现出疲劳失败。它具有无限期的疲劳生活。

S-N曲线

疲劳失效和S-N曲线
疲劳失效和S-N曲线

疲劳寿命预测可以通过绘制S-N曲线来完成,其中S代表施加的应力,N代表荷载循环次数。大多数S-N曲线是在实验室中绘制的,不同的样品在不同的应力值下使用金属试样测试机进行测试。标本的NF而著称。NF是发生故障的循环次数。

然后在对数S-N曲线上绘制这些点以适应大值F。然后使用线性回归来形成连续曲线,而不是图表上的离散测试数据点。

完成后的曲线在某种程度上类似于双曲线。曲线的方程是SN=常数的导数。

这意味着随着应力幅度的降低,应力循环的数量是指数增长的。单个方程不能用于整个曲线,并且为所选范围内的数据点定义不同的等式。这些等式可以手动计算或通过软件如SolidWorks.

一旦S-N曲线可用,如果已知循环负载值,则可以使用它来确定零件的疲劳寿命。

设计中的疲劳计算

由于近几十年来对金属疲劳现象的出色研究,为更有效地设计零件提供了大量信息。

当在耐久极限内设计时,材料实际上将永远持续腐蚀和其他因素。让我们来看看正确的设计如何改善材料的预期寿命。

1。设计在耐久极限内。在服务期间将应用的最大循环负载必须在耐久极限范围内,以防止疲劳失效。

2。容错设计。设计必须考虑到零件的失效。必须尽可能确保单个部件的故障不会导致系统完全停止或对机器造成不可修复的损坏。

3.定期更新易受攻击的部分。设计必须考虑各个部分的疲劳范围,并且必须包括这些部件的推荐服务持续时间。然后可以将这些服务期间添加到预防性维护系统中,以便于审查和续订部分。

4.破坏公差。在设计一部分时,必须考虑在新部分中存在缺陷的可能性。必须假设可能已经存在裂缝。

5.风险评估。必须定期评估部件失效的风险,以确保其保持在可接受的水平内。

除了设计,必须进行测试和修复,以防止疲劳失效。

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