Трываласць на стомленасць і стомленасць матэрыялаў - мяжа стомленасці, крывая Вёлера і колькасць цыклаў

Стомленасць матэрыялу — гэта працэс паступовага развіцця і ўтварэння пашкоджанняў пад уздзеяннем паўторных або зменных нагрузак. Гэта можа прывесці да расколін і ў канчатковым выніку да разбурэння кампанента, нават калі максімальныя напружанні падчас эксплуатацыі ніжэйшыя за трываласць на расцяжэнне Rmа ў многіх выпадках таксама ніжэй, чым мяжа цякучасці Re Lub Rp0,2.
Трываласць на стомленасць апісвае супраціўленне матэрыялу цыклічным нагрузкам. Аналіз стомленасці выкарыстоўвае, сярод іншага, колькасць цыклаў да разбурэння N і амплітуду напружання σ_aсярэдняе напружанне σ_m і крывыя стомленасці, у тым ліку Крывая Вёлера SN.
Стомленасць мае вялікае значэнне пры праектаванні валаў, восяў, шасцярняў, спружын, кампанентаў транспартных сродкаў, сталёвых канструкцый, машын, турбін, кампанентаў самалётаў і ўсіх дэталяў, якія падвяргаюцца паўторным зменам нагрузкі.

Што такое стомленасць матэрыялу?

Стомленасць — гэта механізм пашкоджання, звязаны з цыклічнае дзеянне напружанняў або дэфармацый.
На працягу аднаго цыклу нагрузка можа быць занадта нізкай, каб выклікаць неадкладнае разбурэнне матэрыялу. Аднак паўторныя цыклы могуць прывесці да ўзнікнення мікратрэшчыны, яе паступовага развіцця і, у рэшце рэшт, да разбурэння кампанента.
Працэс стомленасці можна спрасціць наступным чынам:

зараджэнне расколіны,
распаўсюджванне стомленых расколін,
канчатковае гвалтоўнае разбурэнне пакінутага папярочнага сячэння.

Чаму матэрыял можа разбурыцца ніжэй за мяжу цякучасці?

Статычны механічныя ўласцівасці, такія як Rm, Re і Rp0,2, не цалкам апісваюць паводзіны матэрыялу пад уздзеяннем мільёнаў паўторных нагрузак.
Лакальныя напружанні могуць быць сканцэнтраваны ў невялікіх участках матэрыялу, асабліва паблізу:

выемкі,
адтуліны,
ніткі,
шпонкавыя пазы,
зварныя швы,
змены ў папярочным сячэнні,
паверхневыя дэфекты,
уключэнні і іншыя разрывы.

У такіх месцах могуць адбывацца лакальныя працэсы, якія прыводзяць да ўтварэння расколін, нават калі намінальнае напружанне ўсяго элемента значна ніжэйшае за Rm.

Што такое цыкл стомленасці?

Цыкл стомленасці азначае поўную змену нагрузкі або напружання ўздоўж пэўнай трасы.
Напружанне можа адрознівацца ў межах:

σ_макс – максімальнае напружанне,
σ_мін – мінімальны стрэс.

На іх падставе можна вызначыць асноўныя параметры цыклу нагрузкі.

Амплітуда напружання σa

Амплітуда напружання вызначае палову дыяпазону змяненняў напружання:
σ_a = (σ_макс – σ_мін) / 2 ст
Чым большая амплітуда напружання, тым менш цыклаў звычайна патрабуецца для дасягнення разбурэння ад стомленасці, пры ўмове, што іншыя ўмовы застаюцца нязменнымі.

Сярэдняе напружанне σm

Сярэдняе цыклічнае напружанне разлічваецца па формуле:
σ_m = (σ_макс + σ_мін) / 2 ст
Сярэдняе напружанне аказвае значны ўплыў на тэрмін службы пры стомленасці.
Станоўчае сярэдняе напружанне расцяжэння звычайна мае менш спрыяльны ўплыў на даўгавечнасць пры стомленасці, чым адпаведнае сярэдняе напружанне сціску.

Каэфіцыент асіметрыі цыкла R

Для апісання цыклу таксама выкарыстоўваецца наступны каэфіцыент:
R = σ_мін / σ_макс
Напрыклад, для цалкам рэверсіўнай нагрузкі:
σ_мін = -σ_макс
Такім чынам:
R = -1
Для пульсуючага цыклу ад нуля да максімальнага расцягвальнага напружання:
σ_мін = 0
Такім чынам:
R = 0
Пры параўнанні вынікаў выпрабаванняў на стомленасць варта ўказваць значэнне R, паколькі змена характару цыклу можа істотна паўплываць на вынік.

Што такое тэрмін службы N?

Стомленасць жыцця N азначае колькасць цыклаў нагрузкі, якія вытрымлівае матэрыял або кампанент, перш чым узнікне зададзены крытэрый разбурэння.
Гэта можа быць, напрыклад:

поўнае разбурэнне ўзору,
утварэнне расколіны пэўнай даўжыні,
дасягненне іншага крытэрыя, указанага ў метадзе выпрабаванняў.

Таму пры вызначэнні N важна ведаць, які крытэрый завяршэння тэсту быў выкарыстаны.

Што такое трываласць на стомленасць?

Трываласць на стомленасць вызначае ўзровень напружання, звязаны з пэўнай даўгавечнасцю пры ўстаноўленых умовах выпрабаванняў.
Такім чынам, гэта не адна універсальная характарыстыка матэрыялу незалежна ад колькасці цыклаў і ўмоў нагрузкі.
Напрыклад, можна вызначыць трываласць на стомленасць, якая адпавядае:
N = 10⁶ цыклы
або іншую фіксаваную колькасць цыклаў.

Якая мяжа стомленасці?

Мяжа стомленасці гэта паняцце, якое выкарыстоўваецца для матэрыялаў, якія пры пэўных умовах нагрузкі праяўляюць узровень напружання, ніжэйшы за які з павелічэннем колькасці цыклаў разбурэнне не назіраецца ў межах меркаванага дыяпазону выпрабаванняў.
Для многіх сталей характэрная выразная мяжа стомленасці, але Не ўсе металы і сплавы маюць сапраўдную гарызантальную мяжу на крывой SN.
Для матэрыялаў, якія не маюць выразнай мяжы стомленасці, трываласць на стомленасць звычайна падаецца для пэўнай колькасці цыклаў.

Крывая Вёлера SN

Адзін з асноўных спосабаў прадстаўлення ўласцівасцей стомленасці - гэта Крывая Вёлера, якую таксама называюць крывой СН.
Спальнае месца:

S адносіцца да напружання,
N азначае колькасць цыклаў да разбурэння.

Крывая паказвае залежнасць паміж узроўнем цыклічнай нагрузкі і колькасцю цыклаў, якія вытрымаў узор.
Агульная залежнасць выглядае наступным чынам:

больш высокае напружанне → менш цыклаў да разбурэння,
менш стрэсу → больш цыклаў да адмовы.

Колькасць цыклаў N часта прадстаўляецца на лагарыфмічнай восі.

Як утвараецца крывая Вёлера?

Для вызначэння крывой SN серыю ўзораў выпрабоўваюць пры розных узроўнях цыклічнай нагрузкі.
Для кожнага ўзору фіксуецца колькасць цыклаў да разбурэння або да дасягнення зададзенага крытэрыя.
На падставе вынікаў атрымана сувязь паміж стрэсам і стомленасцю.
Выпрабаванні на стомленасць паказваюць натуральнае статыстычная дысперсія, такім чынам, надзейная характарыстыка стомленасці патрабуе адпаведнай колькасці вынікаў і належнага статыстычнага аналізу.

Высокацыклічная стомленасць HCF

HCF - Высокацыклічная стомленасць азначае высокацыклічную стомленасць.
У гэтым дыяпазоне звычайна дамінуюць малыя пругкія дэфармацыі, а даўгавечнасць можа складаць сотні тысяч, мільёны і больш цыклаў.
Для апісання HCF часта выкарыстоўваюцца залежнасці паміж напружаннем і колькасцю цыклаў, г.зн. SN-крывыя.
Няма адзінай строгай колькасці цыклаў, якая б усталёўвала ўніверсальную мяжу паміж HCF і LCF для ўсіх матэрыялаў і прымяненняў.

Нізкацыклічная стомленасць (НЦЗ)

LCF – нізкацыклічная стомленасць азначае нізкацыкавую стомленасць.
У гэтым выпадку амплітуда нагрузкі большая і можа выклікаць значныя цыклічныя пластычныя дэфармацыі.
Для апісання LCF, сувязі паміж дэфармацыя і колькасць цыклаў.
Нізкацыклічная стомленасць узнікае ў кампанентах, якія падвяргаюцца, сярод іншых умоў, вялікім зменам нагрузкі, цыклам пуску-стопу і цыклічным зменам тэмпературы.

HCF і LCF

Характарыстыка	HCF	КЛЛ
Nazwa	Высокацыклічная стомленасць	Нізкацыклічная стомленасць
Дамінуючыя дэфармацыі	У асноўным эластычны	Значная доля пластычнай дэфармацыі
Тыповы падыход	Напружанне – колькасць цыклаў SN	Дэфармацыя-колькасць цыклаў ε-N
Колькасць цыклаў	Большы	Меншы

Мяжа паміж HCF і LCF з'яўляецца ўмоўнай і залежыць ад матэрыялу і абранага метаду аналізу.

Ураўненне Басквіна

У пэўным дыяпазоне шматцыклавай стомленасці сувязь паміж амплітудай напружання і колькасцю цыклаў можна апісаць ураўненнем Басквіна.
Адна з часта выкарыстоўваных формаў:
σ_a = σ'_f(2N_f)^b
дзе:

σ_a – амплітуда напружання,
σ'_f – каэфіцыент трываласці на стомленасць,
N_f – колькасць цыклаў да разбурэння,
b – паказчык трываласці на стомленасць.

Параметры ўраўнення залежаць ад матэрыялу і ўмоў выпрабаванняў.

Ураўненне Кофіна-Мэнсана

Пры аналізе малацыклавай стомленасці важная сувязь паміж амплітудай пластычнай дэфармацыі і колькасцю цыклаў да разбурэння.
Гэта можна апісаць ураўненнем Кофіна-Мэнсана:
ε_ap = ε'_f(2N_f)^c
дзе:

ε_ap – амплітуда пластычнай дэфармацыі,
ε'_f – каэфіцыент стамлёвасці,
N_f – колькасць цыклаў да разбурэння,
c – паказчык пластычнасці пры стомленасці.

Пры практычным аналізе дэфармацый улічваюцца як пругкая, так і пластычная часткі поўнай дэфармацыі.

Уплыў сярэдняга напружання на стомленасць

Два цыклы з аднолькавай амплітудай σ_a можа прывесці да рознай даўгавечнасці, калі яны адрозніваюцца па сярэднім напружанні σ_m.
Сярэдняе расцягвальнае напружанне звычайна спрыяе росту расколін і можа скараціць тэрмін службы.
Для ўліку ўплыву сярэдняга напружання выкарыстоўваюцца розныя мадэлі і графікі, у тым ліку:

Гудман,
Гербера,
Содэрберг.

Гэтыя мадэлі маюць розныя дапушчэнні і вобласці прымянення, таму іх не варта разглядаць як эквівалентныя адна адной.

Канцэнтрацыя ўвагі і стомленасць

Стомленасць асабліва адчувальная да канцэнтрацыя напружання.
Геаметрычныя выемкі выклікаюць лакальнае павелічэнне напружання ў параўнанні з намінальным значэннем.
Тыповыя канцэнтратары ўключаюць:

вострыя куты,
адтуліны,
ніткі,
шпонкавыя пазы,
падрэзы,
рэзкія змены дыяметра,
дэфекты зваркі.

Такім чынам, правільнае фарміраванне пераходаў, выкарыстанне адпаведных радыусаў і абмежаванне вострых надрэзаў могуць значна палепшыць тэрмін службы кампанента.

Стан паверхні і трываласць на стомленасць

Расколіны ад стомленасці вельмі часта ўзнікаюць на паверхні элемента, асабліва калі згінанне і скручванне.
На трываласць можа паўплываць:

шурпатасць,
апрацоўка драпін,
драпіны,
карозійныя ямы,
паверхневае абязуглероджванне,
паверхневыя дэфекты.

Паляпшэнне якасці паверхні можа павялічыць устойлівасць кампанента да ўзнікнення расколін ад стомленасці.

Рэшткавыя напружанні і стомленасць

Рэшткавыя напружанні могуць уплываць на тэрмін службы аналагічна сярэднім напружанням.
Рэшткавыя напружанні сціску на паверхні можа перашкаджаць узнікненню і развіццю стомленых расколін.
Па гэтай прычыне выкарыстоўваюцца тэхналагічныя працэсы, якія ўводзяць спрыяльныя сціскальныя напружанні, напрыклад:

мячы,
качэнне паверхні,
некаторыя працэсы апрацоўкі паверхняў.

Аднак неспрыяльныя рэшткавыя напружанні расцяжэння могуць знізіць трываласць.

Уплыў памеру элемента

Вынік, атрыманы на невялікім гладкім лабараторным узоры, не абавязкова адпавядае даўгавечнасці вялікага канструкцыйнага элемента.
Па меры павелічэння памераў адбываюцца, сярод іншага, наступныя змены:

размеркаванне напружання,
аб'ём матэрыялу, які мае дэфекты,
уплыў тэхналогіі вытворчасці,
стан паверхні.

Такім чынам, значэнні стомленасці, вызначаныя для лабараторных узораў, не павінны непасрэдна пераносіцца на рэальныя канструкцыі без адпаведнага аналізу.

Уплыў карозіі на стомленасць

Адначасовае дзеянне цыклічных нагрузак і каразійнага асяроддзя можа прывесці да каразійная стомленасць.
Карозія можа выклікаць кропкавую адукацыю і іншыя пашкоджанні паверхні, якія дзейнічаюць як канцэнтратары напружання і спрыяюць узнікненню расколін.
W каразійнае асяроддзе супраціў стомленасці можа быць значна ніжэйшым, чым пры выпрабаваннях у паветры.

Уплыў тэмпературы на стомленасць

Тэмпература можа змяніць як механічныя ўласцівасці матэрыялу, так і механізмы, адказныя за развіццё пашкоджанняў ад стомленасці.
Пры высокіх тэмпературах стомленасць можа суправаджацца:

паўзучы,
акісленне,
мікраструктурныя змены.

У такіх умовах аналіз трываласці патрабуе ўліку ўзаемадзеяння розных механізмаў пашкоджання.

Цеплавая стомленасць

Цеплавая стомленасць могуць узнікаць у выніку паўторных змен тэмпературы, якія выклікаюць цыклічнае пашырэнне і сцісканне матэрыялу.
Калі свабодная змена памераў абмежаваная або ўнутры кампанента ўзнікаюць значныя градыенты тэмпературы, узнікаюць цыклічныя тэрмічныя напружанні.
Гэтая з'ява важная, сярод іншага, у:

формы і інструменты для гарачай апрацоўкі,
турбіны,
рухавікі,
цеплаабменнікі,
энергетычныя ўстаноўкі,
элементы, якія неаднаразова награваюцца і астуджаюцца.

Кантактная стомленасць

Асаблівы выпадак - гэта кантактная стомленасць, якія ўзнікаюць пры паўторным кантакте ўзаемадзейных паверхняў.
Гэта тычыцца, сярод іншага:

падшыпнікі качэння, якія выкарыстоўваюцца, сярод іншага, падшыпнікавыя сталі,
шасцярні,
ролікі,
кулачкі,
рэйкі і чыгуначныя колы.

Паўторныя кантактныя напружанні могуць прывесці да расколін і сколаў паверхневых фрагментаў, вядомых як кропкавая карозія або адколванне.

Зняцце стомленасці

Паверхня разлому кампанента, пашкоджанага ў выніку стомленасці, можа ўтрымліваць характэрныя ўчасткі, якія адпавядаюць:

месца пачатку расколіны,
паступовае распаўсюджванне расколін,
канчатковы гвалтоўны разлом астатняга папярочнага сячэння.

На паверхні могуць быць бачныя макраскапічныя лініі развіцця расколін, якія часта называюць лініі адпачынку або пляжныя адзнакі.
Таксама можна назіраць пад мікраскапічным даследаваннем стомленыя палоскіАднак не варта блытаць гэтыя дзве структуры — яны ўзнікаюць і назіраюцца ў розных маштабах.

Стомленасць і Rm

Трываласць на расцяжэнне Rm і ўласцівасці стомленасці звязаны толькі ўскосна.
Для пэўных груп матэрыялаў часам выкарыстоўваюцца эмпірычныя залежнасці, каб дазволіць папярэдне ацаніць трываласць на стомленасць на аснове Rm.
Аднак гэта не ўніверсальныя залежнасці.
Фактычная даўгавечнасць пры стомленасці моцна залежыць ад геаметрыі, плошчы паверхні, памеру элемента, сярэдняга напружання, навакольнага асяроддзя і метаду нагружэння.

Стомленасць і цвёрдасць

Павялічыць цвёрдасць у некаторых выпадках можа павысіць устойлівасць да пэўных тыпаў стомленасці, асабліва да кантактнай стомленасці.
Аднак гэта не азначае, што чым большая цвёрдасць, тым большая даўгавечнасць.
Вельмі цвёрды матэрыял можа быць больш адчувальным да:

выемкі,
дэфекты,
расколіны,
неспрыяльныя рэшткавыя напружанні.

Такім чынам, уплыў цвёрдасці варта аналізаваць разам з мікраструктурай і ўмовамі эксплуатацыі.

Стомленасць і ўстойлівасць да разломаў

Пасля таго, як расколіна ўжо ўтварылася, яе далейшае развіццё можна прааналізаваць з дапамогай метадаў механіка разлому.
Каэфіцыент інтэнсіўнасці напружанняў K выкарыстоўваецца для апісання поля напружанняў паблізу вяршыні расколіны.
У выпадку распаўсюджвання расколін ад стомленасці важны дыяпазон:
ΔK = K_макс – К_мін
Хуткасць росту расколіны можна апісаць у пэўным дыяпазоне, сярод іншага, наступным чынам: Парыжскі закон.

Закон Парыжа

У межах пэўнага дыяпазону стабільнага росту расколін ад стомленасці дзейнічае наступная залежнасць:
da/dN = C(ΔK)^m
дзе:

да/дН – павелічэнне даўжыні расколіны за цыкл,
ΔK – дыяпазон каэфіцыентаў інтэнсіўнасці напружанняў,
З імі – канстанты, якія залежаць ад матэрыялу і ўмоў выпрабаванняў.

Закон Парыжа не апісвае ўвесь працэс стомленасці і не павінен непасрэдна ўжывацца па-за межамі той сферы, для якой ён прызначаны.

Як правяраецца трываласць на стомленасць?

Выпрабаванні на стомленасць можна праводзіць з выкарыстаннем розных метадаў нагрузкі, у тым ліку:

расцяжка-сцісканне,
згінанне,
ратацыйны выгін,
скручванне,
складаныя нагрузкі.

Узор падвяргаецца паўторна зменнай нагрузцы, пакуль не будзе дасягнуты зададзены крытэрый або фіксаваная колькасць цыклаў без разбурэння.
Умовы выпрабаванняў павінны быць старанна вызначаны, паколькі вынік залежыць ад тыпу цыклу, частаты, навакольнага асяроддзя, тэмпературы і геаметрыі ўзору.

Стандарты выпрабаванняў на стомленасць

Выпрабаванні на стомленасць апісаны ў многіх стандартах у залежнасці ад тыпу матэрыялу, узору і метаду нагружэння.
Прыклад — гэта норма ISO 1099 адносна выпрабаванняў металічных матэрыялаў на восевую стомленасць пад кантролем сілы.
Для іншых метадаў выпрабаванняў прымяняюцца адпаведныя стандарты ISO, ASTM або галіновыя стандарты.
Пры параўнанні вынікаў заўсёды правярайце метад выпрабаванняў, R-фактар, колькасць цыклаў, частата, тэмпература, навакольнае асяроддзе і геаметрыя ўзору.

Што найбольш уплывае на стомленасць і жыццё?

Да найважнейшых фактараў адносяцца:

амплітуда напружання,
сярэдні стрэс,
колькасць і характар цыклаў,
выемкі і канцэнтрацыя напружанняў,
стан паверхні,
рэшткавыя напружанні,
памер элемента,
мікраструктура,
тэрмічная апрацоўка,
дэфекты матэрыялу,
тэмпература,
карозія і працоўнае асяроддзе,
кірунак нагрузкі,
гісторыя папярэдніх абвінавачванняў.

Як павялічыць тэрмін службы кампанента?

У залежнасці ад канструкцыі і матэрыялу, трываласць можна павялічыць, сярод іншага:

абмежаванне канцэнтрацыі стрэсу,
выкарыстоўваючы плаўныя пераходы і адпаведныя радыусы,
паляпшэнне якасці паверхні,
памяншэнне паверхневых дэфектаў,
увядзенне спрыяльных рэшткавых напружанняў сціску,
адпаведны тэрмічная апрацоўка,
абарона ад карозіі,
правільны падбор матэрыялу,
абмежаванне амплітуды нагрузкі.

Аднак не існуе адзінага метаду павышэння трываласці ва ўсіх умовах.

Ці заўсёды большая статычная трываласць азначае большую трываласць на стомленасць?

Не. Павелічэнне Rm у некаторых групах матэрыялаў можа быць звязана з павелічэннем трываласці гладкіх узораў на стомленасць, але гэтая залежнасць не з'яўляецца неабмежаванай або ўніверсальнай.
Вельмі трывалыя матэрыялы могуць быць асабліва адчувальныя да якасці паверхні, наяўнасці надрэзаў, уключэнняў, карозіі і іншых парушэнняў суцэльнасці.
Такім чынам, рэальная даўгавечнасць кампанента можа быць значна ніжэйшай за значэнне, якое вызначаецца выключна яго Rm.

Трываласць на стомленасць – найважнейшая інфармацыя

Стомленасць матэрыялу гэта працэс пашкоджання, выкліканы паўторнымі нагрузкамі.
Разбурэнне ад стомленасці можа адбывацца пры напружаннях ніжэйшых за Rm, а таксама пры намінальных напружаннях ніжэйшых за мяжу цякучасці.
Працэс уключае ў сябе зараджэнне расколіны, распаўсюджванне расколіны і канчатковае разбурэнне папярочнага сячэння.
N азначае колькасць цыклаў да пэўнага крытэрыя разбурэння.
σ_a азначае амплітуду напружання.
σ_m азначае сярэдняе напружанне.
R = σ_мін/σ_макс апісвае асіметрыю цыклу.
Крывая Вёлера SN паказвае сувязь паміж узроўнем напружання і колькасцю цыклаў.
Не ўсе матэрыялы маюць выразна акрэсленую мяжу стомленасці.
HCF адносіцца да высокацыклавай стомленасці, а LCF — да нізкацыклавай стомленасці.
Надрэзы і якасць паверхні аказваюць вельмі вялікі ўплыў на тэрмін службы.
Рэшткавыя напружанні сціску на паверхні могуць станоўча ўплываць на тэрмін службы.
Карозія можа значна паскорыць узнікненне і развіццё расколін ад стомленасці.
Пры высокіх тэмпературах стомленасць можа суправаджаць паўзучасць і акісленне.
Пасля таго, як расколіна ўжо ўтварылася, яе развіццё можна прааналізаваць з дапамогай метадаў механікі разбурэння.
Rm, цвёрдасць і Rp0,2 не дазваляюць незалежна вызначыць тэрмін службы рэальнага кампанента.

Стомленасць і стомленасць матэрыялу