Наистина ли разбирате якостта на умора на металните материали?

 

I. Явления и характеристики на умората на металите

 

1. Феномен на умората на метала

Образуване на пукнатини: При променлив стрес или циклично напрежение, металните материали постепенно образуват малки пукнатини в зони с локално високо напрежение.

Разпространение на пукнатини: Тези малки пукнатини постепенно се разширяват с течение на времето при продължителен стрес.

Разрушаване при счупване: Когато пукнатините се разпространят до определена степен, останалият материал вече не може да понесе натоварването, което води до пълно счупване на металния компонент.

 

 

 

▲Фигура 1 Често срещани циклични напрежения

 

2. Характеристики на умората на метала

Внезапност: Разрушаването на умората на метала често се случва внезапно с течение на времето и не се открива лесно предварително.

Локалност: Повреда обикновено възниква в зони с локален висок стрес, с относително концентрирани места.

Чувствителност: Умората на метала е чувствителна към факторите на околната среда и дефектите. Например грапавостта на повърхността, степента на окисляване и условията на корозия на частите могат да повлияят на якостта на умора.

Зависимост от цикъл: Умората на метала е пряко свързана с нивото на напрежение на цикличните натоварвания и броя на циклите. Дори ако нивото на напрежение е под границата на провлачване на материала, дългосрочното циклично натоварване може да доведе до разрушаване поради умора.

Статистически характер: Според статистиката около 80%-90% от повредите на инженерните конструкции са причинени от умора на метала.

 

 

 

▲ Различни видове морфология на счупване от умора

 

 

II Класификация на умората на металите

 

1. Класификация по брой циклични натоварвания

Умора при голям цикъл: Отнася се до умора при ниско напрежение (работно напрежение под границата на провлачване на материала и дори под границата на еластичност) с цикли на напрежение над 100,000. Това е най-често срещаният тип отказ от умора, известен също като умора от стрес. Характеристиките на умора при висок цикъл се описват от кривата SN (крива на стрес-живот), която показва, че за дадено съотношение на напрежение, колкото по-ниско е напрежението, толкова по-дълъг е животът.

Умора при нисък цикъл: Отнася се до умора при голямо напрежение (работно напрежение, близко до границата на провлачване на материала) или условия на високо напрежение с цикли на напрежение под 10,000 до 100,000. Тъй като променливата пластична деформация играе основна роля в този тип повреда от умора, тя се нарича още пластична умора или умора от деформация.

 

2. Класификация по форма на отказ от умора

Термична умора: Разрушаване поради умора, причинено от повтарящ се термичен стрес поради температурни промени.

Умора от корозия: Повреда от умора на машинни части при комбинирано действие на променливи натоварвания и корозивни среди (като киселини, основи, морска вода, активни газове и др.).

Контактна умора: Отнася се до повреда от умора на контактните повърхности на машинни части, където възникват хлътване или смачкване и лющене на повърхността при многократно контактно напрежение, което води до повреда на компонента.

 

 

III. Крива на умората

 

 

 

▲Крива на умора на метални материали

 

 

▲SN крива

 

Горната диаграма илюстрира връзката между напрежението на умора и живота на умора, известна като крива SN, която се използва за определяне на границата на умора и установяване на основата за критерии за напрежение на умора.

Граница на умора: Отнася се до показателя за якост на способността на материала да издържи безкраен брой цикли на напрежение без разрушаване; условната граница на умора се отнася до показателя за якост на способността на материала да издържи краен брой цикли на напрежение без разрушаване. И двете се наричат ​​колективно якост на умора. Колкото по-голяма е якостта на опън, толкова по-голяма е границата на умора.

 

 

IV. Фактори, влияещи върху якостта на умора на метални материали

 

1. Форма и размер на компонента

Действителните механични части неизбежно имат различни форми на прорези, като стъпала, шпонкови канали, резби и маслени отвори, които причиняват концентрация на напрежение и влияят на якостта на умора.

Ефектът на размера на частите също е важно съображение. По-големите части в сравнение с по-малките проби може да имат повече концентрации на напрежение и градиенти на напрежение, което влияе на ефективността на умора.

2. Повърхностно покритие

Ниското покритие на повърхността може да причини концентрация на напрежение върху повърхността на материала, като по този начин намали якостта на умора на материала. Например, грубата механична обработка (грубо струговане) в сравнение с надлъжното фино полиране може да намали границата на умора с 10% до 20% или повече.

3. Условия за обслужване

Работната среда, като например наличието на корозивна среда, може да проникне в микропукнатини и да насърчи повреда от умора на компонентите.

Аерокосмическите материали, използвани при сложни климатични условия, като висока температура, висока влажност и ниска температура, също могат да повлияят на тяхната устойчивост на умора.

4. Състав на материала

Съставът на металния материал пряко влияе върху неговата устойчивост на умора. Например, увеличаването на съдържанието на въглерод намалява якостта на счупване на мартензита и увеличава склонността към закаляване на пукнатини.

5. Организационно състояние

Микроструктурата на металните материали оказва значително влияние върху тяхната якост на умора. Структурата, получена след закаляване и темпериране, може допълнително да подобри якостта на умора.

6. Чистота

Дефекти като включвания в материала могат да станат източници на умора, намалявайки якостта на умора.

7. Остатъчно напрежение

Наличието на остатъчно напрежение също може да повлияе на характеристиките на умора на материала.

8. Здравина и пластичност на материала

Колкото по-добра е здравината и пластичността на металния материал, толкова по-висока е неговата способност да устои на разрушаване от умора.

9. Амплитуда на напрежението

Големината на амплитудата на напрежението пряко влияе върху живота на метала при умора.

10. Среден стрес

Големината и естеството (на опън или натиск) на средното напрежение също влияят върху характеристиките на умора на метала.

11. Брой цикли

Разрушаването на умората на метала обикновено се случва след определен брой цикли.

12. Ефект на концентрация на стрес

Внезапни промени в контура на частта или вътрешни прекъсвания (като пори, включвания, пукнатини и т.н.) могат да станат източници на концентрация на напрежение, ускорявайки процеса на разрушаване от умора.

 

 

V Методи за определяне на кривите на умора

Методът за определяне на кривите на умора, особено кривата SN, е решаващ подход за оценка на характеристиките на умора на материали при циклично напрежение или деформация.

 

1. Определяне на целта и условията на теста

Ясно определете вида на материала, който ще се тества, обхвата на нивата на напрежение, честотата и други параметри.

Изберете подходящо оборудване за изпитване, като например машина за изпитване на умора, и го регулирайте и калибрирайте според изискванията на изпитването.

2. Подготовка на пробите

Подгответе образци, които отговарят на изискванията въз основа на съответните стандарти и изисквания за изпитване.

Прецизно измервайте и записвайте размерите, теглото и другите параметри на образците.

3. Монтиране на образците

Монтирайте образеца върху машината за изпитване на умора, като осигурите подравняване между оста на образеца и оста на натоварване.

За тестове, изискващи специални приспособления или устройства, инсталирайте ги и ги регулирайте според изискванията.

4. Задаване на тестови параметри

Въз основа на целта и условията на теста, задайте форма на вълната на натоварване (напр. синусоида, квадратна вълна), ниво на натоварване, честота и други параметри.

За тестове, които трябва да симулират действителни работни условия, задайте съответните параметри на околната среда като температура и влажност.

5. Стартиране на теста и записване на данни

Стартирайте машината за тестване и започнете циклично зареждане.

По време на теста записвайте данни като натоварване, изместване и време за всеки цикъл.

Наблюдавайте деформацията и отказите на образеца и своевременно записвайте броя и формите на отказите от умора.

6. Начертаване на SN кривата

Въз основа на данните от изпитването начертайте кривата SN с ниво на напрежение (S) като хоризонтална ос и логаритъм на издръжливост на умора (N, т.е. брой цикли) като вертикална ос.

Кривата SN обикновено се състои от три секции: област на умора с нисък цикъл, област на умора с ограничен живот и област на умора с висок цикъл. Тези секции могат да бъдат разделени и етикетирани според данните от теста.

7. Анализ и интерпретация на данни

Анализирайте данните от SN кривата, включително изчисления и сравнения на параметри като наклон и пресечна точка.

Интерпретирайте показателите на умора и характеристиките на живот на материала въз основа на формата и параметрите на кривата SN.

Комбинирайте информация за микроструктурата и химичния състав на материала, за да анализирате механизмите и факторите, влияещи на повредата от умора.