Gdy punkt elementu zostanie poddany wystarczaj?co du?emu napr??eniu zak?ócaj?cemu, po odpowiedniej liczbie cykli powstaje p?kni?cie, które nazywamy zm?czeniem. P?kanie zm?czeniowe jest g?ówn? przyczyn? awarii konstrukcji i elementów in?ynierskich. W obecnym zastosowaniu i badaniach wyró?nia si? cztery g?ówne rodzaje metod badań zm?czeniowych:

1. Metoda napr??eń i odkszta?ceń nominalnych;

2. Metoda lokalnych napr??eń i odkszta?ceń;

3. Metoda energetyczna;

4. Metoda mechaniki p?kania.

W tym artykule pokrótce przedstawiono cztery rodzaje metod i ich zastosowania.

Metoda napr??eń nominalnych jest metod? zastosowania testu napr??eń znamionowych do elementu standardowego i jest klasyfikowana jako zm?czenie napr??eniowe i zm?czenie odkszta?ceniowe zgodnie z zale?no?ci? mi?dzy maksymalnym napr??eniem cyklicznym a granic? plastyczno?ci.

Po pierwsze, wprowadza si? zm?czenie napr??eniowe, które definiuje si? jako zm?czenie napr??eniowe, je?li maksymalne napr??enie cykliczne Smax jest mniejsze ni? granica plastyczno?ci Sy. Ze wzgl?du na test zm?czenia napr??eniowego ?ywotno?? materia?u jest ponad 104 razy wi?ksza, wi?c zm?czenie napr??eniowe jest równie? nazywane zm?czeniem wysokocyklowym. Zgodnie z teori? zm?czenia napr??eniowego, napr??enie S materia?u metalowego i liczba N cykli zniszczenia maj? rozk?ad nieliniowy. Dost?pne funkcje pot?gowe: we? logarytm: , lub u?yj wyk?adniczego: we? logarytm do reprezentowania, ta metoda nazywa si? metod? SN. Wyniki analizowano za pomoc? krzywej SN lub krzywej p (wspó?czynnik prze?ycia)-SN w rzeczywistym te?cie.

Zm?czenie napr??eniowe jest generalnie u?ywane dla krzywej zm?czenia materia?u SN. Jak pokazano na rys. 1 i rys. 2, granic? zm?czeniow? stopu magnezu AZ31B (stosunek napr??eń wynosi 0,1, a trwa?o?? zm?czeniowa 107 odpowiada obci??eniu zm?czeniowemu) bada si? metod? podnoszenia. Granica zm?czeniowa próbki stopu magnezu AZ31B na rysunku wynosi 97,29 MPa.

Rysunek 1. Test zm?czeniowy stopu magnezu AZ31B

Rysunek 2. Krzywa SN testu zm?czeniowego stopu magnezu AZ31B

Zm?czenie odkszta?ceniowe jest stosowane do testowania elementów o du?ym obci??eniu i niskiej projektowej trwa?o?ci. Definicja brzmi: je?li maksymalne napr??enie cykliczne Smax jest wi?ksze ni? granica plastyczno?ci Sy, jest to zm?czenie odkszta?ceniowe. Test zm?czenia napr??eniowego s?u?y do badania elementu przy du?ym obci??eniu i niskiej cz?stotliwo?ci. Na przyk?ad, w okresie eksploatacji zbiornika ci?nieniowego, ca?kowita liczba cykli jest rz?du 104. Dlatego odkszta?cenie jest u?ywane jako opis parametru wytrzyma?o?ci zm?czeniowej. Zm?czenie stresem jest równie? znane jako zm?czenie niskocyklowe.

Na podstawie badań zm?czenia odkszta?ceniowego uczeni wysun?li nast?puj?c? teori? zale?no?ci napr??enie-odkszta?cenie (elastoplastyczne napr??enie-odkszta?cenie Remberga-Osgooda):

We wzorze amplituda odkszta?cenia spr??ystego εe, εp jest amplitud? odkszta?cenia plastycznego.

W te?cie symetrycznego odkszta?cenia o sta?ej amplitudzie, ze wzgl?du na odkszta?cenie plastyczne materia?u, napr??enie nie mo?e zosta? zredukowane przez pierwotn? ?cie?k?, gdy odkszta?cenie jest zmniejszone, a krzywa napr??enie-odkszta?cenie jest pier?cieniowa. Ta krzywa nazywana jest p?tl? histerezy. Wraz ze wzrostem liczby cykli, to samo napr??enie amplitudy odkszta?cenia b?dzie si? zwi?ksza? lub zmniejsza?. Odpowied? tego napr??enia odpowiadaj?ca zmianie nazywana jest cyklicznym utwardzaniem lub cyklicznym zmi?kczaniem. Cykl wystarcza na kilka cykli, a niektóre materia?y utworz? stabiln? p?tl? histerezy.

W zm?czeniu odkszta?ceniowym do opisania tendencji materia?u do cyklicznego twardnienia lub cyklicznego zmi?kczania stosuje si? krzyw? napr??enie-odkszta?cenie. W przypadku materia?ów z symetryczn? krzyw? p?tli histerezy nazywa si? to materia?em masowym.

Poni?szy rysunek przedstawia krzyw? σ-ε stopu magnezu ZK60 obci??onego w kierunku walcowania i kierunku poprzecznym. W kierunku poprzecznym zjawisko cyklicznego utwardzania jest oczywiste.

Rysunek 3. Obci??enie stopem magnezu ZK60A wzd?u? krzywej toczenia σ-ε

Rysunek 4. Obci??enie stopem magnezu ZK60A wzd?u? poprzecznej krzywej σ-ε

W przypadku próbek z karbem i sk?adników skoncentrowanych napr??eniu stosuje si? lokaln? analiz? napr??enie-odkszta?cenie. Z dotychczasowych badań wynika, ?e trwa?o?? zm?czeniowa pr?tów jest lokalnym maksymalnym odkszta?ceniem i napr??eniem i zaproponowano koncepcj? wspó?czynnika koncentracji napr??eń. Nadaje si? do obliczania trwa?o?ci powstawania p?kni?? materia?u i przewidywania resztkowej trwa?o?ci zm?czeniowej komponentów.

Teoria zaproponowana przez metod? napr??eń lokalnych ma wzór Neubera (wzór koncentracji napr??eń)

Teoria Minnera (teoria skumulowanych uszkodzeń zm?czeniowych): Trwa?o?? zm?czeniowa elementu przy sta?ym napr??eniu S wynosi N, a nast?pnie uszkodzenie w n cyklach wynosi:

W przypadku poddania ni cyklom pod k sta?ym napr??eniem Si, ca?kowite uszkodzenie mo?na okre?li? jako:

Kryteria uszkodzenia to:

Zastosowanie metody napr??eń lokalnych pokazano na Rysunku 5 i Rysunku 6.

Rysunek 5. Przewidywana trwa?o?? zm?czeniowa próbek z karbem

Rysunek 6. Przewidywanie trwa?o?ci zm?czeniowej ?urawia (mapa rozk?adu punktów testowych napr??eń i odkszta?ceń ?urawia)

Trwa?o?? zm?czeniow? w punkcie koncentracji napr??eń oblicza si? wed?ug nast?puj?cego wzoru:

Gdzie: Sf – napr??enie zast?pcze g?adkiej trwa?o?ci zm?czeniowej próbki

Rysunek 6 Metoda obliczania trwa?o?ci zm?czeniowej ?urawia polega na wprowadzeniu mapy historii czasu ró?nych punktów testowych i wprowadzeniu równania trwa?o?ci zm?czeniowej ka?dego punktu oraz obliczeniu resztkowej trwa?o?ci zm?czeniowej ka?dego punktu. Domy?lny punkt minimalnej trwa?o?ci to pozosta?a trwa?o?? zm?czeniowa urz?dzenia. W przypadku d?wigów uczeni zasugerowali, ?e skumulowana warto?? uszkodzeń D zwyk?ej stali si?ga 0,68.

Termografia w podczerwieni jest metod? przewidywania w?a?ciwo?ci zm?czeniowych w oparciu o prawo sta?ej energii procesu zm?czenia materia?u. Metoda termicznego obrazowania zm?czenia opiera si? na energii termodynamicznej U, energii kinetycznej K oraz innych formach rozpraszania energii w procesie zm?czenia. Suma zmian energii E i zmiany termicznej Q poch?oni?tej lub rozproszonej przez obiekt powinna by? prac? W dzia?aj?c? na obiekt. ten sam.

Obrazowanie termiczne zm?czeniowe ma zalety nieniszcz?cej, bezkontaktowej pracy w czasie rzeczywistym. Jednocze?nie ze wzgl?du na nieliniow? zale?no?? mi?dzy rozpraszaniem energii a obci??eniem zm?czeniowym oraz b??d rozpraszania temperatury z wykorzystaniem rozpraszania ciep?a nadal nie nadaje si? do pomiarów przemys?owych.

W obecnych badaniach zaproponowano nast?puj?c? teori? modeli predykcyjnych, metod? Luonga, ?Tmax i trwa?o?? zm?czeniow? Nf:

Gdzie: C1, C2 s? sta?ymi.

Dlatego granic? zm?czenia mo?na przewidzie? metod? dwuprzewodow?. Na podstawie rozpraszania ciep?a naukowcy zaproponowali nast?puj?ce modele:

R-nachylenie wzrostu temperatury

Poni?ej przedstawiono studium metody termicznego obrazowania zm?czeniowego przeprowadzone przez zespó? nauczyciela Zhang Hongxia z Politechniki w Taiyuan. Trwa?o?? zm?czeniowa stopu AZ31B Mg zosta?a szybko przewidziana za pomoc? obrazowania termicznego. Aby przewidzie? granic? zm?czeniow? materia?u metod? dwuliniow?, wystarczy zbada? wzrost temperatury pierwszego stopnia próbki. Rysunek 7, Rysunek 8, Rysunek 9, odpowiednio.

Rysunek 7. Temperatura powierzchni próbki stopu magnezu AZ31B przy ró?nych czasach cyklu w te?cie zm?czeniowym

Rysunek 8. Krzywa temperatury powierzchni próbki procesu zm?czeniowego AZ31B

Rysunek 9. Zmiana temperatury przy obci??eniu zm?czeniowym

Liniowa mechanika p?kania spr??ystego stanowi teoretyczn? podstaw? badania rozwoju p?kni?? zm?czeniowych. Propagacj? p?kni?? zm?czeniowych mo?na równie? ilo?ciowo opisa? wspó?czynnikiem intensywno?ci napr??eń K.

Pod obci??eniem zm?czeniowym szybko?? zmiany a d?ugo?ci p?kni?cia a wraz z liczb? cykli N, da/dN jest szybko?ci? narastania p?kni?cia zm?czeniowego, odzwierciedlaj?c? szybko?? propagacji p?kni?cia. Dla danej d?ugo?ci p?kni?cia a, da/dN wzrasta wraz ze wzrostem amplitudy napr??eń cyklicznych ?σ (im wi?ksze ?σ, tym wi?ksze ?K). W oparciu o to zjawisko naukowcy zbadali da/dN-?K (propagacj? p?kni??). Krzywa wzrostu intensywno?ci napr??eń, krzyw? mo?na podzieli? na trzy strefy: niskie tempo, ?rednie tempo, wysokie tempo. Formu?a paryska stwierdza, ?e istnieje liniowa zale?no?? mi?dzy stabilnym rozszerzeniem ?redniej stawki:

Empiryczna formu?a kszta?tu końcówki p?kni?cia:

Tworzenie i rozszerzanie si? p?kni?? zm?czeniowych mo?na ujednolici? w ramach mechaniki uszkodzeń.

Poni?ej przedstawiono badanie szybko?ci p?kania stopu magnezu AZ31B i ocen? stabilnej szybko?ci rozszerzania si? AZ31B.

Rysunek 10. Schemat ideowy mechanizmu konkurencji wierzcho?ka p?kni?cia zm?czeniowego

Rysunek 11. Schematyczny diagram trzech ró?nych obszarów pola napr??enie-odkszta?cenie na wierzcho?ku p?kni?cia

Rysunek 12. Schemat ideowy krzywej aN mechanizmu konkurencji wierzcho?ka p?kni?cia zm?czeniowego

Rysunek 13. Schematyczny wykres krzywej da/dN-ΔK dla mechanizmu konkurencyjnego wierzcho?ka p?kni?cia zm?czeniowego

Segment AB (strefa ?redniego tempa): da/dN=4,57×10-7(ΔK)3,25 (7,2＜ΔK≤13,5 MPa?m1/2)

Segment BC (strefa wysokiej szybko?ci): da/dN=3,16×10-10(ΔK)6,21(13,5＜ΔK≤22,1 MPa?m1/2)

Wniosek:

Te cztery rodzaje metod ró?ni? si? pod wzgl?dem zastosowania. Metoda napr??eń nominalnych i metoda napr??eń lokalnych s? odpowiednie do badania wydajno?ci materia?ów i komponentów w dziedzinie przemys?owej. Metoda energetyczna pozwala przewidzie? trwa?o?? zm?czeniow? materia?u, a metoda mechaniki p?kania z powodzeniem ujednolica powstawanie i rozszerzanie si? p?kni?? zm?czeniowych.