Oboseala materială

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 7 decembrie 2021; verificările necesită 5 modificări .

Oboseala materialului ( în engleză  oboseală a materialelor ) - degradarea proprietăților mecanice ale materialului ca urmare a acumulării treptate a deteriorării sub acțiunea unor tensiuni variabile (adesea ciclice) cu formarea și dezvoltarea fisurilor , care determină distrugerea acestuia pe o perioadă de timp . anumit timp. Acest tip de defecțiune se numește eșec la oboseală .

Fenomenul de scădere a rezistenței pieselor de mașini sub acțiunea unei sarcini ciclice a fost descoperit încă de la mijlocul secolului al XIX-lea. Aceasta a servit drept bază pentru crearea unei noi direcții în știința rezistenței materialelor și structurilor, numită „fizica oboselii materialelor”.

Istorie

Primul studiu care abordează problema oboselii materiale este lucrarea lui Wilhelm Albert publicată în 1838 [1] [2] . Termenul „oboseală” îi aparține în mod clar lui F. Braithwaite ( ing.  Frederick Braithwaite (1854) [3] , deși Poncelet , încă din 1839, în prelegerile sale de la școala militară din Metz , a caracterizat starea metalelor după sarcini ciclice ca „ oboseală".

În anii 1858-1870, inginerul german August Wöhler a început studii sistematice ale oboselii materialelor, dedicate în principal studiului oboselii osiilor feroviare [2] . În special, a studiat condițiile de funcționare ale acestor piese, a creat echipamente care au făcut posibilă reproducerea condițiilor de funcționare a acestora în condiții de laborator și a construit curbe de oboseală pentru materialele studiate.

În anii 1880, I. Bauschinger ( efectul Bauschinger ) a stabilit o modificare a limitei elastice a materialelor sub încărcare variabilă repetată și a dovedit diferența dintre procesele de deformare sub sarcini statice și ciclice și, de asemenea, a descoperit bucle de histerezis în diagrama de deformare în efort. -coordonatele deformarii.

În 1903, James Alfred Ewing și D. Humphrey au descoperit prezența așa-numitelor benzi de alunecare pe suprafața probelor supuse la sarcini variabile și au descoperit că acestea sunt o condiție prealabilă pentru apariția fisurilor de oboseală în metale [4] [5] . Studii ulterioare [6] au arătat că apariția benzilor de forfecare la solicitări semnificativ mai mici decât limita de curgere este asociată cu neomogenitatea structurală a metalelor, ceea ce duce la deformații semnificative ale volumelor locale individuale ale materialului și, de asemenea, că sub încărcare ciclică, Procesul de deformare plastică este localizat, pe suprafața probei, se observă adesea aspectul secțiunilor proeminente (extrudare) și deprimate (intruziune) ale materialului. La nivel submicrostructural, mecanismele care conduc la inițierea fisurilor de oboseală sunt luate în considerare folosind conceptele teoriei dislocației.

La începutul secolului al XX-lea au fost publicate primele studii în Imperiul Rus despre oboseala materialelor, ai căror autori au fost oamenii de știință ucraineni M. Voropaev [7] și K. Siminsky [8] .

În prima jumătate a secolului al XX-lea, au fost studiate modelele fenomenologice ale acumulării daunelor prin oboseală [8] .

Cercetarea oboselii materiale a fost intens dezvoltată în anii 1945-1960 în legătură cu defecțiunile prin oboseală ale structurilor aeronavelor, care au avut în primul rând consecințe catastrofale (prăbușiri ale primului avion comercial cu reacție „Kometa”, 1954). În același timp, au fost studiate în detaliu legile împrăștierii datelor din determinarea experimentală a limitei de rezistență și a numărului de cicluri până la cedarea materialelor și au fost create metode de luare în considerare la proiectarea mașinilor și structurilor, s-au formulat concepte de bază ale defecțiunii sub sarcină cu ciclu redus, au fost dezvoltate noi abordări pentru a evalua durabilitatea materialelor și structurilor, atunci când baza predicției ruperii a fost luată nu de stres, ci de deformare, în special de componenta sa plastică [8] .

În 1961, P. Peris a propus o ecuație care leagă rata de creștere a fisurilor de oboseală la valoarea factorului de intensitate a tensiunii [9] [10] . Pe baza acestor și altor criterii ale mecanicii ruperii, s-au efectuat o cantitate semnificativă de cercetări, în urma cărora s-au stabilit principalele legi ale dezvoltării fisurilor de oboseală, ținând cont de întregul complex de factori care apar in conditii de functionare.

Tipuri de oboseală

Termenul „oboseală” este folosit pentru a desemna factorul determinant al tipului de defecțiune sub forma unei separări bruște neașteptate a unei piese sau a unui element de mașină în două sau mai multe părți ca urmare a sarcinilor ciclice sau deformațiilor de ceva timp . Distrugerea are loc prin inițierea și propagarea unei fisuri, care devine cauza acesteia la atingerea unei anumite dimensiuni critice și devine instabilă și crește rapid. Numărul de cicluri de încărcare la care se produce cedarea depinde de nivelul tensiunii care acționează - cu creșterea tensiunilor variabile, numărul de cicluri necesare pentru inițierea și dezvoltarea unei fisuri scade. Sarcinile și tensiunile la care se produce de obicei defectarea prin oboseală sunt mult mai mici decât cele care duc la defectare în condiții statice. Când mărimile sarcinilor și deplasărilor sunt de așa natură încât defectarea are loc după mai mult de 10.000 de cicluri, fenomenul este denumit în mod obișnuit oboseală de ciclu înalt. Atunci când valorile sarcinilor și deplasărilor sunt de așa natură încât defectarea are loc în mai puțin de 10.000 de cicluri, fenomenul se numește oboseală cu ciclu scăzut .

Când sarcinile și deformațiile ciclice apar în părți ca urmare a acțiunii unui câmp de temperatură care variază ciclic, fenomenul este denumit în mod obișnuit oboseală termică.

Fractura, cunoscută sub numele de oboseală de suprafață, apare de obicei în prezența suprafețelor de contact rotative. Se manifestă sub formă de stropire , crăpare și prăbușire a suprafețelor de contact ca urmare a acțiunii tensiunilor de contact, sub influența cărora, la o adâncime mică, tensiunile de forfecare ciclice maxime apar în apropierea suprafeței. Aceste tensiuni duc la formarea de fisuri care ies la suprafata, in timp ce unele particule din material sunt separate. Acest fenomen poate fi adesea văzut ca o formă de uzură .

Oboseala prin frecare  este procesul de acumulare a deteriorării și de acționare a materialelor de suprafață care sunt în contact și efectuează mișcări relative oscilatorii cu o amplitudine mică sub acțiunea unei sarcini ciclice, care provoacă deformații variabile prin forfecare ale straturilor de suprafață, griparea și separarea particulelor, aspectul de oxizi , fisurare acceleratăși distrugere a obiectului [ 11 ] . Deteriorările de suprafață și microfisurile care apar ca urmare a fretting-ului joacă rolul de nuclee de fisuri de oboseală, drept urmare defectarea prin oboseală are loc sub astfel de sarcini care nu ar provoca defecțiuni în alte condiții.

Oboseala la impact apare atunci când defectarea are loc la încărcări repetate de impact datorită formării și propagării fisurilor de oboseală.

Oboseala prin coroziune este un tip complex de defecțiune, în care efectele adverse ale coroziunii și ale încărcării alternative sunt combinate, ducând la defecțiune [12] . În procesul de coroziune, pe suprafața metalului se formează adesea gropi, care devin concentratoare de stres. Ca urmare a concentrării stresului, procesul de eșec prin oboseală este accelerat. În plus, fisurile din stratul fragil al produselor de coroziune servesc drept nuclee pentru fisurile de oboseală care se propagă în metalul de bază. Pe de altă parte, ca urmare a acțiunii solicitărilor ciclice sau a deformărilor, se produce crăparea și descuamarea produselor de coroziune, adică se deschide accesul mediului coroziv la noi straturi de metal. Astfel, ambele procese se accelerează reciproc, iar riscul de distrugere crește.

Caracteristicile de oboseală ale materialului

Valorile nominale ale tensiunilor maxime în condiții de încărcare variabilă sunt mai mici decât rezistența la tracțiune și, în general, mai mici decât limita de curgere a materialului. Proprietatea unui material de a lucra în condiții de sarcini ciclice este caracterizată de limita de anduranță  - tensiunea maximă a ciclului în valoare absolută, la care încă nu există nicio distrugere din cauza oboselii pentru un anumit număr de cicluri de încărcare, care se numește baza de testare. (N0 ) [ 13] . Valoarea sa depinde de structura și defectele materialului, tehnologia de fabricație și prelucrare, starea suprafeței, mediul de testare și temperatură, concentrația tensiunii, dimensiunea probei, modul de aplicare a sarcinii și așa mai departe și poate varia (în cele mai nefavorabile condiții, scăderea) de 5-10 ori față de rezistența la rupere a materialului). Aceste caracteristici provoacă dificultăți semnificative în proiectarea mașinilor și structurilor din cauza necesității de a exclude defecțiunile la oboseală ale acestora. După cum arată practica, 50-80% din defecțiunile mașinilor și structurilor sunt asociate cu oboseala materialului [8] .

Capacitatea unui material de a rezista la rupere sub solicitări care variază în timp se numește rezistență.

Principalele caracteristici ale rezistenței la oboseală sunt determinate din curba de oboseală, care caracterizează relația dintre tensiunile maxime sau amplitudinile ciclului și durabilitatea ciclică a probelor. O reprezentare grafică a relației rezultate dintre amplitudinile tensiunii ciclului și numărul de cicluri până la defecțiune se numește curbă de oboseală sau diagramă Weller (curbă) (August Weller August Wöhler , inginer german).

În general, curba de oboseală, care descrie relația dintre solicitările maxime și numărul de cicluri până la cedarea N p , poate fi împărțită în trei secțiuni. În secțiunea I, cedarea are loc ca urmare a deformării plastice direcționate până la deformarea finală, care este aproximativ egală cu deformarea finală sub sarcină statică. În secțiunea II, cedarea are loc după un număr relativ mic de cicluri de încărcare (N p ≤ 2⋅10 4 cicluri), iar creșterea fisurilor de oboseală este însoțită de deformații plastice semnificative. Acest tip de defecțiune se numește defecțiune la oboseală cu ciclu scăzut. În secțiunile II și III, cedarea are loc din cauza inițierii și propagării unei fisuri de oboseală. La fractură, de regulă, se pot distinge două secțiuni: o structură cu fibre fine, care este tipică pentru creșterea unei fisuri de oboseală și o secțiune cu granulație grosieră a fracturii finale.

În secțiunea III, materialul este distrus după un număr mare de cicluri de încărcare de amplitudine mică. În acest sens, secțiunea II este numită secțiunea de oboseală cu ciclu scăzut; III - un loc de oboseală cu ciclu înalt sau pur și simplu oboseală.

Când se testează unele materiale, în special oțelurile carbon , la temperatura camerei, secțiunea dreaptă a dependenței este îndreptată către o linie orizontală (N p > 107 cicluri).

Durabilitatea ciclică este înțeleasă ca numărul de cicluri de solicitare sau deformare pe care un obiect le suportă sub sarcină până la starea limită (formarea unei fisuri de oboseală de o anumită lungime sau distrugere completă).

Dacă aplicarea sarcinilor asupra materialului este periodică, atunci totalitatea tuturor valorilor tensiunilor care apar în material se numește ciclu de tensiuni . Rezistența la oboseală este afectată în principal de solicitările minime (σ min ) și maxime (σ max ) ale ciclului și de amplitudinea ciclului de solicitare . Raportul dintre solicitarea minimă a ciclului și cea maximă, ținând cont de semnele tensiunilor, se numește  coeficient de asimetrie a ciclului și se notează cu litera r

.

Atunci, cu un ciclu simetric, coeficientul de asimetrie va fi egal cu −1, iar limita de anduranță în condiții de tensiune-compresie se va numi σ −1 , iar în condiții de torsiune τ −1.

Teste de oboseală

Testarea la oboseală  - Testarea încărcării ciclice a unui obiect pentru a determina caracteristicile de rezistență la oboseală [14] .

La testarea oboselii, se determină limita de anduranță . Pentru a determina limita de anduranță se construiesc curbe de oboseală. În același timp, cel puțin zece probe sunt testate pentru un nivel de încărcare. Curbele de oboseală sunt construite în coordonate semilogaritmice sau logaritmice [15] .

Există diverse scheme de testare: încovoiere, torsiune, tensiune, compresie. Cea mai comună metodă de testare la oboseală este încercarea de încovoiere rotativă a unei probe cilindrice, unde un ciclu de îndoire corespunde unei revoluții.

Abordări ale studiului oboselii

Problema oboselii materialelor este studiată de specialiști din domeniul mecanicii, fizicii, chimiei, științelor inginerești și altele asemenea. Cercetările lor vizează atât studierea naturii defecțiunii prin oboseală a materialelor și construirea unor teorii adecvate, cât și crearea unor metode de proiectare a mașinilor și structurilor care exclud apariția defecțiunilor lor din cauza oboselii în timpul funcționării [8] .

Știința oboselii materiale poate fi împărțită în funcție de abordări ale studiului în:

Prevenirea eșecului la oboseală

Metoda principală de prevenire a defecțiunii prin oboseală este modificarea designului mecanismului pentru a elimina sarcinile ciclice sau înlocuirea materialelor cu altele mai puțin predispuse la defectarea prin oboseală. O creștere semnificativă a rezistenței oferă un tratament chimic-termic al metalelor , de exemplu, nitrurarea suprafeței .

Pulverizarea termică , în special pulverizarea cu flacără de mare viteză , creează stres de compresiune în stratul de acoperire a materialului și ajută la reducerea înclinației pieselor la cedarea prin oboseală. .

Câteva dezastre notabile de eșec la oboseală

Vezi și

Notă

  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). „O istorie de oboseală” . Inginerie mecanică a fracturilor . 54 (2): 263-300. DOI : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  3. ↑ Braithwaite, F. (1854). „Despre oboseala și ruptura consecventă a metalelor” . Instituția Inginerilor Civili, Proces-verbal . 13 (1854): 463-467. DOI : 10.1680/imotp.1854.23960 . Arhivat din original pe 09.08.2019 . Preluat 2021-04-30 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  4. ↑ Ewing JA, Humphrey JCW Trans. roy. roc (Londra) (A). Vol. 200, p.241, 1903.
  5. ↑ Ewing JA, Rosenhain W. Trans. roy. soc (Londra) (A). Vol. 193, p. 353, 1900.
  6. ↑ Gough HJ, Hanson D. Proc. roy. soc (Londra) (A). Vol. 104, 1923.
  7. ↑ Beskhmelnitsina M. M. Voropaev Mikhailo Oleksiyovich // Oboseala materialului  // Enciclopedia Ucrainei moderne  : [ ukr. ]  : la 30 t.  / Academia Națională de Științe a Ucrainei Shevchenko , Institutul de Studii Enciclopedice al Academiei Naționale de Științe din Ucraina. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Troshchenko V. T. Volumul materialelor Copie de arhivă din 22 aprilie 2016 la Wayback Machine // Oboseala materialului  // Enciclopedia Ucrainei moderne  : [ ukr. ]  : la 30 t.  / Academia Națională de Științe a Ucrainei Shevchenko , Institutul de Studii Enciclopedice al Academiei Naționale de Științe din Ucraina. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  9. ↑ Paris Paul C; et al. (1961). „O teorie analitică rațională a oboselii” (PDF) . Tendința în inginerie . 13 (1): 9-14 . Consultat la 15 iunie 2017 .
  10. ↑ Lutz Diana. Paul C. Paris, pionier al mecanicii fracturilor, onorat pentru munca sa . Universitatea Washington din St. Louis . Universitatea Washington din St. Louis. Preluat la 15 iunie 2017. Arhivat din original la 9 august 2019.
  11. ↑ DSTU 2444-94 Rozrakhunki și testare pentru mіtsnіst. Opir at vtomі. Termenii sunt aceiași.
  12. ↑ DSTU 3830-98 Coroziunea metalelor și aliajelor. Termenii sunt cei mai importanți de înțeles.
  13. ↑ DSTU 2825-94 Rozrahunki și testare pentru mіtsnіst. Termenii sunt cei mai importanți de înțeles.
  14. ↑ DSTU 2824-94 Rozrahunki și testare pentru mіtsnіst. Vezi și metode de încercare mecanică. Termenii sunt aceiași.
  15. ↑ GOST 25.502-79 Calcule și teste de rezistență în inginerie mecanică. Metode de încercare mecanică a metalelor. Metode de testare la oboseală.
  16. ↑ Discuție în cartea din 1879 despre accidentul de la Versailles . Preluat la 19 decembrie 2020. Arhivat din original la 16 aprilie 2007.
  17. ↑ Sohn Emily. De ce marea inundație de melasă a fost atât de mortală  . Canalul Istoriei . A&E Television Networks (15 ianuarie 2019). Preluat la 16 ianuarie 2019. Arhivat din original la 16 ianuarie 2021.
  18. ↑ ObjectWiki: Fuselage of de Havilland Comet Airliner G-ALYP . Muzeul Științei (24 septembrie 2009). Consultat la 9 octombrie 2009. Arhivat din original pe 7 ianuarie 2009.
  19. ↑ Prăbușirea unui an-10A al UGA ucrainean lângă Harkov . airdisaster.ru. Consultat la 4 noiembrie 2012. Arhivat din original la 4 octombrie 2012.
  20. ↑ Mark Cogan: „Primul crack” . Preluat la 19 decembrie 2020. Arhivat din original la 4 august 2021.
  21. ↑ 1 2 Aircraft Accident Report, zborul Aloha Airlines 243, Boeing 737-100, N73711, Near Maui, Hawaii, 28 aprilie 1998 . National Transportation Safety Board (14 iunie 1989). Consultat la 5 februarie 2016. Arhivat din original la 20 ianuarie 2021.
  22. ↑ Descrierea accidentului pe Rețeaua de siguranță a aviației
  23. ↑ Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe . Arhivat 14 aprilie 2021 la Wayback Machine În: Süddeutsche Zeitung , 2. iunie 2008.
  24. ↑ Kudryavy V.V. Cauze sistemice ale accidentelor  // Construcție hidrotehnică. - 2013. - Nr 2 . Arhivat din original pe 22 ianuarie 2021.
  25. ↑ Inspecție obligatorie la toate motoarele Boeing 737 în urma incidentului Southwest - Airways Magazine  , Airways Magazine (  18 aprilie 2018). Arhivat din original pe 19 aprilie 2018. Preluat la 18 aprilie 2018.

Surse

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice