Предел усталости

Максимальное напряжение, которое не приведет к усталостному разрушению

Репрезентативные кривые приложенного напряжения в зависимости от количества циклов для  сталь (показывающая предел выносливости) и  алюминий (без такого ограничения).

Предел усталости или предел выносливости — это уровень напряжения , ниже которого к материалу может быть применено бесконечное количество циклов нагружения, не вызывая усталостного разрушения. ^[1] Некоторые металлы, такие как ферросплавы и титановые сплавы, имеют четкий предел, ^[2] тогда как другие, такие как алюминий и медь , не имеют и в конечном итоге выйдут из строя даже при небольших амплитудах напряжения. Там, где материалы не имеют четкого предела, используется термин усталостная прочность или предел выносливости , который определяется как максимальное значение полностью измененного напряжения изгиба, которое материал может выдержать в течение определенного количества циклов без усталостного разрушения . ^{[3] [4]}

Определения

ASTM определяет усталостную прочность , как «значение напряжения, при котором происходит разрушение после циклов», а предел выносливости , как «предельное значение напряжения, при котором происходит разрушение, которое становится очень большим». ASTM не определяет предел выносливости , значение напряжения, ниже которого материал выдерживает множество циклов нагрузки ^[1] , но подразумевает, что он аналогичен пределу выносливости. ^[5] ${\displaystyle S_{N_{f}}}$ ${\displaystyle N_{f}}$ ${\displaystyle S_{f}}$ ${\displaystyle N_{f}}$

Некоторые авторы используют предел выносливости , для напряжения, ниже которого разрушение никогда не происходит даже при неопределенно большом количестве циклов нагружения, как в случае со сталью ; и предел выносливости или усталостная прочность , для напряжения, при котором разрушение происходит после определенного количества циклов нагружения, например 500 миллионов, как в случае алюминия. ^{[1] [6] [7]} Другие авторы не делают различий между выражениями, даже если они различают два типа материалов. ^{[8] [9] [10]} ${\displaystyle S_{e}}$ ${\displaystyle S_{f}}$

Типичные значения

Типичные значения предела ( ) для сталей составляют половину предельного предела прочности на разрыв, но не более 290 МПа (42 фунта на квадратный дюйм). Для сплавов железа, алюминия и меди предел прочности обычно в 0,4 раза превышает предел прочности. Максимальные типичные значения для железа составляют 170 МПа (24 фунта на квадратный дюйм), для алюминия 130 МПа (19 фунтов на квадратный дюйм) и для меди 97 МПа (14 фунтов на квадратный дюйм). ^[2] Обратите внимание, что эти значения относятся к гладким испытательным образцам без надрезов. Предел выносливости образцов с надрезом (и, следовательно, для многих практических ситуаций проектирования) значительно ниже. ${\displaystyle S_{e}}$ ${\displaystyle S_{e}}$

Было показано, что для полимерных материалов предел выносливости отражает внутреннюю прочность ковалентных связей в полимерных цепях, которые необходимо разорвать, чтобы образовалась трещина. Пока другие термохимические процессы не разрушают полимерную цепь (например, старение или воздействие озона ), полимер может работать неопределенно долго без роста трещин, когда нагрузки сохраняются ниже внутренней прочности. ^{[11] [12]}

Концепция предела усталости и, следовательно, стандарты, основанные на пределе усталости, такие как прогнозирование срока службы подшипников качения ISO 281: 2007 , остаются спорными, по крайней мере, в США. ^{[13] [14]}

Модифицирующие факторы предела выносливости

На предел выносливости компонента машины Se влияет ряд элементов, называемых модифицирующими факторами. Некоторые из этих факторов перечислены ниже.

Фактор поверхности

Коэффициент модификации поверхности связан как с прочностью на разрыв материала, так и с чистотой поверхности детали машины. ${\displaystyle k_{S}}$ ${\displaystyle S_{ut}}$

${\displaystyle k_{S}=aS_{ut}^{b}}$

Где коэффициент a и показатель b, присутствующие в уравнении, связаны с качеством поверхности.

Градиентный фактор

Помимо обработки поверхности, важно также учитывать коэффициент градиента размера . Когда речь идет о нагрузках на изгиб и скручивание, также учитывается фактор градиента. ${\displaystyle k_{G}}$

Коэффициент нагрузки

Коэффициент изменения нагрузки можно определить как.

${\displaystyle k_{L}=0.85}$для осевого

${\displaystyle k_{L}=1}$для гибки

${\displaystyle k_{L}=0.59}$для чистого напряжения

Температурный фактор

Температурный фактор рассчитывается как

${\displaystyle k_{T}={\frac {S_{o}}{S_{r}}}}$

${\displaystyle S_{o}}$предел прочности при рабочей температуре

${\displaystyle S_{r}}$предел прочности при комнатной температуре

Фактор надежности

Мы можем рассчитать коэффициент надежности, используя уравнение

${\displaystyle k_{R}=1-0.08Z_{a}}$

${\displaystyle z_{a}=0}$для 50% надежности

${\displaystyle z_{a}=1.288}$для 90% надежности

${\displaystyle z_{a}=1.645}$для 95% надежности

${\displaystyle z_{a}=2.326}$для надежности 99%

История

Понятие предела выносливости было введено в 1870 году Августом Вёлером . ^[15] Однако недавние исследования показывают, что для металлических материалов не существует пределов выносливости, и что если выполняется достаточное количество циклов напряжения, даже самое маленькое напряжение в конечном итоге приведет к усталостному разрушению. ^{[7] [16]}

Смотрите также

• Усталость (материал)
• Диаграмма усталостной прочности Смита  [ де ] , диаграмма британского инженера-механика Джеймса Генри Смита  [ де ]

Рекомендации

1. Beer, Фердинанд П .; Э. Рассел Джонстон младший (1992). Механика материалов (2-е изд.). McGraw-Hill, Inc. с. 51. ИСБН 978-0-07-837340-4.
2. «Усталость и долговечность металла». Архивировано из оригинала 15 апреля 2012 г. Проверено 18 апреля 2008 г.
3. Ястржебски, Д. (1959). Природа и свойства инженерных материалов (изд. Wiley International). Джон Уайли и сыновья, Inc.
4. Суреш, С. (2004). Усталость материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57046-6.
5. Стивенс, Ральф И. (2001). Усталость металла в машиностроении (2-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 69. ИСБН 978-0-471-51059-8.
6. Будинас, Ричард Г. (1999). Расширенный анализ прочности и прикладного напряжения (2-е изд.). McGraw-Hill, Inc., стр. 532–533. ISBN 978-0-07-008985-3.
7. Аскеланд, Дональд Р.; Прадип П. Пхуле (2003). Наука и инженерия материалов (4-е изд.). Брукс/Коул. п. 248. ИСБН 978-0-534-95373-7.
8. Хиббелер, RC (2003). Механика материалов (5-е изд.). Pearson Education, Inc. с. 110. ИСБН 978-0-13-008181-0.
9. Даулинг, Норман Э. (1998). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Printice-Hall, Inc. с. 365. ИСБН 978-0-13-905720-5.
10. Барбер, младший (2001). Промежуточная механика материалов . МакГроу-Хилл. п. 65. ИСБН 978-0-07-232519-5.
11. Лейк, Дж.Дж.; П. Б. Линдли (1965). «Предел механической усталости резины». Журнал прикладной науки о полимерах . 9 (4): 1233–1251. дои : 10.1002/app.1965.070090405.
12. Лейк, Дж.Дж.; А. Г. Томас (1967). «Прочность высокоэластичных материалов». Труды Лондонского королевского общества А: Математические и физические науки . 300 (1460): 108–119. Бибкод : 1967RSPSA.300..108L. дои : 10.1098/rspa.1967.0160. S2CID  138395281.
13. Эрвин В. Зарецкий (август 2010 г.). «В поисках предела выносливости: критика стандарта ISO 281:2007» (PDF) . Трибология и технология смазки : 30–40. Архивировано из оригинала (PDF) 18 мая 2015 г.
14. "ISO 281:2007, соответствующий стандартам жизни - и ответ?" (PDF) . Трибология и технология смазки : 34–43. Июль 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 октября 2013 г.
15. В. Шютц (1996). История усталости. Инженерная механика разрушения 54: 263-300. DOI
16. Батиас, К. (1999). «У металлических материалов не существует бесконечной усталостной долговечности». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций . 22 (7): 559–565. дои : 10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x.