Испытание на циклическую стойкость

Он представляет

В машиностроении способность выдерживать повторяющиеся нагрузки является одним из важнейших факторов, определяющих срок службы и эксплуатационные характеристики компонента. Многие промышленные компоненты выходят из строя не из-за интенсивных кратковременных нагрузок, а из-за непрерывных циклических. Этот тип разрушения известен как «напряжение материала». Напряжение может возникать под действием небольших, но повторяющихся сил , что в конечном итоге приводит к внезапному отказу. Для оценки этих характеристик требуется испытание
, называемое циклическим испытанием на долговечность или стресс-тестированием.

Это испытание является одним из важнейших в различных отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, производство медицинских приборов, металлообработка, производство бытовой техники и даже полимерных компонентов. Его цель — проверить способность материала выдерживать многократные нагрузки, определить срок его службы и спрогнозировать его поведение в реальных условиях эксплуатации.

Понятие физической усталости

Усталость возникает, когда материал подвергается повторяющимся нагрузкам. Даже если эти напряжения меньше предела текучести или предела прочности материала на растяжение, повторяющиеся нагрузки могут привести к образованию микроскопических трещин на поверхности или под ней.
Со временем эти трещины могут распространяться, в конечном итоге приводя к разрушению всего компонента. Важно отметить, что усталость обычно не проявляется явными деформациями или предупреждающими признаками.

С инженерной точки зрения усталость можно разделить на три стадии:

Начинается растрескивание: процесс, при котором на поверхности образуются небольшие трещины.
Разрастание миомы: процесс, при котором трещины постепенно расширяются в течение цикла беременности.
Окончательное разрушение: когда оставшееся поперечное сечение не может выдержать нагрузку.

Основные критерии периодических испытаний на долговечность

Для определения циклического испытания на долговечность необходимо определить несколько ключевых параметров:

Допустимое напряжение: разница между максимальным и минимальным значениями напряжения в течение цикла.
Среднее давление: Среднее давление за период.
Коэффициент трансформации (R-коэффициент): это соотношение между минимальным и максимальным напряжением, которое определяет тип нагрузки.
Частота нагрузки: количество повторений цикла за единицу времени, обычно измеряется в герцах.
Циклы разрушения (Nf): число нагрузок, которые образец может выдержать до разрушения.
Тип нагрузки: Это может быть растяжение, сжатие, изгиб, кручение или комбинированная нагрузка.

Виды периодических испытаний на усталость и долговечность

1. Высокоцикловая нагрузка (HCF)

В этом случае нагрузка находится в области упругости, а число циклов очень велико (обычно от 10⁴ до 10⁷ или выше).
При многоцикловой усталости пластическая деформация минимальна, и разрушение обычно начинается в областях с поверхностными дефектами. Результаты испытаний обычно представляются в виде SN
-диаграммы , где горизонтальная ось представляет число циклов до разрушения (N), а вертикальная ось — напряжение (S).

2. Низкоцикловое напряжение (LCF)

В состоянии малоцикловой усталости амплитуда напряжений или деформаций высока, и материал входит в область пластической деформации. На этой стадии число циклов относительно невелико (обычно менее 10⁴). Поскольку пластическая деформация играет решающую роль, для анализа поведения материала в этой области
используется график ε-N (число циклов деформации) .

3. Многоосевые и составные испытания

Во многих промышленных изделиях напряжение прикладывается не в одном направлении. Поэтому многоосные испытания необходимы для изучения влияния комбинированных нагрузок (растяжения, изгиба, кручения и т. д.). Такие испытания особенно важны для сложных изделий, таких как коленчатые валы, автомобильные оси и металлические соединения.

4. Испытания на долговечность в условиях окружающей среды

Условия окружающей среды, такие как температура, влажность, коррозия и давление, могут существенно влиять на усталостные характеристики.
Поэтому периодические испытания на долговечность иногда проводятся в высокотемпературных коррозионных средах или в средах, имитирующих реальные условия, для оценки совокупного воздействия различных факторов.

Оборудование, используемое для периодических испытаний на долговечность

Специализированное оборудование, используемое в этом испытании, называется усталостной испытательной машиной или динамической испытательной машиной . Эти машины различаются в зависимости от типа материала, нагрузки и цели испытания. Основные компоненты оборудования включают в себя:

Нагрузочная рама: основная конструкция устройства, используемая для удержания образца на месте.
Динамический источник энергии: может быть гидравлическим или электромеханическим.
Датчик нагрузки: используется для точного измерения приложенной силы.
Зажимы или щипцы: используются для удержания образцов на месте и предотвращения их соскальзывания или вращения.
Датчики смещения и деформации: используются для измерения деформации в каждом цикле.
Система управления и программное обеспечение: используются для управления частотой, диапазоном нагрузки и записью данных.
Камера для климатических испытаний: если требуются испытания при определенных температурах или условиях.

Методы проведения периодических испытаний на долговечность

Общие шаги проведения этого теста следующие:

Подготовка образцов: Образцы должны иметь стандартные размеры и форму поверхности. Крайне важно, чтобы конечная поверхность была однородной и без трещин.
Установка образца в устройство: Отрегулируйте зажимы так, чтобы прилагаемая сила была направлена точно в нужном направлении.
Определите параметры испытания: включая амплитуду напряжения, R-коэффициент, частоту нагрузки и целевое количество циклов.
Проведение испытания: Устройство многократно подвергается нагрузке до тех пор, пока не произойдет отказ или не будет достигнуто заданное количество циклов.
Мониторинг и запись данных: в процессе испытания будут регистрироваться такие данные, как сила, деформация, температура и время.
Проверка дефектов: После завершения испытания поврежденная поверхность исследуется под микроскопом, чтобы определить место возникновения трещины и тип дефекта.
Анализ результатов: построение диаграмм SN или ε-N и извлечение параметров усталости.

Анализ результатов испытаний

1. График соотношения сигнал/шум

На этом графике вертикальная ось представляет напряжение, а горизонтальная — количество циклов разрушения. С увеличением количества циклов допустимое напряжение уменьшается.
В некоторых материалах, например, в некоторых типах стали, может существовать предел, ниже которого материал не разрушится. Этот предел называется пределом усталости .

2. Закон Баскина

Распространенная зависимость, описывающая усталость, возникающую в результате высокой скорости, выглядит следующим образом:

$σa=σf'(2Nf)b\sigma_a = \sigma’_f (2N_f)^b$

где:

$σa\sigma_a$ Потенциальная емкость
$σf′\sigma’_f$ Коэффициент сопротивления усталости
$b$ : Отрицательный коэффициент мощности (зависит от материала)
$N_f$ Количество ошибочных циклов

3. Модель деформации (Ковиффин-Мэнсон)

Для малоцикловой усталости со значительной пластической деформацией используется следующая формула:

$Δε=σf′E(2Nf)b+εf′(2Nf)c\Delta \varepsilon = \frac{\sigma’_f}{E}(2N_f)^b + \varepsilon’_f (2N_f)^c$

Где $εf′\varepsilon’_f$ — $_{cc}$ $, а c$ — модуль пластического напряжения.

4. Распространение усталостных трещин

В металлических материалах распространение трещин происходит постепенно под нагрузкой. Скорость распространения трещины обычно выражается уравнением Пэриса:

$badN=C(ΔK)m\frac{da}{dN} = C(\Delta K)^m$

в этом отношении:

$a$ : Длина щели
$N$ : Количество повторений
$:$ Диапазон $напряжений$
$C$ и $m$ : коэффициенты, зависящие от типа материала.

Это уравнение может предсказать скорость распространения трещин и определить остаточный срок службы.

Винтовой насос Ортас

Факторы, влияющие на возраст утомления

Тип и структура материала: Важную роль играют микроструктура, размер зерна и химический состав.
Качество поверхности: царапины, износ или шероховатость поверхности могут стать причиной появления трещин.
Термическая обработка: Такие процессы, как нормализация , закалка и ферментация, могут изменить усталостную прочность.
Остаточное напряжение: поверхностное сжатие может улучшить усталостную долговечность.
Условия окружающей среды: влажность, температура и агрессивная среда могут оказывать негативное воздействие.
Форма и геометрия детали: Концентрация напряжений в углах, отверстиях или сварных зонах часто снижает усталостную долговечность.

Промышленное применение для периодических испытаний на долговечность

Аэрокосмическая промышленность

В авиационной промышленности лопатки двигателей, планеры и соединительные элементы подвергаются постоянным циклическим нагрузкам . Даже самая незначительная усталостная трещина может привести к катастрофическому отказу. Периодические испытания на долговечность имеют решающее значение для обеспечения безопасности полетов и определения необходимости технического обслуживания или замены компонентов .

автомобильная промышленность

Оси, рессоры, рычаги, коленчатые валы и шарниры автомобиля постоянно подвергаются различным нагрузкам. Периодические испытания на прочность используются для прогнозирования срока службы, повышения безопасности и снижения затрат на гарантийное обслуживание.

Энергетика и электростанции

Турбины, лопатки компрессоров и другие компоненты электростанций подвержены циклическим вибрациям и нагрузкам. Оценка их циклической прочности имеет решающее значение для проектирования этих устройств и предотвращения преждевременного выхода из строя.

медицинская бригада

Материалы, используемые в костных имплантатах и искусственных суставах, подвергаются циклическим нагрузкам, возникающим при движении человека. Стрессовые испытания этих компонентов имеют решающее значение для обеспечения их долговечности в течение многих лет эксплуатации.

Бытовая техника и потребительские товары

Такие компоненты, как петли, пружины, шестерни, крепежи и движущиеся пластиковые детали, также должны периодически проходить оценку долговечности, чтобы гарантировать срок службы и качество продукции.

Группа компаний «Сибекс»

Проблемы и ограничения тестирования

Необходимое время: Для того чтобы охватить миллионы курсов, тестированию могут потребоваться дни или даже недели.
Внутренний нагрев: На высоких частотах высокая температура образца может исказить результаты.
Результаты разрозненны: процесс усталости по своей природе весьма спорадический и требует повторных испытаний и статистического анализа.
Размер выборки: поведение небольшой выборки может не полностью отражать поведение фактического продукта.
Высокая стоимость: современное оборудование для испытаний на усталость, особенно гидравлические испытательные машины, стоит дорого.

Окончательно

Периодические испытания на долговечность — один из важнейших методов оценки эксплуатационных характеристик и срока службы материалов и компонентов при повторяющихся нагрузках.
Эти испытания позволяют:

Фактический срок службы компонента предсказуем.
Принятие более безопасной и оптимизированной схемы проектирования,
Предотвращение внезапных сбоев в работе объектов
И улучшение конечного качества продукта.

В передовых отраслях промышленности точное и научно обоснованное проведение этого испытания имеет решающее значение для разработки продукции и контроля качества. Благодаря достижениям в области измерительных технологий, аналитического программного обеспечения и более сложного оборудования, теперь стало возможным, как никогда ранее, точно моделировать усталостное поведение и оптимизировать конструкцию компонентов.