Únava materiálu

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 7. prosince 2021; kontroly vyžadují 5 úprav .

Únava materiálu ( anglicky  únava materiálů ) - degradace mechanických vlastností materiálu v důsledku postupného hromadění poškození působením proměnných (často cyklických) namáhání se vznikem a rozvojem trhlin , které způsobí jeho destrukci v průběhu určitý čas. Tento typ porušení se nazývá únavové selhání .

Fenomén poklesu pevnosti strojních součástí při působení cyklického zatížení byl objeven již v polovině 19. století. To posloužilo jako základ pro vytvoření nového směru ve vědě o pevnosti materiálů a struktur, nazvaného „fyzika únavy materiálů“.

Historie

První studií, která se zabývá problematikou únavy materiálu, je práce Wilhelma Alberta publikovaná v roce 1838 [1] [2] . Termín „únava“ jednoznačně patří F. Braithwaitovi ( angl.  Frederick Braithwaite (1854) [3] , ačkoli Poncelet již v roce 1839 ve svých přednáškách na vojenské škole v Metz charakterizoval stav kovů po cyklickém zatížení jako „ únava".

V letech 1858-1870 zahájil německý inženýr August Wöhler systematické studium únavy materiálu, věnované především studiu únavy železničních náprav [2] . Studoval zejména provozní podmínky těchto dílů, vytvořil zařízení umožňující reprodukovat jejich provozní podmínky v laboratorních podmínkách a sestrojil únavové křivky studovaných materiálů.

V 80. letech 19. století I. Bauschinger ( Bauschingerův efekt ) stanovil změnu meze pružnosti materiálů při opakovaném proměnlivém zatížení a prokázal rozdíl mezi deformačními procesy při statickém a cyklickém zatížení a také objevil hysterezní smyčky v deformačním diagramu v napětí -souřadnice kmene.

V roce 1903 objevili James Alfred Ewing a D. Humphrey přítomnost tzv. skluzových pásů na povrchu vzorků vystavených proměnlivému zatížení a zjistili, že jsou předpokladem pro vznik únavových trhlin v kovech [4] [5]. . Další studie [6] prokázaly, že výskyt smykových pásů při napětí výrazně nižších než je mez kluzu je spojen se strukturní nehomogenitou kovů, která vede k výrazným deformacím jednotlivých lokálních objemů materiálu, a také že při cyklickém zatěžování dochází proces plastické deformace je lokalizován, na povrchu vzorku je často pozorován vzhled vyčnívajících (extruze) a promáčknutých (intruze) řezů materiálu. Na submikrostrukturální úrovni jsou mechanismy vedoucí k iniciaci únavových trhlin uvažovány pomocí konceptů dislokační teorie.

Na počátku 20. století vyšly v Ruské říši první studie o únavě materiálů, jejichž autory byli ukrajinští vědci M. Voropaev [7] a K. Siminskij [8] .

V první polovině 20. století byly studovány fenomenologické zákonitosti akumulace poškození v materiálech a formulovány hypotézy sumace poškození, které umožňují predikovat trvanlivost při proměnných amplitudách,únavového [8] .

Výzkum materiálové únavy byl intenzivně rozvíjen ve 45.-60. letech 20. století v souvislosti s únavovými poruchami leteckých konstrukcí, které měly především katastrofální následky (havárie prvního dopravního proudového letadla "Kometa", 1954). Zároveň byly podrobně studovány zákonitosti rozptylu dat z experimentálního stanovení meze únosnosti a počtu cyklů do porušení materiálů a vytvořeny metody pro jejich zohlednění při návrhu strojů a konstrukcí. byly formulovány základní koncepty porušení při nízkocyklovém zatěžování, byly vyvinuty nové přístupy k hodnocení trvanlivosti materiálů a konstrukcí, kdy základem predikce lomu nebylo napětí, ale deformace, zejména její plastická složka [8] .

V roce 1961 navrhl P. Peris rovnici, která dává do souvislosti rychlost růstu únavové trhliny s hodnotou faktoru intenzity napětí [9] [10] . Na základě těchto a dalších kritérií lomové mechaniky bylo provedeno značné množství výzkumů, v jejichž důsledku byly stanoveny hlavní zákonitosti vývoje únavových trhlin s přihlédnutím k celému komplexu faktorů, které se vyskytují. za provozních podmínek.

Druhy únavy

Pojem "únava" se používá k označení určujícího faktoru typu poruchy v podobě neočekávaného náhlého oddělení součásti nebo strojního prvku na dvě nebo více částí v důsledku cyklického zatížení nebo deformací po určitou dobu . K destrukci dochází iniciací a šířením trhliny, která se po dosažení určité kritické velikosti stává její příčinou a stává se nestabilní a rychle narůstá. Počet zatěžovacích cyklů, při kterých dojde k porušení, závisí na úrovni působícího napětí - s nárůstem proměnných napětí klesá počet cyklů potřebných pro iniciaci a rozvoj trhliny. Zatížení a deformace, při kterých obvykle dochází k únavovému selhání, jsou mnohem nižší než ty, které vedou k porušení za statických podmínek. Když jsou velikosti zatížení a posunů takové, že k selhání dojde po více než 10 000 cyklech, je tento jev běžně označován jako únava při vysokém cyklu. Když jsou hodnoty zatížení a posunutí takové, že k selhání dojde za méně než 10 000 cyklů, jev se nazývá nízkocyklová únava .

Dojde-li v dílech k cyklickému zatížení a deformacím v důsledku působení cyklicky se měnícího teplotního pole, je tento jev běžně označován jako tepelná únava.

K lomu, známému jako povrchová únava, obvykle dochází v přítomnosti rotujících kontaktních ploch. Projevuje se ve formě důlků , praskání a drolení kontaktních ploch v důsledku působení kontaktních napětí, pod jejichž vlivem v malé hloubce vznikají v blízkosti povrchu maximální cyklická smyková napětí. Tato napětí vedou ke vzniku trhlin, které vznikají na povrchu, přičemž se oddělují některé částice materiálu. Tento jev lze často vnímat jako formu opotřebení .

Frettingová únava  je proces akumulace poškození a působení povrchových materiálů , které jsou v kontaktu a provádějí oscilační relativní pohyby s malou amplitudou při působení cyklického zatížení, což způsobuje proměnlivé smykové deformace povrchových vrstev, zadření a oddělování částic, vzhled oxidů , zrychlené praskání a zničení předmětu [11] . Roli zárodků únavových trhlin hrají povrchová poškození a mikrotrhliny, které vznikají v důsledku tření, v důsledku čehož dochází k únavovému porušení při takovém zatížení, které by za jiných podmínek nezpůsobilo porušení.

Rázová únava nastává, když dojde k porušení při opakovaném rázovém zatížení v důsledku tvorby a šíření únavových trhlin.

Korozní únava je komplexním typem porušení, při kterém se kombinují nepříznivé účinky koroze a střídavého zatížení, což vede k porušení [12] . V procesu koroze se na povrchu kovu často tvoří důlky, které se stávají koncentrátory napětí. V důsledku koncentrace napětí se urychluje proces únavového porušení. Trhliny v křehké vrstvě korozních produktů navíc slouží jako zárodky únavových trhlin šířících se do základního kovu. Na druhé straně v důsledku působení cyklických napětí nebo deformací dochází k praskání a odlupování korozních produktů, to znamená, že se otevírá přístup korozního prostředí k novým vrstvám kovu. Oba procesy se tak vzájemně urychlují a zvyšuje se riziko zničení.

Únavové charakteristiky materiálu

Jmenovité hodnoty maximálních napětí za podmínek proměnlivého zatížení jsou menší než pevnost v tahu a obecně menší než mez kluzu materiálu. Vlastnost materiálu pracovat v podmínkách cyklického zatěžování je charakterizována mezí únosnosti  - maximálním cyklovým namáháním v absolutní hodnotě, při kterém ještě nedochází k destrukci únavou po daný počet zatěžovacích cyklů, což se nazývá zkušební základ (N° ) [ 13] . Jeho hodnota závisí na struktuře a vadách materiálu, technologii výroby a zpracování, stavu povrchu, testovacím prostředí a teplotě, koncentraci napětí, velikosti vzorku, režimu aplikace zátěže atd. a může se lišit (za nejnepříznivějších podmínek snižovat 5-10krát ve srovnání s pevností materiálu v tahu). Tyto vlastnosti způsobují značné potíže při návrhu strojů a konstrukcí z důvodu nutnosti vyloučit jejich únavové poruchy. Jak ukazuje praxe, 50–80 % poruch strojů a konstrukcí je spojeno s únavou materiálu [8] .

Schopnost materiálu odolávat lomu při časově se měnícím namáhání se nazývá odolnost.

Hlavní charakteristiky únavové odolnosti jsou určeny z únavové křivky, která charakterizuje vztah mezi maximálními napětími nebo amplitudami cyklu a cyklickou trvanlivostí vzorků. Grafické znázornění výsledného vztahu mezi amplitudami cyklového napětí a počtem cyklů do porušení se nazývá únavová křivka nebo Wellerův diagram (křivka) (August Weller August Wöhler , německý inženýr).

Obecně lze křivku únavy, která popisuje vztah mezi maximálními napětími a počtem cyklů do porušení N p , rozdělit do tří částí. V řezu I dochází k porušení v důsledku usměrněné plastické deformace až do mezního přetvoření, které se přibližně rovná meznímu přetvoření při statickém zatížení. V úseku II dochází k porušení po relativně malém počtu zatěžovacích cyklů (N p ≤ 2⋅10 4 cyklů) a růst únavové trhliny je doprovázen výraznými plastickými deformacemi. Tento typ porušení se nazývá nízkocyklové únavové selhání. V úsecích II a III dochází k porušení v důsledku iniciace a šíření únavové trhliny. Na lomu lze rozlišit zpravidla dva úseky: jemnovláknitou strukturu, která je typická pro růst únavové trhliny, a hrubozrnný úsek konečného lomu.

V sekci III je materiál zničen po velkém počtu zatěžovacích cyklů s malou amplitudou. V tomto ohledu se sekce II nazývá sekce nízkocyklové únavy; III - místo vysokocyklové únavy nebo jednoduše únavy.

Při zkoušení některých materiálů, zejména uhlíkových ocelí při pokojové teplotě, je pravý úsek závislosti nasměrován na vodorovnou čáru (N p >10 7 cyklů).

Cyklická trvanlivost je chápána jako počet cyklů namáhání nebo deformace, které objekt vydrží při zatížení do mezního stavu (vznik únavové trhliny určité délky nebo úplná destrukce).

Pokud je zatížení materiálu periodické, pak se souhrn všech hodnot napětí, které se vyskytují v materiálu, nazývá cyklus napětí . Odolnost proti únavě je ovlivněna především minimálním (σ min ) a maximálním (σ max ) napětím cyklu a amplitudou napěťového cyklu . Poměr minimálního napětí cyklu k maximu s přihlédnutím ke znaménkům napětí se nazývá  koeficient asymetrie cyklu a označuje se písmenem r

.

Pak u symetrického cyklu bude součinitel asymetrie roven −1 a mez únosnosti za podmínek tah-tlak se bude nazývat σ −1 a za podmínek kroucení τ −1.

Únavové testy

Testování únavy  - Testování cyklického zatěžování předmětu pro stanovení charakteristik odolnosti proti únavě [14] .

Při zkoušce na únavu je stanovena mez únosnosti . Pro určení meze únosnosti se sestavují únavové křivky. Zároveň je testováno minimálně deset vzorků na jeden stupeň zatížení. Únavové křivky jsou sestaveny v semilogaritmických nebo logaritmických souřadnicích [15] .

Existují různá zkušební schémata: ohyb, kroucení, tah, tlak. Nejběžnější metodou únavové zkoušky je rotační ohybová zkouška válcového vzorku, kde jeden ohybový cyklus odpovídá jedné otáčkě.

Přístupy ke studiu únavy

Problematikou únavy materiálů se zabývají specialisté z oblasti mechaniky, fyziky, chemie, inženýrských věd a podobně. Jejich výzkum je zaměřen jak na studium podstaty únavového porušení materiálů a konstrukci vhodných teorií, tak na vytváření metod pro navrhování strojů a konstrukcí, které vylučují vznik jejich poruch z únavy během provozu [8] .

Vědu o únavě materiálu lze rozdělit podle přístupů ke studiu na:

Prevence únavového selhání

Hlavní metodou prevence únavového selhání je úprava konstrukce mechanismu za účelem eliminace cyklického zatížení, případně výměna materiálů za materiály méně náchylné k únavovému porušení. Výrazné zvýšení odolnosti dává chemicko-tepelné zpracování kovů , např. povrchová nitridace .

Tepelné stříkání , zejména vysokorychlostní stříkání plamenem , vytváří tlakové napětí v povlaku materiálu a pomáhá snižovat náchylnost dílů k únavovému selhání. .

Některé pozoruhodné katastrofy únavového selhání

Viz také

Poznámka

  1. ↑ Albert, WAJ Über Treibseile am Harz // Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, 1838, sv. 10, str. 215-234.
  2. ↑ 1 2 Schutz, W. (1996). „Únava v anamnéze“ . Inženýrská lomová mechanika . 54 (2): 263-300. DOI : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  3. ↑ Braithwaite, F. (1854). „O únavě a následném lomu kovů“ . Ústav stavebních inženýrů, Zápis z jednání . 13 (1854): 463-467. DOI : 10.1680/imotp.1854.23960 . Archivováno z originálu dne 2019-08-09 . Staženo 2021-04-30 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
  4. ↑ Ewing JA, Humphrey JCW Trans. roy. roc (Londýn) (A). sv. 200, str. 241, 1903.
  5. ↑ Ewing JA, Rosenhain W. Trans. roy. soc (Londýn) (A). sv. 193, str. 353, 1900.
  6. ↑ Gough HJ, Hanson D. Proc. roy. soc (Londýn) (A). sv. 104, 1923.
  7. ↑ Beskhmelnitsina M. M. Voropaev Michailo Oleksijovič // Únava materiálu  // Encyklopedie moderní Ukrajiny  : [ ukr. ]  : při 30 t.  / Národní akademie věd Ukrajiny Shevchenko , Ústav pro encyklopedická studia Národní akademie věd Ukrajiny. — K. , 2001 —…. — ISBN 944-02-3354-X .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Troshchenko V. T. Objem materiálů Archivní kopie ze dne 22. dubna 2016 na Wayback Machine // Únava materiálu  // Encyklopedie moderní Ukrajiny  : [ ukr. ]  : při 30 t.  / Národní akademie věd Ukrajiny Shevchenko , Ústav pro encyklopedická studia Národní akademie věd Ukrajiny. — K. , 2001 —…. — ISBN 944-02-3354-X .
  9. ↑ Paris Paul C; a kol. (1961). „Racionální analytická teorie únavy“ (PDF) . Trend ve strojírenství . 13 (1): 9-14 . Staženo 15. června 2017 .
  10. ↑ Lutz Diana. Paul C. Paris, průkopník lomové mechaniky, oceněný za svou práci . Washingtonská univerzita v St. Louis . Washingtonská univerzita v St. Louis. Získáno 15. června 2017. Archivováno z originálu 9. srpna 2019.
  11. ↑ DSTU 2444-94 Rozrakhunki a testování pro mіtsnіst. Opir ve společnosti vtomі. Podmínky jsou stejné.
  12. ↑ DSTU 3830-98 Koroze kovů a slitin. Pojmy jsou hlavní, kterým je třeba rozumět.
  13. ↑ DSTU 2825-94 Rozrahunki a testování pro mіtsnіst. Pojmy jsou hlavní, kterým je třeba rozumět.
  14. ↑ DSTU 2824-94 Rozrahunki a testování pro mіtsnіst. Viz a metody mechanického zkoušení. Podmínky jsou stejné.
  15. ↑ GOST 25.502-79 Výpočty a pevnostní zkoušky ve strojírenství. Metody mechanického zkoušení kovů. Metody únavového testu.
  16. ↑ Diskuse v knize Versailleské nehody z roku 1879 . Získáno 19. prosince 2020. Archivováno z originálu dne 16. dubna 2007.
  17. ↑ Sohn Emily. Proč byla velká melasová povodeň tak smrtelná  . Kanál historie . A&E Television Networks (15. ledna 2019). Staženo 16. ledna 2019. Archivováno z originálu 16. ledna 2021.
  18. ↑ ObjectWiki: Trup letadla de Havilland Comet Airliner G-ALYP . Muzeum vědy (24. září 2009). Získáno 9. října 2009. Archivováno z originálu 7. ledna 2009.
  19. ↑ Havárie An-10A ukrajinské UGA u Charkova . airdisaster.ru. Získáno 4. listopadu 2012. Archivováno z originálu dne 4. října 2012.
  20. ↑ Mark Cogan: „První trhlina“ . Získáno 19. prosince 2020. Archivováno z originálu dne 4. srpna 2021.
  21. ↑ 1 2 Zpráva o letecké nehodě, let Aloha Airlines 243, Boeing 737-100, N73711, poblíž Maui, Havaj, 28. dubna 1998 . Národní rada pro bezpečnost dopravy (14. června 1989). Získáno 5. února 2016. Archivováno z originálu 20. ledna 2021.
  22. ↑ Popis nehody na Aviation Safety Network
  23. ↑ Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe . Archivováno 14. dubna 2021 na Wayback Machine In: Süddeutsche Zeitung , 2. června 2008.
  24. ↑ Kudryavy V.V. Systémové příčiny havárií  // Hydrotechnické stavby. - 2013. - č. 2 . Archivováno z originálu 22. ledna 2021.
  25. ↑ Povinná kontrola všech motorů Boeingu 737 po incidentu v jihozápadě – Airways Magazine  , Airways Magazine (  18. dubna 2018). Archivováno z originálu 19. dubna 2018. Staženo 18. dubna 2018.

Zdroje

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích