Прочность перфорированных металлов
При рассмотрении возможности использования перфорированного металла очень важно учитывать его способность обеспечивать требуемый уровень прочности. Известно, что перфорированный металл не…
При выборе материала для конкретного применения важно учитывать условия эксплуатации, которым он будет подвергаться. Выбор материала с подходящими свойствами гарантирует долгий срок службы изделия.
Свойство, которое чаще всего принимается во внимание — это предел прочности материала на разрыв. Оно характеризует максимальную нагрузку, которую материал способен выдержать до разрушения. Для дальнейшего снижения риска поломки выбирается коэффициент запаса прочности.
Однако во многих случаях нагрузка на материал не является постоянной. Величина и направление нагрузки могут изменяться регулярно или нерегулярно. Такие нагрузки называются переменными, и они могут привести к разрушению материала при нагрузках, значительно меньших, чем предел прочности на разрыв.
В этой статье мы рассмотрим явление усталости материала и способы предотвращения разрушения, вызванного этим процессом.
Усталость — это ослабление материала под воздействием переменных нагрузок, приводящее к повреждению структуры материала и в конечном итоге — к разрушению. Повреждение начинается локально, накапливается постепенно и может закончиться катастрофой.
В реальных условиях детали подвергаются множеству переменных нагрузок. Вот несколько примеров:
Усталостное разрушение — явление, с которым многие сталкивались, пытаясь сломать металлическую проволоку.
Процесс заключается в многократном сгибании проволоки туда и обратно. Каждый такой изгиб — это один цикл. После определенного количества циклов проволока ломается — можно подсчитать, сколько циклов потребовалось для появления трещины и окончательного разрушения.
Зная количество циклов и величину нагрузки, можно определить усталостную прочность материала.
Если попытаться разорвать проволоку растяжением, потребуется значительно большая сила. Однако для изгиба достаточно малых усилий, чтобы добиться того же результата.
В месте изгиба проволока подвергалась переменным нагрузкам: верхняя и нижняя части поперечного сечения попеременно растягивались и сжимались. После достаточного числа циклов проволока разрушается.
Это и есть пример усталостного разрушения. Таким образом, разрушение может произойти даже при небольших нагрузках и малом числе циклов, в зависимости от материала.
Важно отметить, что усталостное разрушение происходит внезапно, как будто хрупкий материал рассыпается на куски.
Такое разрушение гораздо менее предсказуемо, чем обычное: почти отсутствуют видимые признаки. При обычном разрушении из-за перегрузки наблюдается образование шейки, но при усталостном разрушении этого не происходит. Поэтому невозможно точно предсказать момент разрушения детали из-за усталости.
Чтобы избежать подобных ситуаций, детали необходимо тщательно проверять и заменять после определенного числа циклов нагрузки. Это число зависит от свойств материала и величины нагрузки: чем больше нагрузка, тем меньше срок службы. Это хорошо иллюстрируется S-N кривой, которую мы рассмотрим далее.
Хотя усталостное разрушение происходит внезапно, при внимательном осмотре можно выявить некоторые признаки.
При длительном воздействии циклической нагрузки в зонах максимальных напряжений начинают появляться микротрещины. Их можно обнаружить с помощью неразрушающих методов контроля.
Тестирование соединительных стержней дизельных генераторов с использованием проникающих красителей — пример обнаружения трещин. В случае выявления дефектов деталь заменяют новой или восстановленной.
Если усталостная трещина образовалась, она будет распространяться с каждым циклом нагрузки. В процессе роста трещины на поверхности возникают штрихи усталости.
Штрихи — это следы, которые показывают положение вершины трещины на каждом этапе. Они являются характерным признаком развития усталостной трещины. На начальной стадии рост трещины очень медленный — это так называемая стадия I.
Когда трещина достигает критического размера, а интенсивность напряжений превышает вязкость разрушения материала, начинается быстрое распространение трещины.
Такое быстрое разрушение называется стадией II и происходит перпендикулярно к направлению приложенной силы.
В результате материал перестает выдерживать дальнейшие нагрузки и происходит полное разрушение детали. Этот процесс мгновенный и может иметь серьезные последствия для персонала и оборудования.
Некоторые элементы машин особенно склонны к поломкам из-за переменных напряжений. Необходимо знать такие детали, чтобы предотвращать аварии.
Усталость — основная причина разрушения валов. Например, коленчатые валы подвергаются значительным циклическим нагрузкам и являются важными частями двигателей, дизель-генераторов, судовых и автомобильных силовых установок, а также поршневых компрессоров.
Основная причина повреждений валов — недостатки конструкции. Для повышения усталостной прочности может применяться процесс накатывания галтелей.
Другие типы валов — в насосах, моторах и т.п. — также подвергаются циклическим нагрузкам и риску разрушения.
Напряжения возникают в разных точках: например, на одном конце вала установлен мотор, часть веса которого приходится на вал. Обычно вал опирается на подшипники. Кроме того, на вал может действовать дополнительная нагрузка от звездочек, цепей и других элементов передачи.
Во время вращения направление нагрузки постоянно меняется относительно оси вала, поэтому разрушение может происходить по аналогии с примером проволоки.
Болты — потенциальный источник поломок. Они должны выдерживать растягивающие и сжимающие нагрузки из-за вибраций или движения оборудования.
Недостаточная затяжка болта позволяет возникать дополнительным перемещениям. Поэтому болты должны затягиваться с усилием, превышающим максимальную рабочую нагрузку.
Шестерни передают мощность через зубья, которые подвергаются высоким нагрузкам при контакте с зубьями сопряженной шестерни. При выходе из зацепления нагрузки снимаются. Таким образом, зубья подвергаются циклическим нагрузкам.
К тому же, нагрузка распределяется по зубу неравномерно, что еще больше усугубляет проблему усталости.
Усталостная прочность — это способность материала сопротивляться усталостному разрушению.
ASTM определяет ее как предельное значение напряжения (обозначается SNf), при котором происходит разрушение после Nf циклов нагрузки. Число циклов может варьироваться от нескольких до миллионов в зависимости от нагрузки и материала.
После определенного числа циклов материал может разрушиться в любой момент, поэтому его желательно заменить как можно раньше.
Предел выносливости, обозначаемый Sf, — это такое значение напряжения, при котором Nf (число циклов до разрушения) становится очень большим. Увеличить Nf можно, уменьшив напряжение циклической нагрузки.
Если нагрузка меньше предела выносливости, деталь способна выдержать огромное количество циклов — обычно более 10 миллионов, иногда до 500 миллионов.
Различие между усталостной прочностью и пределом выносливости заключается в количестве циклов: при пределе выносливости оно значительно выше. Поэтому инженеры стремятся проектировать детали так, чтобы рабочие нагрузки были ниже этого предела.
Существуют различные методы определения предела выносливости для материалов:
Из графика видно, что S-N кривая становится все более пологой при уменьшении напряжений — так ведет себя большинство материалов.
В какой-то момент для стали кривая становится горизонтальной, что означает: ниже этого значения материал больше не разрушается из-за усталости. Это и есть предел усталости.
У алюминия такой горизонтальной части нет: при снижении нагрузки он выдерживает больше циклов, но абсолютного предела усталости не существует.
Разница между пределом усталости и пределом выносливости в том, что предел усталости не определяет ограниченное число циклов до разрушения. Деталь фактически становится «вечной» и не подвержена усталостному разрушению.
Для прогнозирования усталостной долговечности строится кривая S-N, где S — приложенное напряжение, а N — число циклов нагрузки. Обычно такие кривые получают в лабораториях, испытывая образцы на различных уровнях напряжения с помощью специального оборудования. Фиксируется значение Nf — количество циклов до разрушения.
Данные наносятся на логарифмическую S-N кривую, чтобы учесть большой диапазон значений Nf. Затем с помощью линейной регрессии создается непрерывная кривая на основе экспериментальных точек.
Готовая кривая частично напоминает гиперболу. Ее уравнение — производная от SN=константа.
Это означает: при уменьшении амплитуды напряжения количество циклов до разрушения экспоненциально возрастает. Для разных участков кривой используются отдельные уравнения, которые рассчитываются вручную или с помощью программного обеспечения, например Solidworks.
Получив S-N кривую, можно определить усталостный срок службы детали при известной величине циклической нагрузки.
Благодаря серьезным исследованиям явления усталости металлов за последние десятилетия проектировать детали стало гораздо эффективнее.
Если конструкция рассчитана на работу ниже предела усталости, материал практически служит неограниченно долго, при условии отсутствия коррозии и других негативных факторов. Вот как можно продлить срок службы деталей:
Кроме проектирования, важное значение имеют регулярные испытания и ремонт для предотвращения усталостных разрушений.
