Înțelegi cu adevărat rezistența la oboseală a materialelor metalice?

 

I. Fenomene și caracteristici ale oboselii metalice

 

1. Fenomene de oboseală metalică

Formarea fisurilor: Sub tensiune alternantă sau deformare ciclică, materialele metalice formează treptat fisuri mici în zonele cu tensiuni locale ridicate.

Propagarea fisurilor: Aceste fisuri minuscule se extind treptat în timp sub stres continuu.

Rupere prin fractură: Când fisurile se propagă într-o anumită măsură, materialul rămas nu mai poate suporta sarcina, ceea ce duce la ruperea completă a componentei metalice.

 

 

 

▲Figura 1 Tensiuni ciclice comune

 

2. Caracteristicile oboselii metalice

Bruscătate: Defecțiunea prin oboseală a metalului apare adesea brusc în timp și nu este ușor de detectat în prealabil.

Localitate: Eșecul apare de obicei în zonele cu stres local ridicat, cu locații relativ concentrate.

Sensibilitate: Oboseala metalelor este sensibilă la factorii de mediu și defectele. De exemplu, rugozitatea suprafeței, gradul de oxidare și condițiile de coroziune ale pieselor pot afecta rezistența la oboseală.

Dependența de ciclu: Oboseala metalică este direct legată de nivelul de stres al sarcinilor ciclice și de numărul de cicluri. Chiar dacă nivelul de solicitare este sub limita de curgere a materialului, încărcarea ciclică pe termen lung poate duce totuși la cedarea la oboseală.

Natura statistică: conform statisticilor, aproximativ 80%-90% din defecțiunile structurii de inginerie sunt cauzate de oboseala metalelor.

 

 

 

▲ Diverse tipuri de morfologie de fractură de oboseală

 

 

II Clasificarea oboselii metalice

 

1. Clasificarea după numărul de sarcini ciclice

Oboseală cu ciclu înalt: se referă la oboseală sub presiune scăzută (stresul de lucru sub limita de curgere a materialului și chiar sub limita elastică) cu cicluri de solicitare care depășesc 100,000. Acesta este cel mai comun tip de eșec la oboseală, cunoscut și sub denumirea de oboseală de stres. Performanța la oboseală la ciclu înalt este descrisă de curba SN (curba stres-durată de viață), care arată că pentru un anumit raport de solicitare, cu cât efortul este mai mic, cu atât durata de viață este mai lungă.

Oboseală cu ciclu scăzut: se referă la oboseală în condiții de solicitare ridicată (stresul de lucru apropiat de limita de curgere a materialului) sau condiții de deformare ridicată cu cicluri de solicitare sub 10,000 până la 100,000. Deoarece deformarea alternantă a plasticului joacă un rol major în acest tip de eșec la oboseală, se mai numește și oboseală plastică sau oboseală prin deformare.

 

2. Clasificarea după forma de eșec la oboseală

Oboseală termică: Defecțiune cauzată de stres termic repetat din cauza schimbărilor de temperatură.

Oboseala prin coroziune: Defecțiunea prin oboseală a pieselor mașinii sub acțiunea combinată a sarcinilor alternative și a mediilor corozive (cum ar fi acizi, alcaline, apă de mare, gaze active etc.).

Oboseala de contact: se referă la defecțiunea prin oboseală a suprafețelor de contact ale pieselor mașinii, unde se produc zâmbituri sau strivirea și exfolierea suprafeței sub stres repetat de contact, ceea ce duce la defectarea componentelor.

 

 

III. Curba de oboseală

 

 

 

▲ Curba de oboseală a materialelor metalice

 

 

▲ Curba SN

 

Diagrama de mai sus ilustrează relația dintre stresul la oboseală și durata de viață la oboseală, cunoscută sub numele de curba SN, care este utilizată pentru a determina limita de oboseală și pentru a stabili baza criteriilor de stres la oboseală.

Limita de oboseală: Se referă la indicatorul de rezistență al capacității unui material de a rezista la un număr infinit de cicluri de solicitare fără a se fractura; limita de oboseală condiționată se referă la indicatorul de rezistență al capacității unui material de a rezista la un număr finit de cicluri de solicitare fără fracturare. Ambele sunt denumite colectiv rezistență la oboseală. Cu cât rezistența la tracțiune este mai mare, cu atât limita de oboseală este mai mare.

 

 

IV. Factori care afectează rezistența la oboseală a materialelor metalice

 

1. Forma și dimensiunea componentei

Piesele mecanice reale au inevitabil diferite forme de crestături, cum ar fi trepte, caneluri, filete și găuri de ulei, care cauzează concentrarea tensiunilor și afectează rezistența la oboseală.

Efectul de dimensiune al pieselor este, de asemenea, un aspect important. Piesele mai mari în comparație cu eșantioanele mai mici pot avea mai multe concentrații de stres și gradienți de stres, afectând performanța la oboseală.

2. Finisarea suprafeței

Finisajul scăzut al suprafeței poate cauza concentrarea tensiunilor pe suprafața materialului, reducând astfel rezistența la oboseală a materialului. De exemplu, prelucrarea brută (strunjire brută) în comparație cu lustruirea fină longitudinală poate reduce limita de oboseală cu 10% până la 20% sau mai mult.

3. Condiții de service

Mediul de lucru, cum ar fi prezența mediilor corozive, poate infiltra microfisuri și poate favoriza defecțiunea prin oboseală a componentelor.

Materialele aerospațiale utilizate în condiții climatice complexe, cum ar fi temperatură ridicată, umiditate ridicată și temperatură scăzută, le pot afecta, de asemenea, performanța la oboseală.

4. Compoziția materialului

Compoziția materialului metalic afectează direct performanța la oboseală. De exemplu, o creștere a conținutului de carbon reduce rezistența la rupere a martensitei și crește tendința de a stinge fisurile.

5. Stat organizațional

Microstructura materialelor metalice are un impact semnificativ asupra rezistenței lor la oboseală. Structura obținută după călire și revenire poate îmbunătăți și mai mult rezistența la oboseală.

6. Puritatea

Defecte precum incluziunile în material pot deveni surse de oboseală, reducând rezistența la oboseală.

7. Stresul rezidual

Prezența tensiunii reziduale poate afecta, de asemenea, performanța la oboseală a materialului.

8. Rezistența și plasticitatea materialului

Cu cât rezistența și plasticitatea materialului metalic sunt mai bune, cu atât este mai mare capacitatea sa de a rezista la eșecurile prin oboseală.

9. Amplitudinea stresului

Mărimea amplitudinii tensiunii afectează direct durata de viață a metalului la oboseală.

10. Stres mediu

Mărimea și natura (întindere sau compresivă) tensiunii medii afectează, de asemenea, performanța la oboseală a metalului.

11. Numărul de cicluri

Defecțiunea prin oboseală a metalului apare de obicei după un anumit număr de cicluri.

12. Efectul de concentrare a stresului

Modificările bruște ale conturului piesei sau discontinuitățile interne (cum ar fi pori, incluziuni, fisuri etc.) pot deveni surse de concentrare a tensiunilor, accelerând procesul de rupere prin oboseală.

 

 

V Metode pentru determinarea curbelor de oboseală

Metoda de determinare a curbelor de oboseală, în special curba SN, este o abordare crucială pentru evaluarea performanței la oboseală a materialelor sub efort sau deformare ciclică.

 

1. Determinarea scopului și condițiilor testului

Definiți clar tipul de material care trebuie testat, gama de niveluri de tensiune, frecvența și alți parametri.

Selectați echipamentul de testare adecvat, cum ar fi o mașină de testare a oboselii, și reglați și calibrați-l conform cerințelor de testare.

2. Pregătirea probelor

Pregătiți eșantioane care îndeplinesc cerințele pe baza standardelor relevante și a cerințelor de testare.

Măsurați și înregistrați cu precizie dimensiunile, greutatea și alți parametri ai specimenelor.

3. Montarea probelor

Instalați proba pe mașina de testare la oboseală, asigurând alinierea între axa epruvetei și axa de încărcare.

Pentru testele care necesită accesorii sau dispozitive speciale, instalați și reglați-le în funcție de cerințe.

4. Setarea parametrilor de testare

Pe baza scopului și condițiilor testului, setați forma de undă de încărcare (de exemplu, undă sinusoidală, undă pătrată), nivelul de încărcare, frecvența și alți parametri.

Pentru testele care trebuie să simuleze condițiile reale de lucru, setați parametrii de mediu corespunzători, cum ar fi temperatura și umiditatea.

5. Pornirea datelor de testare și înregistrare

Porniți mașina de testare și începeți încărcarea ciclică.

În timpul testului, înregistrați date precum sarcina, deplasarea și timpul pentru fiecare ciclu.

Monitorizați deformarea și defecțiunea eșantionului și înregistrați în timp util numărul și formele defecțiunilor prin oboseală.

6. Trasarea curbei SN

Pe baza datelor de testare, trasați curba SN cu nivelul de stres (S) ca axă orizontală și logaritmul duratei de viață la oboseală (N, adică numărul de cicluri) ca axă verticală.

Curba SN constă de obicei din trei secțiuni: regiunea de oboseală cu ciclu scăzut, regiunea de oboseală cu durată de viață finită și regiunea de oboseală cu ciclu înalt. Aceste secțiuni pot fi împărțite și etichetate în funcție de datele de testare.

7. Analiza și Interpretarea Datelor

Analizați datele curbei SN, inclusiv calcule și comparații ale parametrilor precum panta și interceptarea.

Interpretați performanța la oboseală și caracteristicile de viață ale materialului pe baza formei și parametrilor curbei SN.

Combinați informații despre microstructura materialului și compoziția chimică pentru a analiza mecanismele și factorii de influență ai defecțiunii prin oboseală.