Предел усталости

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 сплавы железа и титановые сплавы, имеют четкий предел: ^[2] тогда как другие, такие как алюминий и медь , этого не делают и в конечном итоге выйдут из строя даже при небольших амплитудах напряжения. термин усталостная прочность или предел выносливости Если материалы не имеют четкого предела , используется , который определяется как максимальное значение полностью измененного напряжения изгиба, которое материал может выдержать в течение определенного количества циклов без усталостного разрушения . ^[3]^[4] Для полимерных материалов предел выносливости также широко известен как собственная прочность . ^[5]^[6]

Определения

ASTM , определяет усталостную прочность $S_{N_{f}}$ , как «значение напряжения, при котором происходит разрушение после $N_{f}$ циклов», и предел выносливости , $S_{f}$ , как «предельное значение напряжения, при котором разрушение происходит как $N_{f}$ 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. ^[7]

Некоторые авторы используют предел выносливости , $S_{e}$ , 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 , $S_{f}$ , для напряжения, при котором разрушение происходит после определенного количества циклов нагрузки, например 500 миллионов, как в случае алюминия. ^[1]^[8]^[9] Другие авторы не делают различий между выражениями, даже если они различают два типа материалов. ^[10]^[11]^[12]

Типичные значения

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

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. ^[13]^[14]

Концепция предела выносливости и, следовательно, стандарты, основанные на пределе усталости, такие как прогнозирование срока службы подшипников качения ISO 281: 2007 , остаются спорными, по крайней мере, в США. ^[15]^[16]

Модифицирующие факторы предела выносливости

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

Фактор поверхности

Поверхностный модифицирующий фактор, $k_{S}$ , связано как с прочностью на разрыв, $S_{ut}$ , материала и качества поверхности детали машины.

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

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

Градиентный фактор

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

Коэффициент нагрузки

Коэффициент изменения нагрузки можно определить как.

$k_{L}=0.85$ для осевого

$k_{L}=1$ для гибки

$k_{L}=0.59$ для чистого кручения

Температурный фактор

Температурный фактор рассчитывается как

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

$S_{o}$ предел прочности при рабочей температуре

$S_{r}$ предел прочности при комнатной температуре

Фактор надежности

Мы можем рассчитать коэффициент надежности, используя уравнение

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

$z_{a}=0$ для 50% надежности

$z_{a}=1.288$ для 90% надежности

$z_{a}=1.645$ для 95% надежности

$z_{a}=2.326$ для надежности 99%

История

Понятие предела выносливости было введено в 1870 году Августом Вёлером . ^[17] Однако недавние исследования показывают, что для металлических материалов не существует пределов выносливости, и что если выполняется достаточное количество циклов напряжений, даже самое маленькое напряжение в конечном итоге приведет к усталостному разрушению. ^[9]^[18]

См. также

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

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Бир, Фердинанд П .; Э. Рассел Джонстон младший (1992). Механика материалов (2-е изд.). McGraw-Hill, Inc. с. 51 . ISBN 978-0-07-837340-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Усталость и долговечность металла» . Архивировано из оригинала 15 апреля 2012 г. Проверено 18 апреля 2008 г.
^ Ястржебский, Д. (1959). Природа и свойства инженерных материалов (изд. Wiley International). Джон Уайли и сыновья, Inc.
^ Суреш, С. (2004). Усталость материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57046-6 .
^ Робертсон, CG; Сточек, Р.; Марс, Западная Вирджиния (27 ноября 2020 г.). Порог усталости резины и его характеристика методом резания . Спрингер. стр. 57–83. ISBN 978-3-030-68920-9 . Проверено 24 июля 2024 г.
^ Бхоумик, АК (1988). «Пороговое разрушение эластомеров». Обзоры полимеров . 28 (3–4): 339–370. дои : 10.1080/15583728808085379 .
^ Стивенс, Ральф И. (2001). Усталость металла в машиностроении (2-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 69 . ISBN 978-0-471-51059-8 .
^ 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 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Аскеланд, Дональд Р.; Прадип П. Пхуле (2003). Наука и инженерия материалов (4-е изд.). Брукс/Коул. п. 248. ИСБН 978-0-534-95373-7 .
^ Хиббелер, Р.К. (2003). Механика материалов (5-е изд.). Pearson Education, Inc. с. 110. ИСБН 978-0-13-008181-0 .
^ Даулинг, Норман Э. (1998). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Printice-Hall, Inc. с. 365. ИСБН 978-0-13-905720-5 .
^ Барбер, младший (2001). Промежуточная механика материалов . МакГроу-Хилл. п. 65. ИСБН 978-0-07-232519-5 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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.
^ «ISO 281:2007 соответствует стандарту жизни – и какой ответ?» (PDF) . Трибология и технология смазки : 34–43. Июль 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 октября 2013 г.
^ В. Шютц (1996). История усталости. Инженерная механика разрушения 54: 263-300. DOI
^ 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 .

[BandJ-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Бир, Фердинанд П .; Э. Рассел Джонстон младший (1992). Механика материалов (2-е изд.). McGraw-Hill, Inc. с. 51 . ISBN 978-0-07-837340-4 .

[MFandE-2] Перейти обратно: ^а ^б «Усталость и долговечность металла» . Архивировано из оригинала 15 апреля 2012 г. Проверено 18 апреля 2008 г.

[3] Ястржебский, Д. (1959). Природа и свойства инженерных материалов (изд. Wiley International). Джон Уайли и сыновья, Inc.

[suresh04-4] Суреш, С. (2004). Усталость материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57046-6 .

[5] Робертсон, CG; Сточек, Р.; Марс, Западная Вирджиния (27 ноября 2020 г.). Порог усталости резины и его характеристика методом резания . Спрингер. стр. 57–83. ISBN 978-3-030-68920-9 . Проверено 24 июля 2024 г.

[6] Бхоумик, АК (1988). «Пороговое разрушение эластомеров». Обзоры полимеров . 28 (3–4): 339–370. дои : 10.1080/15583728808085379 .

[Stephens-7] Стивенс, Ральф И. (2001). Усталость металла в машиностроении (2-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 69 . ISBN 978-0-471-51059-8 .

[Bydynas-8] 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 .

[Askeland-9] Перейти обратно: ^а ^б Аскеланд, Дональд Р.; Прадип П. Пхуле (2003). Наука и инженерия материалов (4-е изд.). Брукс/Коул. п. 248. ИСБН 978-0-534-95373-7 .

[Hibbeler-10] Хиббелер, Р.К. (2003). Механика материалов (5-е изд.). Pearson Education, Inc. с. 110. ИСБН 978-0-13-008181-0 .

[Dowling-11] Даулинг, Норман Э. (1998). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Printice-Hall, Inc. с. 365. ИСБН 978-0-13-905720-5 .

[Barber-12] Барбер, младший (2001). Промежуточная механика материалов . МакГроу-Хилл. п. 65. ИСБН 978-0-07-232519-5 .

[LakeLundley-13] 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 .

[LakeThomas-14] 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 .

[STLE,_Zaretsky-15] 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.

[STLE,_ISO281-16] «ISO 281:2007 соответствует стандарту жизни – и какой ответ?» (PDF) . Трибология и технология смазки : 34–43. Июль 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 октября 2013 г.

[schutz-17] В. Шютц (1996). История усталости. Инженерная механика разрушения 54: 263-300. DOI

[Bathias-18] 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 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]