Малоцикловая усталость

Малоцикловая усталость (МЦУ) имеет две фундаментальные характеристики: пластическую деформацию в каждом цикле; и явление малого цикла, при котором материалы имеют конечную выносливость для этого типа нагрузки. Термин « цикл» относится к повторяющимся приложениям стресса, которые в конечном итоге приводят к усталости и неудачам; низкий цикл относится к длительному периоду между применениями.

Исследования усталости были сосредоточены в основном на двух областях: расчете размеров в аэронавтике и производстве энергии с использованием передовых методов расчета. Результат LCF позволяет нам более глубоко изучить поведение материала, чтобы лучше понять сложные механические и металлургические явления ( распространение трещин , деформационное размягчение, концентрацию деформации, деформационное упрочнение и т. д.). ^[1]

История

Общими факторами, которые приписывают малоцикловой усталости (МЦУ), являются высокие уровни напряжения и малое количество циклов до отказа. Было проведено множество исследований, особенно за последние 50 лет, по металлам и взаимосвязи между температурой , напряжением и количеством циклов до разрушения. Испытания используются для построения кривой SN , и было показано, что количество циклов до отказа уменьшается с увеличением температуры. Однако обширное тестирование было бы слишком дорогостоящим, поэтому исследователи в основном прибегали к использованию анализа методом конечных элементов с использованием компьютерного программного обеспечения. ^[2]

В ходе многих экспериментов было обнаружено, что характеристики материала могут меняться в результате LCF. разрушения Пластичность имеет тенденцию к снижению, причем величина изначально зависит от наличия небольших трещин. Для проведения этих испытаний обычно использовалась электрогидравлическая испытательная машина с сервоуправлением, так как она способна не изменять амплитуду напряжения . Также было обнаружено, что выполнение малоцикловых усталостных испытаний на образцах с уже просверленными в них отверстиями было более подвержено распространению трещин и, следовательно, к большему снижению пластичности разрушения. Это было верно, несмотря на небольшие размеры отверстий – от 40 до 200 мкм. ^[3]

Характеристики

Когда деталь подвергается малоцикловой усталости, она многократно пластически деформируется. Например, если деталь будет нагружена растяжением до тех пор, пока она не станет необратимо деформированной (пластически деформированной), это будет считаться четвертьциклом малоцикловой усталости или LCF. Чтобы завершить полный цикл, деталь необходимо будет деформировать обратно в ее первоначальную форму. Число циклов LCF, которое может выдержать деталь до выхода из строя, значительно меньше, чем при обычной усталости. ^[4]

Такое состояние высокой циклической деформации часто является результатом экстремальных условий эксплуатации, таких как резкие изменения температуры. Термические напряжения, возникающие в результате расширения или сжатия материалов, могут усугубить условия нагрузки на деталь, и на это могут повлиять характеристики LCF.

Механика

Обычно используемым уравнением , описывающим поведение малоцикловой усталости, является соотношение Коффина-Мэнсона (опубликованное Л.Ф. Коффином в 1954 г. и С.С. Мэнсоном в 1953 г.):

{\frac {\Delta \varepsilon _{t}}{2}}={\frac {\Delta \varepsilon _{p}}{2}}+{\frac {\Delta \varepsilon _{e}}{2}}=\varepsilon _{f}'(2N)^{c}+{\frac {\sigma _{f}'(2N)^{b}}{E}}

где,

Δε t /2 – полная амплитуда деформации;
Δε _p /2 – амплитуда пластической деформации;
Δε e /2 – амплитуда упругой деформации;
2 N – количество обращений к отказу ( N циклов);
ε _f ' — эмпирическая константа , известная как коэффициент усталостной пластичности , определяемая точкой пересечения деформации при 2N =1;
c — эмпирическая константа, известная как показатель усталостной пластичности , обычно варьирующаяся от -0,5 до -0,7. Малый c приводит к длительному усталостному сроку службы.
ς _f ' — константа, известная как коэффициент усталостной прочности.
b — эмпирическая константа, известная как показатель усталостной хрупкости .

Первая половина уравнения указывает на пластическую область, а вторая половина уравнения указывает на упругую область. ^[5]

Приближение Морроу

В приведенном выше соотношении Коффина-Мэнсона постоянные значения (b и c) определяются данными уравнениями:

$c={\frac {-1}{1+5{\acute {n}}}}$

$b={\frac {-{\acute {n}}}{1+5{\acute {n}}}}$

Заметные неудачи

Одним из примечательных событий, в которых авария стала результатом LCF, стало землетрясение в Нортридже в 1994 году . Многие здания и мосты обрушились, в результате чего пострадали более 9 тысяч человек. ^[6] Исследователи из Университета Южной Калифорнии проанализировали основные области десятиэтажного здания, подвергшиеся малоцикловой усталости. К сожалению, экспериментальные данные, позволяющие напрямую построить кривую SN для малоцикловой усталости, были ограничены, поэтому большая часть анализа заключалась в построении графика многоцикловой усталости на кривой SN и продлении линии этого графика для создания части кривая малоцикловой усталости по методу Палмгрена-Майнера. В конечном итоге эти данные были использованы для более точного прогнозирования и анализа аналогичных типов повреждений, с которыми столкнулось десятиэтажное стальное здание в Нортридже . ^[7]

Еще одним недавним событием стало землетрясение в Чили в 2010 году , когда несколько исследователей из Чилийского университета сообщили о многочисленных железобетонных конструкциях, поврежденных по всей стране в результате сейсмического события. Многие элементы конструкции, такие как балки, стены и колонны, вышли из строя из-за усталости, в результате чего на стальной арматуре , использованной в конструкции, появились явные признаки продольного коробления . ^[9]^[10] Это событие привело к обновлению чилийских стандартов сейсмического проектирования на основе наблюдений за поврежденными конструкциями, вызванными землетрясением. ^[11]

Ссылки

^ Пино, Андре (2013). «Малоцикловая усталость». Усталость материалов и конструкций: Основы : 113–177. дои : 10.1002/9781118623435.ch4 . ISBN 9781848210516 .
^ Агравал, Рича (июль 2014 г.). «Прогнозирование продолжительности жизни при малой циклической усталости» (PDF) . Иджерт . Рича Агравал . Проверено 18 февраля 2016 г.
^ Мураками, Ю.; Миллер, К.Дж. (1 августа 2005 г.). «Что такое усталостное повреждение? Точка зрения с точки зрения наблюдения за процессом малоцикловой усталости». Международный журнал усталости . Конференция по кумулятивному усталостному повреждению - Севильский университет, 2003 г. Конференция по кумулятивному усталостному повреждению. 27 (8): 991–1005. дои : 10.1016/j.ijfatigue.2004.10.009 .
^ «Понимание усталости» (PDF) . АСМЭ . ДП ДеЛука.
^ О'Доннелл, У.Дж. и Б.Ф. Лангер. Ядерная наука и техника, том 20, стр. 1–12, 1964.
^ Тейлор, Алан. «Землетрясение в Нортридже: 20 лет назад сегодня» . Атлантика . Проверено 18 февраля 2016 г.
^ Настар, Навид (2008). «Влияние малоцикловой усталости на десятиэтажное стальное здание» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 г. Проверено 18 февраля 2016 г.
^ Рохас, Ф.; и др. (2011). «Эксплуатация высотных зданий в Консепсьоне во время землетрясения магнитудой 8,8 27 февраля 2010 года на берегу Мауле, Чили» . Конструктивное проектирование высотных и специальных зданий . 20 (37–64): 37–64. дои : 10.1002/тал.674 . S2CID 109286598 .
^ Эггер, Дж. Э.; Рохас, Франция; Массоне, LM (24 сентября 2021 г.). «Высокопрочные арматурные стальные стержни: поведение при малоцикловой усталости с использованием методологии RGB» . Международный журнал бетонных конструкций и материалов . 15 (38). дои : 10.1186/s40069-021-00474-9 . S2CID 237629712 .
^ Массоне, LM; Эррера, Пенсильвания (22 мая 2019 г.). «Экспериментальное исследование остаточной усталостной долговечности арматуры, поврежденной при землетрясении» . Материалы и конструкции . 52 (61). дои : 10.1617/s11527-019-1361-x . S2CID 182197597 .
^ Уоллес, Джон В.; Массоне, Леонардо М.; Бонелли, Патрисио; Драгович, Джефф; Лагос, Рене; Людерс, Карл; Мёле, Джек (2012). «Повреждения и последствия для сейсмического проектирования зданий с несущими стеновыми конструкциями из железобетона» . Спектры землетрясений . 28 . Уоллес Дж., Массоне Л., Бонелли П., Драгович Дж., Лагос Р., Людерс К., Мёле Дж.: 281–299. дои : 10.1193/1.4000047 . S2CID 110387165 .

[1] Пино, Андре (2013). «Малоцикловая усталость». Усталость материалов и конструкций: Основы : 113–177. дои : 10.1002/9781118623435.ch4 . ISBN 9781848210516 .

[2] Агравал, Рича (июль 2014 г.). «Прогнозирование продолжительности жизни при малой циклической усталости» (PDF) . Иджерт . Рича Агравал . Проверено 18 февраля 2016 г.

[3] Мураками, Ю.; Миллер, К.Дж. (1 августа 2005 г.). «Что такое усталостное повреждение? Точка зрения с точки зрения наблюдения за процессом малоцикловой усталости». Международный журнал усталости . Конференция по кумулятивному усталостному повреждению - Севильский университет, 2003 г. Конференция по кумулятивному усталостному повреждению. 27 (8): 991–1005. дои : 10.1016/j.ijfatigue.2004.10.009 .

[4] «Понимание усталости» (PDF) . АСМЭ . ДП ДеЛука.

[5] О'Доннелл, У.Дж. и Б.Ф. Лангер. Ядерная наука и техника, том 20, стр. 1–12, 1964.

[6] Тейлор, Алан. «Землетрясение в Нортридже: 20 лет назад сегодня» . Атлантика . Проверено 18 февраля 2016 г.

[7] Настар, Навид (2008). «Влияние малоцикловой усталости на десятиэтажное стальное здание» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 г. Проверено 18 февраля 2016 г.

[8] Рохас, Ф.; и др. (2011). «Эксплуатация высотных зданий в Консепсьоне во время землетрясения магнитудой 8,8 27 февраля 2010 года на берегу Мауле, Чили» . Конструктивное проектирование высотных и специальных зданий . 20 (37–64): 37–64. дои : 10.1002/тал.674 . S2CID 109286598 .

[9] Эггер, Дж. Э.; Рохас, Франция; Массоне, LM (24 сентября 2021 г.). «Высокопрочные арматурные стальные стержни: поведение при малоцикловой усталости с использованием методологии RGB» . Международный журнал бетонных конструкций и материалов . 15 (38). дои : 10.1186/s40069-021-00474-9 . S2CID 237629712 .

[10] Массоне, LM; Эррера, Пенсильвания (22 мая 2019 г.). «Экспериментальное исследование остаточной усталостной долговечности арматуры, поврежденной при землетрясении» . Материалы и конструкции . 52 (61). дои : 10.1617/s11527-019-1361-x . S2CID 182197597 .

[11] Уоллес, Джон В.; Массоне, Леонардо М.; Бонелли, Патрисио; Драгович, Джефф; Лагос, Рене; Людерс, Карл; Мёле, Джек (2012). «Повреждения и последствия для сейсмического проектирования зданий с несущими стеновыми конструкциями из железобетона» . Спектры землетрясений . 28 . Уоллес Дж., Массоне Л., Бонелли П., Драгович Дж., Лагос Р., Людерс К., Мёле Дж.: 281–299. дои : 10.1193/1.4000047 . S2CID 110387165 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]