Стресс

Рисунок 1. De Havilland DH 106 Comet был первым в мире коммерческим авиалайнером с герметичной кабиной, предназначенной для трансатлантических полетов. В 1954 году, примерно через полтора года после ввода в эксплуатацию, три «Кометы» разбились в полете, что привело к гибели пассажиров и экипажа. После аварий носовая часть фюзеляжа была проверена на усталость металла путем многократного повышения давления в кабине в резервуаре с водой. Испытания под давлением выявили места повышенного напряжения в углах окон из-за их квадратной формы. Чтобы минимизировать концентрацию напряжений в этих областях, конструкторы самолета сделали окна более круглыми или овальными. (Морис Сэвидж / Alamy Stock Photo)

Рисунок 2. Полностью обратный цикл, основанный на стрессе

Рисунок 3 – Повторяющийся цикл стресса. На рисунке 3 изображен повторяющийся цикл напряжения, в котором максимальное и минимальное напряжения не равны по величине. Оба напряжения находятся в состоянии растяжения, но они также могут находиться в состоянии растяжения и сжатия или только сжатия.

Рисунок 4 – Машина для усталостных испытаний Wohler (2). Шпиндель (а) в центре станка поддерживается двумя подшипниковыми блоками (б) и вращается со скоростью примерно 15 об/мин. Две оси (образцы для испытаний) были установлены на обоих концах вращающегося шпинделя, и к осям прилагались изгибающие усилия через пружинный механизм (f), расположенный на обоих концах машины. Во время каждого оборота обе оси подвергались полностью обратному изгибающему напряжению. Величина изгибающего напряжения регулировалась напряжением пружинного механизма.

Рисунок 5 – Кривые SN Волера для осевой стали Круппа (2).

Рисунок 6 – Диаграммы SN для стали, алюминия и пластика, армированного волокном.

Рисунок 7. Машина для испытаний на усталость при изгибе и вращающемся стержне Ducom Instruments. Испытуемый образец, установленный в виде консоли с одноточечной нагрузкой, вращается и, таким образом, подвергается воздействию изгибающего момента. Принцип аналогичен машине Волера, построенной в 1800-х годах. С разрешения Ducom Instruments

Рисунок 8. Эта система испытаний на усталость настроена для испытаний зубных имплантатов в соответствии со стандартом ISO 14801 «Стоматологические имплантаты. Динамическое испытание на усталость для внутрикостных зубных имплантатов». Источник: АДМЕТ

Рисунок 9 – Система испытаний на усталость при кручении, сконфигурированная для проведения усталостных испытаний небольших компонентов, используемых в портативном электронном оборудовании. Источник: ADMET.

С 1850 года мы знали, что металл, подвергающийся изменяющимся напряжениям, разрушается при напряжении, намного меньшем, чем требуется, чтобы вызвать разрушение при одном квазистатическом натяжении. Разрушение обычно происходит неожиданно и приводит к хрупкому излому без значительной деформации. Усталость металла представляет собой многостадийный процесс, который часто описывают как состоящий из четырех стадий.

Этап 1: Возникновение трещины: деталь повреждается из-за образования микротрещины в точке высокой концентрации напряжений. Точки концентрации высоких напряжений обычно располагаются в выемках, острых кромках или углах. Отжиг применяется для восстановления металлов, поврежденных на первой стадии.

Этап 2:Полоса скольжения или рост трещины на стадии 1. Первоначальная трещина углубляется в плоскостях высокого напряжения сдвига и становится четко выраженной.

Этап 3:Стадия II Рост трещины: четко выраженная трещина растет в направлении, нормальном к максимальному растягивающему напряжению.

Этап 4:Пластическое разрушение: когда трещина достигает критической длины, оставшееся поперечное сечение не может выдержать приложенные силы, и деталь выходит из строя.

Циклическое тестирование

Усталостные испытания чаще всего проводятся под нагрузкой постоянной амплитуды, основанной на напряжении. Тестовые образцы могут подвергаться воздействию сигналов различной геометрии, однако наиболее распространенными являются синусоиды. На рисунке 2 изображен синусоидальный сигнал, основанный на напряжении, показывающий полностью обращенные циклы напряжения. Максимальное и минимальное напряжения равны и противоположны при испытании с полностью обратным циклом. По соглашению сжимающие напряжения отрицательны.

Большинство стрессовых усталостных испытаний проводится с использованием полностью обращенной нагрузки. Однако существует множество примеров, когда полностью обратная нагрузка не выполняется либо потому, что это невозможно, либо во время нормальной эксплуатации компонент подвергается воздействию сил только в одном направлении. Примеры циклической нагрузки с повторением напряжений включают испытания на усталость тазобедренных имплантатов только на сжатие и испытания листовой стали только на растяжение (тонкие материалы прогибаются при сжатии).