Kas sa tõesti mõistad metallmaterjalide väsimustugevust?

 

I. Metalli väsimuse nähtused ja omadused

 

1. Metalli väsimise nähtused

Pragude tekkimine: vahelduva pinge või tsüklilise deformatsiooni korral moodustavad metallmaterjalid järk-järgult väikeseid pragusid kohaliku suure pingega piirkondades.

Pragude levik: need väikesed praod laienevad aja jooksul järk-järgult pideva pinge all.

Murdetõrge: kui praod levivad teatud määral, ei talu ülejäänud materjal enam koormust, mis põhjustab metallkomponendi täieliku purunemise.

 

 

 

▲Joonis 1 Levinud tsüklilised pinged

 

2. Metalli väsimuse tunnused

Äkilisus: metalli väsimuse rike tekib sageli aja jooksul ootamatult ja seda ei ole lihtne eelnevalt tuvastada.

Paikkond: tõrge esineb tavaliselt kohaliku suure stressiga piirkondades, kus asukoht on suhteliselt kontsentreeritud.

Tundlikkus: metalli väsimus on tundlik keskkonnategurite ja defektide suhtes. Näiteks võivad osade pinna karedus, oksüdatsiooniaste ja korrosioonitingimused mõjutada väsimustugevust.

Tsükli sõltuvus: metalli väsimine on otseselt seotud tsükliliste koormuste pingetasemega ja tsüklite arvuga. Isegi kui pingetase on materjali voolavuspiirist madalam, võib pikaajaline tsükliline koormus ikkagi põhjustada väsimust.

Statistiline iseloom: statistika kohaselt on umbes 80%-90% tehniliste konstruktsioonide riketest põhjustatud metalli väsimusest.

 

 

 

▲ Erinevat tüüpi väsimusmurdude morfoloogia

 

 

II Metalli väsimuse klassifikatsioon

 

1. Klassifikatsioon tsükliliste koormuste arvu järgi

Suure tsükliga väsimus: viitab väsimusele madala pinge all (tööpinge alla materjali voolavuspiiri ja isegi alla elastsuspiiri), kui pingetsüklid ületavad 100,000. See on kõige levinum väsimuse ebaõnnestumise tüüp, mida tuntakse ka kui stressiväsimust. Suure tsükli väsimuse jõudlust kirjeldab SN-kõver (stress-life curve), mis näitab, et antud pingesuhte korral on pinge väiksem, seda pikem on eluiga.

Madala tsükli väsimus: viitab väsimusele suure pinge all (tööpinge, mis on materjali voolavuspiiri lähedal) või suure deformatsiooni tingimustes, mille pingetsüklid on alla 10,000 kuni 100,000. Kuna vahelduv plastiline deformatsioon mängib seda tüüpi väsimuse rikete korral suurt rolli, nimetatakse seda ka plastiväsimiseks või deformatsiooniväsimuseks.

 

2. Klassifikatsioon väsimuse ebaõnnestumise vormi järgi

Termiline väsimus: Väsimustõrke, mis on põhjustatud temperatuurimuutustest tingitud korduvast termilisest stressist.

Korrosiooniväsimus: Masinaosade väsimustõrge vahelduvate koormuste ja söövitavate ainete (nt happed, leelised, merevesi, aktiivgaasid jne) koosmõjul.

Kontaktiväsimus: viitab masinaosade kontaktpindade väsimustõrkele, kus korduva kontaktpinge korral tekivad täpid või pinna muljumine ja koorumine, mis põhjustab komponentide rikke.

 

 

III. Väsimuskõver

 

 

 

▲ Metallmaterjalide väsimuskõver

 

 

▲ SN kõver

 

Ülaltoodud diagramm illustreerib seost väsimusstressi ja väsimuse eluea vahel, mida nimetatakse SN-kõveraks, mida kasutatakse väsimuspiiri määramiseks ja väsimusstressikriteeriumide aluse loomiseks.

Väsimuspiir: viitab tugevusnäitajale, mis näitab materjali võimet taluda lõpmatut arvu pingetsükleid ilma purunemiseta; tingimuslik väsimuspiir viitab tugevusnäitajale, mis näitab materjali võimet taluda piiratud arvu pingetsükleid ilma murdumiseta. Mõlemat nimetatakse ühiselt väsimustugevuseks. Mida suurem on tõmbetugevus, seda suurem on väsimuspiir.

 

 

IV. Metallmaterjalide väsimustugevust mõjutavad tegurid

 

1. Komponendi kuju ja suurus

Tegelikel mehaanilistel osadel on paratamatult erineva kujuga sälgud, nagu astmed, võtmeavad, keermed ja õliaugud, mis põhjustavad pinge kontsentratsiooni ja mõjutavad väsimustugevust.

Oluline on ka osade suuruse mõju. Väiksemate proovidega võrreldes võib suurematel osadel olla rohkem pingekontsentratsioone ja pingegradiente, mis mõjutavad väsimust.

2. Pinnaviimistlus

Madal pinnaviimistlus võib põhjustada pinge kontsentratsiooni materjali pinnal, vähendades seeläbi materjali väsimustugevust. Näiteks töötlemata töötlemine (jäme treimine) võib võrreldes pikisuunalise peenpoleerimisega vähendada väsimuspiiri 10–20% või rohkem.

3. Teenindustingimused

Töökeskkond, näiteks söövitav aine, võib imbuda mikropragudesse ja soodustada komponentide väsimust.

Lennundusmaterjalid, mida kasutatakse keerulistes kliimatingimustes, nagu kõrge temperatuur, kõrge õhuniiskus ja madal temperatuur, võivad samuti mõjutada nende väsimust.

4. Materjali koostis

Metallmaterjali koostis mõjutab otseselt selle väsimust. Näiteks süsinikusisalduse suurenemine vähendab martensiidi purunemistugevust ja suurendab kalduvust pragude kustutamiseks.

5. Organisatsiooni seisund

Metallmaterjalide mikrostruktuur mõjutab oluliselt nende väsimustugevust. Pärast karastamist ja karastamist saadud struktuur võib veelgi parandada väsimustugevust.

6. Puhtus

Defektid, nagu materjali lisandid, võivad muutuda väsimusallikateks, vähendades väsimustugevust.

7. Jääkstress

Jääkpinge võib samuti mõjutada materjali väsimust.

8. Materjali tugevus ja plastilisus

Mida parem on metallmaterjali tugevus ja plastilisus, seda suurem on selle vastupidavus väsimusele.

9. Stressi amplituud

Pinge amplituudi suurus mõjutab otseselt metalli väsimuse kestust.

10. Keskmine stress

Keskmise pinge suurus ja olemus (tõmbe- või survejõud) mõjutavad ka metalli väsimust.

11. Tsüklite arv

Metalli väsimuse rike ilmneb tavaliselt pärast teatud arvu tsükleid.

12. Stressi kontsentratsiooniefekt

Järsud muutused detaili kontuuris või sisemised katkestused (nagu poorid, kandmised, praod jne) võivad saada pinge kontsentratsiooni allikaks, kiirendades väsimuse katkemise protsessi.

 

 

V Väsimuskõverate määramise meetodid

Väsimuskõverate, eriti SN-kõvera määramise meetod on tsüklilise pinge või deformatsiooni all olevate materjalide väsimustõhususe hindamisel ülioluline.

 

1. Testi eesmärgi ja tingimuste kindlaksmääramine

Määrake selgelt testitava materjali tüüp, pingetasemete vahemik, sagedus ja muud parameetrid.

Valige sobiv testimisseade, näiteks väsimuse testimise masin, ning reguleerige ja kalibreerige see vastavalt katsenõuetele.

2. Proovide ettevalmistamine

Valmistage ette nõuetele vastavad näidised asjakohaste standardite ja katsenõuete alusel.

Mõõtke ja registreerige täpselt proovide mõõtmed, kaal ja muud parameetrid.

3. Proovide paigaldamine

Paigaldage proov väsimustesti masinale, tagades proovi telje ja laadimistelje vahelise joonduse.

Testide jaoks, mis nõuavad spetsiaalseid kinnitusvahendeid või seadmeid, paigaldage ja reguleerige need vastavalt nõuetele.

4. Testiparameetrite seadistamine

Lähtuvalt testi eesmärgist ja tingimustest määrake koormuse lainekuju (nt siinuslaine, ruutlaine), koormuse tase, sagedus ja muud parameetrid.

Testide jaoks, mis peavad simuleerima tegelikke töötingimusi, määrake vastavad keskkonnaparameetrid, nagu temperatuur ja niiskus.

5. Testi käivitamine ja andmete salvestamine

Käivitage testimismasin ja alustage tsüklilist laadimist.

Katse ajal registreerige iga tsükli andmed, nagu koormus, nihe ja aeg.

Jälgige proovi deformatsiooni ja rikkeid ning registreerige õigeaegselt väsimustõrgete arv ja vormid.

6. SN-kõvera joonistamine

Katseandmete põhjal joonistage SN-kõver, mille horisontaalteljeks on pingetase (S) ja vertikaalteljeks väsimuse eluea logaritm (N ehk tsüklite arv).

SN-kõver koosneb tavaliselt kolmest osast: madala tsükli väsimuse piirkond, piiratud elueaga väsimuspiirkond ja kõrge tsükli väsimuspiirkond. Neid sektsioone saab vastavalt katseandmetele jagada ja märgistada.

7. Andmete analüüs ja tõlgendamine

Analüüsige SN-kõvera andmeid, sealhulgas arvutusi ja parameetrite (nt kalle ja lõikepunkti) võrdlusi.

Tõlgendage materjali väsimusnäitajate ja eluea näitajaid SN-kõvera kuju ja parameetrite põhjal.

Kombineerige teavet materjali mikrostruktuuri ja keemilise koostise kohta, et analüüsida väsimuse ebaõnnestumise mehhanisme ja mõjutegureid.