El estrés alterno, también conocido como estrés por fatiga, se refiere al estrés que cambia periódicamente durante los cultivos intercalados. Como se muestra en la Figura 6-1, los significados de varios símbolos son los siguientes:
Figura 6-1 Diagrama esquemático de parámetros de tensión alternados
σmax: tensión máxima σmin: tensión mínima; ; σm: tensión media; σa: amplitud de tensión.
La relación entre cada parámetro es la siguiente:
Fractura y daño de la roca
σmax=σm+σa
σmin=σm- σa
Definición: R=σmin/σmax es la relación de tensión (también llamada característica cíclica). Cuando R = -1, se llama círculo de simetría; cuando R = 0, se llama período de pulso; cuando R = 1, es una carga estática.
2. Método de diseño de resistencia a la fatiga
El método de diseño tradicional, el más antiguo, es el diseño de vida infinita, que requiere que las piezas no se dañen dentro de una vida útil infinita. Este diseño se basa en condiciones de resistencia a la fatiga. Posteriormente, se adoptó un diseño de "vida segura" para algunos componentes, es decir, no se producirán grietas por fatiga dentro de un cierto rango de uso. Este diseño luego se convirtió en un método tradicional para evaluar la resistencia a la fatiga de los materiales, es decir, bajo una determinada carga alterna externa, determinar el número de ciclos de fractura de una muestra lisa y sin grietas, y diseñar de acuerdo con la siguiente fórmula:
Fractura y daño de la roca
σ-1 es el límite de fatiga o límite de resistencia del material. Utilice una muestra lisa de tamaño pequeño para medir en una máquina de prueba de fatiga especial bajo ciclos simétricos. Se refiere al valor máximo de tensión que no causa daño después de que la muestra se somete a numerosos ciclos de tensión (generalmente superiores a 107 veces). Está relacionado con el tamaño del componente, la calidad del procesamiento de la superficie y la concentración de tensiones. Nσ es un factor de seguridad mayor que 1.
El diseño de fatiga tradicional no tiene en cuenta las grietas o defectos que existen en la superficie o el interior de objetos o piezas durante su procesamiento y uso. Pero cuando un objeto con grietas o grietas similares se somete a tensiones alternas, incluso si la tensión de trabajo está muy por debajo del límite de fatiga del material, las grietas pueden expandirse y provocar que el objeto se rompa. Por lo tanto, es necesario estudiar el método de diseño de "seguridad contra daños" desde la perspectiva de la mecánica de fractura, es decir, suponiendo que el objeto es un cuerpo fisurado, bajo la acción de tensiones alternas durante un período de tiempo, se le permite expandirse. , pero no llega a fracturarse, por lo que no afecta el trabajo confiable. Para este tipo de diseño, es necesario dominar las características de crecimiento de grietas por fatiga del material para que el diseño logre el efecto de seguridad esperado.
Para reducir el peso de las estructuras, en el diseño se utilizan cada vez más materiales de alta y ultra alta resistencia. La tenacidad a la fractura de tales materiales generalmente disminuye a medida que aumenta el límite elástico del material, reduciendo así el tamaño de grieta crítico para la falla frágil. Por tanto, es necesario resolver el problema de estimar la vida restante a fatiga de componentes fabricados con este material. Por lo tanto, el estudio de las leyes de crecimiento de grietas por fatiga de los materiales es un tema nuevo en el estudio de las propiedades mecánicas de los materiales en el diseño y uso de materiales, y también es una parte importante de la aplicación en ingeniería de la mecánica de fracturas. Dado que las grietas son inevitables durante la fabricación y el uso de componentes, el uso de la mecánica de fracturas para estudiar las características de propagación de grietas es un complemento y un desarrollo importante.
En tercer lugar, el proceso de daño por fatiga
La fatiga siempre se forma en el lugar local con mayor tensión y menor resistencia. Para componentes generales, las concentraciones de tensiones como cortes, escalones, agujeros redondos e inclusiones en la superficie interior son los primeros lugares donde se producen grietas por fatiga. Debido a las diferentes estructuras de los materiales y condiciones de trabajo, las grietas por fatiga se forman de diferentes maneras. Los métodos comunes incluyen el agrietamiento de la interfaz entre las inclusiones y la matriz, el agrietamiento de la zona de deslizamiento y el agrietamiento de los límites de grano. En términos generales, el proceso de daño por fatiga se puede dividir en cuatro etapas diferentes.
1. Etapa de nucleación de grietas
Esfuerzos alternos → deslizamiento → extrusión y extrusión del metal → formación de núcleos de microfisuras (que suelen aparecer en la superficie de la pieza).
2. Etapa de expansión de las microfisuras
Las microfisuras se expanden a lo largo de la superficie de deslizamiento, que es la superficie de acción del esfuerzo cortante a 45 grados con respecto al eje de tensión normal. Muchas líneas de deslizamiento forman zonas de deslizamiento y se forman grietas a lo largo de las zonas de deslizamiento. En esta etapa, la tasa de expansión de la grieta es lenta, generalmente de 10 a 5 mm/semana, y el tamaño de la grieta es inferior a 0,05 mm.
3. Etapa de expansión de grieta macroscópica
La dirección de expansión de la grieta es perpendicular a la dirección de la tensión de tracción, que es una expansión de grieta única. El tamaño de la grieta se expandió desde 0,05 mm hasta el tamaño crítico ac, con una tasa de expansión de 10-3 mm/ciclo.
4. Etapa de fractura
Cuando la grieta se expande hasta el tamaño crítico ac, se volverá inestable y se romperá rápidamente.
En términos generales, las fisuras pasantes de 0,1 ~ 0,2 mm se definen como macrofisuras en ingeniería. Las grietas superficiales con una profundidad de 0,2 ~ 0,5 mm y una profundidad de 0,15 mm son macrogrietas.
El coeficiente de ciclo correspondiente a la etapa macroscópica de expansión de la grieta: vida de crecimiento de la grieta (Np). El coeficiente de ciclo correspondiente a la etapa anterior de expansión macroscópica de la grieta - vida de formación de la grieta (Ni).
4. Fatiga de ciclos altos y fatiga de ciclos bajos
La fatiga de ciclos altos y la fatiga de ciclos bajos son conceptos que se encuentran a menudo en ingeniería.
1. Fatiga de alto ciclo
Cuando la tensión sobre el componente es baja, la grieta por fatiga se expande en la zona elástica, y el ciclo de tensión n que experimenta la grieta cuando se expande a la fractura es alta, o La vida de fatiga de las grietas es más larga y se denomina fatiga de ciclo alto. La fatiga de ciclo alto también se llama fatiga por estrés. n se llama ciclo de falla o vida de fatiga.
2. Fatiga de bajo ciclo
Cuando la tensión local del componente excede el límite elástico del material, se forma una gran zona plástica y la grieta se expande en la zona plástica. El período del ciclo es más corto o la vida de fatiga de la grieta es más corta, lo que se denomina fatiga de ciclo bajo. La fatiga de ciclo bajo también se denomina fatiga por deformación o fatiga plástica. La vida total de fatiga de ciclo bajo es aproximadamente igual a la vida de crecimiento de la grieta, por lo que el diseño de fatiga de ciclo bajo considera principalmente la vida de crecimiento de la grieta. En ingeniería, la fatiga con N≤104 se define generalmente como fatiga de ciclo bajo.
Verbo (abreviatura de verbo) Diseño de componentes por fatiga
1. Método de vida completa
Primero, mida la curva S-N (S es tensión alterna, N es tensión alterna). número de ciclos de estrés).
El método clásico de diseño por fatiga consiste en utilizar el método de la curva del rango de tensiones cíclicas (S-N) o el método de deformación plástica total para describir la vida total que conduce a la falla por fatiga.
En estos métodos, controlando la amplitud de la tensión o la amplitud de la deformación, se obtiene el número de ciclos de tensión y de deformación necesarios para el fallo por fatiga de muestras de laboratorio con grietas iniciales:
N= Ni+Np (vida de formación de Ni, vida de extensión de Np)
2. Método de tolerancia al daño (método de diseño por fatiga de la mecánica de fractura)
Se permiten ocurrencias de grietas dentro de la vida útil del componente. , pero debe tener suficiente vida subcrítica de crecimiento de grietas para garantizar que la grieta no se expanda de manera inestable durante la vida útil y cause fallas en los componentes.
La vida a fatiga se define como el número de ciclos de fisura que se extienden desde un tamaño de fisura específico hasta un tamaño crítico.