Что такое испытание на усталость?

Что такое испытание на усталость?

Испытание на усталость — это испытание, в котором нагрузка многократно прикладывается к образцу для определения того, в какой момент этот образец будет разрушен.

Даже если металл подвергается небольшой нагрузке, которая не разрушается за один раз, при повторном приложении нагрузки образуется невидимая трещина. Это называется «растрескиванием».

Если приложить дополнительную нагрузку, пока трещины уже образовались, металл в конечном итоге сломается. Это называется «разрушением от усталости». Испытание на усталость используется для исследования количества раз до возникновения разрушения от усталости.

Применение испытаний на усталость

Испытания на усталость проводятся практически для всех изделий, в которых используется металл. Не будет преувеличением сказать, что испытания на усталость необходимы, особенно для изделий, которые, как ожидается, будут использоваться многократно, таких как автомобили, кабели и путепроводы.

Испытания на усталость также используются для определения прочности при изгибе. Это связано с тем, что металлические материалы часто обрабатываются в длинные и узкие формы и склонны к появлению небольших трещин в результате многократного изгиба.

Кроме того, хотя и не в такой степени, как металлы, резина и смолы также имеют более низкое напряжение разрыва при многократной нагрузке. В зависимости от материала и области применения рекомендуется проводить испытания на усталость, как и в случае с металлами.

Принцип испытания на усталость

Испытание на усталость проводится в следующей последовательности:

• Из металлического материала, используемого для испытываемого изделия, вырезается образец.
• Образец помещается в специальную машину и подвергается нагрузке.
• График создается путем нанесения нагрузки и количества разрывов.
• Предельная точка усталости рассчитывается по кривой, полученной с помощью графика.

Диаграмму S-N можно создать, отложив «величину нагрузки (напряжения)» на вертикальной оси и «количество раз, когда нагрузка разрушала конструкцию» на горизонтальной оси.

Диаграмма S-N показывает, что нагрузка горизонтальна после определенного напряжения. Это напряжение называется пределом усталости, которое является силой, при которой усталостное разрушение не происходит, независимо от того, сколько раз повторяется нагрузка. Умножая этот предел усталости на коэффициент безопасности, можно рассчитать допустимое напряжение материала.

Чтобы создать точную диаграмму S-N, важно провести испытание с хорошо сбалансированным набором больших и малых нагрузок. Рекомендуется, чтобы было задано не менее шести различных нагрузок и чтобы было встряхнуто как можно больше точек для проведения испытания.

Типы испытаний на усталость

Существует множество типов испытаний на усталость. Тип испытания, подлежащего оценке, и величина нагрузки будут зависеть от продукта и рабочей среды, в которой будет использоваться испытуемый образец.

• Испытание на усталость при изгибе с вращением
  Испытания для оценки того, может ли вращающийся вал выдерживать собственный вес и т. д.
• Испытание на усталость при растяжении и сжатии
  Испытание материалов на растяжение или сжатие
• Испытание на усталость в гигациклах
  Испытание на разрушение путем приложения низкого напряжения 10 раз
• Испытание на усталость при плоском изгибе
  Испытания для оценки прочности стальных листов при изгибающих нагрузках.
• Испытания на термическую усталость
  Испытания на многократное нагревание и охлаждение с фиксированным смещением
• Испытания на крутильную усталость
  Испытания, в которых к образцу многократно прикладывается крутящий момент
• Ультразвуковые испытания на усталость
  Испытания, в которых образцы подвергаются вибрации под действием ультразвуковых волн
• Испытания на усталость под внутренним давлением
  Испытание для оценки долговечности среды под давлением путем увеличения давления в образце.
• Испытание на распространение усталостных трещин
  Испытание на усталость для оценки скорости роста усталостных трещин

Испытание на усталость при кручении необходимо для автомобильных валов, поскольку они подвергаются повторяющейся крутильной нагрузке. Кроме того, существует два типа испытаний на усталость при растяжении-сжатии: испытание на многоцикловую усталость, при котором нагрузке подвергается вся поверхность образца, и испытание на малоцикловую усталость, при котором нагрузка прикладывается только к областям, где сосредоточено напряжение, таким как ступеньки.

Для изделий, которые могут подвергаться локальному напряжению, рекомендуется проводить оба испытания.

Другая информация об испытаниях на усталость

Предыстория испытаний на усталость

Предыстория испытаний на усталость заключается в том, что «металлы не всегда разрушаются только тогда, когда они подвергаются сильным нагрузкам». Машины и конструкции часто ломаются из-за «повторяющейся нагрузки», при которой сила прикладывается периодически, что, как говорят, составляет около 80% времени.

Если испытание на усталость не используется для правильной оценки, могут возникнуть серьезные аварии. Например, считается, что «несчастный случай с опрокидыванием американских горок ExpoLand» в 2007 году был вызван разрушением из-за усталости осей.

Чтобы предотвратить такую ​​ситуацию, важно проводить испытания на усталость, соответствующие материалу и использованию продукта, а также рассчитывать верхний предел напряжения (допустимое напряжение), которое может быть использовано для материала.