Усталость алюминия
Усталостное разрушение
Как и другие металлы, алюминий и его сплавы разрушаются при повторяющихся нагрузках при уровне напряжений значительно более низком, чем при статических нагрузках. Этот тип разрушения, который заключается в образовании трещин под воздействием переменных напряжений, известен как усталостное разрушение.
Эти переменные напряжения на практике могут вызываться переменными нагрузками, вибрацией или повторяющимися температурными изменениями. Направление, в котором распространяется усталостная трещина, является всегда перпендикулярным к линии воздействия напряжений, вызвавших трещину. Когда трещина растет, напряжения в оставшейся части поперечного сечения возрастает и соответственно возрастает и скорость роста трещины.
Наконец, достигается стадия, когда оставшаяся часть поперечного сечения уже не может выдерживать прилагаемые нагрузки и образец разрушается. Усталостные трещины очень трудно заметить, так как в отличие от испытания образца на разрыв отсутствуют видимое утонение образца в месте разрушения.
Цикл усталостного нагружения
Для описания напряженного состояния, приводящего к усталости, применяют следующих четыре основных параметра:
1) минимальное напряжение цикла, σмин;
2) максимальное напряжение цикла , σмакс;
3) среднее напряжение цикла, σm = (σмин + σмакс)/2;
4) амплитуда напряжения цикла, σa = (σмин – σмакс)/2.
Цикл напряжение является полностью определенным, если известны два любых параметра их этих четырех.
Влияние среднего напряжения цикла на усталостную прочность очень значительно: наложение на симметричный цикл дополнительных растягивающих напряжений снижает усталостную прочность, наложение сжимающих напряжений повышает еe.
Концентраторы напряжений
Усталостное сопротивление обычно значительно снижается при наличии локальных концентраторов напряжений, таких как острые канавки, резкое изменение толщины профиля или даже следы грубой механической обработки и царапины.
Особенное влияние на усталостную прочность эти дефекты поверхности и концентраторы напряжений оказывают, если они расположены поперек направления приложения напряжений. Они могут оказывать намного большее влияние на усталостную прочность, чем те различия, которые могут быть у различных сплавов или их различных обработок. Поэтому всегда ключевыми моментами для усталостной прочности конструкционных элементов являются их правильная форма и качество поверхности.
Кривая Веллера для алюминия
Обычная процедура усталостных испытаний заключается в испытании определенного количества образцов при различных уровнях амплитуды напряжения. При нанесении результатов испытаний на график напряжение-количество циклов до разрушения получают кривую усталости (рисунок 1). Ее также часто называют кривой Веллера и S-N диаграммой.
У сталей кривая усталости имеет плоский участок, определяющий предел усталости. При напряжениях ниже этого предела усталости материал никогда не разрушиться. Большинство алюминиевых сплавов, как и другие цветные металлы, не имеют такого предела (исключением могут быть только алюминиево-магниевые сплавы серии 5ххх), и кривая идет наклонно неопределенно долго. Поэтому для большинства алюминиевых сплавов всегда в результате циклического нагружения будет происходить разрушение, хотя в диапазоне больших значений долговечности наклон кривых становится небольшим.
Рисунок 1
Усталость алюминия
Для обозначения напряжения, при котором происходит разрушение алюминиевых сплавов (и большинства других цветных сплавов) используют термин усталостная прочность при заданной долговечности, который обозначают через σN. Термин усталостная прочность определяет амплитуду напряжения, при которой произойдет разрушение через заданное число циклов. Термин же предел усталости всегда соответствует бесконечной долговечности.
Данные о пределе прочности, пределе текучести и усталостной прочности некоторых алюминиевых сплавов в различных состояниях показаны в сравнении на рисунке 2.
Рисунок 2
Источник: TALAT 1501
