Lågcykel trötthet

Lågcykelutmattning (LCF) har två grundläggande egenskaper: plastisk deformation i varje cykel; och lågcykelfenomen, där materialen har ändlig uthållighet för denna typ av belastning. Termen cykel hänvisar till upprepade appliceringar av stress som leder till eventuell trötthet och misslyckande; lågcykel avser en lång period mellan applikationerna.

Studier i trötthet har fokuserat på huvudsakligen två områden: storleksdesign inom flygteknik och energiproduktion med hjälp av avancerade beräkningsmetoder. LCF-resultatet gör det möjligt för oss att studera materialets beteende i större djup för att bättre förstå de komplexa mekaniska och metallurgiska fenomenen ( sprickutbredning , arbetsmjukning, spänningskoncentration, arbetshärdning , etc.).

Historia

Vanliga faktorer som har tillskrivits low-cycle fatigue (LCF) är höga stressnivåer och ett lågt antal cykler till fel. Många studier har utförts, särskilt under de senaste 50 åren på metaller och förhållandet mellan temperatur , stress och antal cykler till fel. Tester används för att rita en SN-kurva , och det har visat sig att antalet cykler till fel minskade med ökande temperatur. Omfattande tester skulle dock ha varit för kostsamma så forskare använde sig främst av finita elementanalys med hjälp av datorprogram.

En graf som jämför antalet cykler med fel för låg cykelutmattning och hög cykelutmattning.

Genom många experiment har det visat sig att egenskaper hos ett material kan förändras till följd av LCF. Frakturduktiliteten tenderar att minska, med storleken beroende på förekomsten av små sprickor till att börja med . För att utföra dessa tester användes i allmänhet en elektrohydraulisk servostyrd testmaskin, eftersom den inte kan ändra spänningsamplituden . Det upptäcktes också att utmattningstester med låg cykel på prover med hål som redan borrats i dem var mer mottagliga för sprickutbredning och därmed en större minskning av sprickans duktilitet. Detta var sant trots de små hålstorlekarna, från 40 till 200 μm.

Egenskaper

När en komponent utsätts för låg cykelutmattning deformeras den plastiskt upprepade gånger. Till exempel, om en del skulle belastas i spänning tills den var permanent deformerad (plastiskt deformerad), skulle det betraktas som en halv cykel av lågcykelutmattning, eller LCF. För att slutföra en hel cykel skulle delen behöva deformeras tillbaka till sin ursprungliga form. Antalet LCF-cykler som en del kan motstå innan de går sönder är mycket lägre än för vanlig trötthet.

Detta tillstånd med hög cyklisk belastning är ofta resultatet av extrema driftsförhållanden, såsom höga temperaturförändringar. Termiska spänningar som härrör från en expansion eller sammandragning av material kan förvärra belastningsförhållandena på en del och LCF-egenskaper kan spela in.

Mekanik

En vanlig ekvation som beskriver beteendet hos lågcykelutmattning är Coffin-Manson-relationen (publicerad av LF Coffin 1954 och SS Manson 1953):

${\frac {\Delta \varepsilon _{p}}{2}}=\varepsilon _{f} '(2N)^{c}+{\frac {\varsigma _{f}'(2N)^{b}}{E}}$

var,

• Δε _p /2 är den plastiska töjningsamplituden;
• εf ' är en empirisk konstant känd som utmattningsduktilitetskoefficienten definierad _av töjningsavsnittet vid 2N =1;
• 2 N är antalet återföringar till fel ( N cykler);
• c är en empirisk konstant känd som utmattningsduktilitetsexponenten , vanligtvis från -0,5 till -0,7. Litet c resulterar i lång utmattningslivslängd.
• b är en empirisk konstant känd som utmattningssprödhetsexponenten .

Den första halvan av ekvationen indikerar plastområdet och den andra halvan av ekvationen indikerar elastiskt område.

Anmärkningsvärda misslyckanden

En anmärkningsvärd händelse där misslyckandet var ett resultat av LCF var jordbävningen i Northridge 1994 . Många byggnader och broar kollapsade och som ett resultat skadades över 9 000 människor. Forskare vid University of Southern California analyserade huvudområdena i en tiovåningsbyggnad som utsattes för lågcykelutmattning. Tyvärr fanns det begränsade experimentella data tillgängliga för att direkt konstruera en SN-kurva för lågcykelutmattning, så det mesta av analysen bestod av att plotta högcykelutmattningsbeteendet på en SN-kurva och förlänga linjen för den grafen för att skapa delen av lågcykelutmattningskurvan med Palmgren-Miner-metoden. I slutändan användes dessa data för att mer exakt förutsäga och analysera liknande typer av skador som den tio våningar höga stålbyggnaden i Northridge stod inför.

O'Higgins Tower med 21 våningar kollapsade delvis i Concepción . Jordbävningen 2010 i Chile orsakade utmattningsfel i strukturella element.

En annan nyare händelse var jordbävningen i Chile 2010 , där flera forskare från University of Chile gjorde rapporter om flera armerade betongkonstruktioner som skadats i hela landet av den seismiska händelsen. Många strukturella element som balkar, väggar och pelare misslyckades på grund av utmattning, vilket exponerade stålförstärkningarna som används i designen med tydliga tecken på längsgående buckling . Denna händelse gjorde att chilenska seismiska designstandarder uppdaterades baserat på observationer av skadade strukturer orsakade av jordbävningen.