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耐久性

耐久性是材料科学中使用的一个术语,指的是部件的计算使用寿命。耐久性是指材料和部件在计算的使用寿命内并考虑相关环境条件的情况下,承受静态、准静态和动态(反复或冲击)载荷而不损坏的能力。

耐久性测定方法可以是计算方法,也可以是测试结果。因此,耐久性是一门横截面的科学,包括载荷(机械和环境)、材料、生产和结构的相互作用。

动态应力几乎总是导致部件失效的原因。通常情况下,当载荷显著低于静态拉伸试验中观察到的失效载荷时,会发生失效。疲劳寿命是耐久性的一部分,指示材料在循环应力下的变形和失效行为。

可以使用S-N曲线,通过统计精度预测部件失效前能够在工作载荷下承受的循环数。

部件的耐久性

很多时候,开发人员设计部件不是为了抗疲劳,而是为了展示高耐久性。

为了测定部件的耐久性,必须考虑所有载荷类型,从静态蠕变载荷冲击载荷,再到恒定或变幅的循环载荷环境条件,如温度、降水量、压力,以及材料因腐蚀或老化而发生的变化,这些也要考虑。接下来的挑战是使用尽可能简单的试验来测定特性值,设计者可以在此基础上开发出可靠的部件。

这里的问题是受损过程非常复杂,实际上不能用一个参数来描述。损伤总是从内部缺陷或缺口产生的微裂纹形成开始,在这些缺陷或缺口处发生循环塑性变形。LCF试验旨在用于描述该过程。随后是裂纹扩展直至失效,对其采用断裂力学方法。

高周疲劳试验(也称为S-N试验)不区分裂纹萌生裂纹扩展。使用S-N曲线,通过损伤累积法(如Plamgren/Miner)很容易预测可变载荷幅下的使用寿命。

然而,尽管由于采用了最新的材料表征法,使所需的工作量大大减少,仍然需要进行部件验证试验。

如今,几乎所有的技术领域都要测试耐久性。耐久性具有一定的优势,尤其是在轻量化结构中。部件需要较少的材料,因此当它们的设计目的是耐久性而不是抗疲劳时,它们的质量更小些。比如,在汽车工业中,较轻的车辆需要较少的燃料,但较轻的结构还允许更高的承载能力。耐久性设计在一定程度上也满足了一个功能要求:设计成抗疲劳的飞机如果太重则不能飞行。

部件的开发

在操作过程中,试验机、系统或车辆的几乎每一个部件都会受到机械载荷的影响,从而随着时间的推移发生变化。开发人员的任务是创建一个在整个使用寿命内实现功能的产品。相比之下,通常要求开发时间短,采用轻量化结构和节约成本的生产。在疲劳试验中应用计算的使用寿命预估,这为部件的可靠性和经济性设计提供了支持。疲劳断裂力学还支持对裂纹扩展的描述。非破坏性试验的特性参数可以包含在产品开发中。

耐久性部件的目标是

  • 达到规定的使用寿命
  • 构成一个结构或整个系统的部件的可靠性
  • 在达到额定使用寿命(失效概率)前确保不出现故障或停机

耐久性的试验测定

部件的使用寿命不仅取决于载荷水平,还取决于载荷顺序。对于耐久性部件的设计,与操作相似的载荷-时间顺序(变幅载荷顺序)比单调载荷试验提供更可靠的使用寿命信息。

模拟试验

为了测试耐久性,应在试验台上尽可能准确地再现记录的载荷-时间信号的情况下进行模拟试验。试验台和部件的性能导致了这样一个事实:尽管有一个优化设置的控制器,实际信号与期望的设置值信号也不一致。为了改善模拟性能(设置值或目标信号与实际信号之间的对应关系),在迭代过程中改变设置值信号,直到实际信号与原始设置值信号对应为止。

使用标准化载荷顺序进行试验

标准化载荷顺序是从典型设计应用的大量具有代表性的操作载荷测量中得出的,并在国际上作为动态施加应力的部件的评估依据。

用于耐久性测定的相关产品

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