Изисквания за якост на умора на алуминиев екструдиран материал?

Отказът от умора често се появява без предупреждение. Много купувачи се фокусират върху границата на провлачване и пропускат умората. Този пропуск води до пукнатини, престой и високи разходи за подмяна.

Устойчивостта на умора при екструдиране на алуминий зависи от сплавта, темперамента, качеството на повърхността и модела на натоварване. При повечето промишлени приложения якостта на умора е много по-ниска от статичната якост и трябва да се провери още в началото на проектирането.

Много проекти се провалят не защото алуминият е слаб, а защото се пренебрегва поведението при умора. Ранното разбиране на умората помага да се избегнат препроектиране, закъснения и рискове за безопасността.

Каква е типичната якост на умора за екструдирани изделия?

Якостта на умора не е едно фиксирано число. Тя се променя в зависимост от сплавта, закалката, обработката на повърхността и циклите на натоварване. Конструкторите често очакват ясна стойност, но алуминият не се държи като стоманата при умора.

Типичната якост на умора при екструдиране на алуминий варира от 30 MPa до 100 MPa при 10 милиона цикъла в зависимост от сплавта и темперамента. За алуминия не съществува истинска граница на издръжливост.

Това означава, че повредите от умора продължават да нарастват с увеличаването на циклите, дори и при ниско напрежение.

Защо алуминият няма граница на издръжливост

Стоманата често показва плоска крива на умора. Под границата на напрежението тя може да издържи безкрайно много цикли. Алуминият не се държи по този начин.

За алуминиеви профили:

• Всеки цикъл на стрес причинява малки повреди
• Микропукнатините нарастват бавно с течение на времето
• Повреда може да настъпи дори при ниско напрежение

Това прави броя на циклите критичен.

Типични диапазони на умора по семейства сплави

По-долу е представено общо сравнение, използвано в началото на проектирането. Това не са гарантирани стойности. Те помагат само за проверка.

Състоянието на повърхността може да доведе до намаляване на тези стойности с 20 или повече процента.

Роля на качеството на екструдиране

Умората започва в слабите места. При екструдирането те често включват:

• Линии за умиране
• Повърхностни драскотини
• Остри ъгли
• Заваръчни шевове в кухи профили

Добрият дизайн на матрицата и контролът на процеса намаляват тези рискове. В много случаи гладките повърхности подобряват живота при умора повече, отколкото увеличаването на дебелината на стената.

Коефициентът на напрежението е от значение

Якостта на умора зависи от съотношението на напреженията. Напълно обърнатото натоварване е по-тежко от еднопосочното натоварване.

Дизайнерите трябва да определят:

• Максимално напрежение
• Минимално напрежение
• Среден стрес

Пренебрегването на това води до опасни предположения.

Грешка при ранното проектиране, която трябва да се избягва

Много купувачи искат само доклади за якостта на опън. Това не позволява да се предвиди животът при умора. Якостта на умора обикновено е много по-ниска от якостта на провлачане.

Как се отразява цикличното натоварване върху продължителността на живота на екструдирането?

Отказът от умора се дължи на многократно натоварване, а не на еднократно претоварване. Много екструдирани изделия се разрушават при натоварвания, които са много по-ниски от номиналната им якост, поради циклично движение.

Цикличното натоварване намалява продължителността на живота на екструдирането чрез създаване на микропукнатини, които нарастват с всеки цикъл, докато не се стигне до внезапно счупване. По-големите цикли и диапазони на натоварване рязко скъсяват живота.

Разбирането на моделите на натоварване е по-важно от пиковото натоварване.

Какво се счита за цикъл

Един цикъл е една пълна смяна на товара. Това включва:

• Пускане и спиране на машини
• Вибрации от вятъра
• Топлинно разширение и свиване
• Повтарящо се повдигане или движение

Дори малките промени в стреса имат значение.

Основи на S-N кривата

Поведението при умора е показано с крива S-N:

• S = амплитуда на напрежението
• N = брой цикли до разрушаване

За алуминий:

• Високото напрежение води до бърза повреда
• Ниското напрежение води до дълъг живот, но не и до безкрайност

Проектантите често се насочват към определен срок на експлоатация, например 2 милиона или 10 милиона цикъла.

Умора при висок и нисък цикъл

Съществуват две общи зони на умора.

Умора при нисък цикъл

• Силен стрес
• Пластична деформация
• Цикли обикновено под 100 000
• Често срещани при сеизмични или ударни натоварвания

Умора при висок цикъл

• По-нисък стрес
• Еластична деформация
• Милиони цикли
• Често срещани в рамките и опорите на машините

Повечето алуминиеви екструдирани изделия работят при високоциклична умора.

Посока на натоварване и форма на профила

Екструзиите се справят по-добре с умората, когато:

• Пътищата на натоварване са гладки
• Напрежението е равномерно разпределено
• Няма внезапна промяна на секцията

Лошият дизайн включва:

• Остри вдлъбнатини
• Тънки мрежи в близост до дупки
• Рязка промяна на дебелината

Практически корекции на дизайна

За удължаване на живота при умора:

• Увеличаване на радиуса на филето
• Избягвайте острите ъгли
• Използвайте еднаква дебелина на стената
• Намаляване на концентрацията на стрес

Малките промени в геометрията често удвояват живота на умора.

Скрити източници за колоездене

Някои купувачи вземат предвид само механичното натоварване. Те забравят:

• Температурни цикли
• Напрежение при сглобяване
• Остатъчно напрежение от изправяне

Те се комбинират с натоварвания от услуги.

Модел на реална повреда

Пукнатините от умора често започват безшумно. Те растат бавно. След това повредата настъпва внезапно. Често няма видимо предупреждение до окончателното счупване.

Кои сплави са по-устойчиви на умора?

Не всички алуминиеви сплави се държат еднакво при умора. Изборът на сплав има силно влияние върху експлоатационния живот.

Сплавите от сериите 6000 и 7000 предлагат по-добра устойчивост на умора от тези от серия 3000, като 6061-T6 и 6082-T6 са често срещани балансирани варианти за екструдиране.

Въпреки това самата здравина не гарантира устойчивост на умора.

Защо химичният състав на сплавите е важен

Устойчивостта на умора зависи от:

• Структура на зърното
• Втвърдяване при утаяване
• Контрол на примесите

Термично обработваемите сплави обикновено се представят по-добре.

Сравнение на обичайните сплави за екструдиране

Защо 6061-T6 се използва широко

6061-T6 често се избира, защото:

• Стабилни данни за умората
• Добра обработваемост
• Приемлива устойчивост на корозия
• Широка наличност на доставчици

Той не е най-силният, но е предвидим.

Ролята на темперамента

Температурата променя поведението при умора.

• T5: охладен от екструдиране, по-ниска умора
• T6: обработен с разтвор и отлежал, по-висока умора

Подобряването на темперамента може да повиши якостта на умора без промяна на профила.

Въздействие на заваряването

Заваряването рязко намалява якостта на умора.

• Зоните с термично въздействие омекват
• Промени в микроструктурата
• Пукнатините често започват в близост до заварките

Конструкторите трябва да избягват заваряване в зоните с висока умора или да увеличат размера на сечението на място.

Ефекти от обработката на повърхността

Някои лечения помагат, други вредят.

• Анодиране: може леко да намали умората, ако е дебело
• Шот пининг: може да подобри умората
• Полиране: подобрява умората

Контролът на повърхността е от решаващо значение.

Компромис между разходите и умората

Сплавите с по-висока умора струват повече. Но разходите за подмяна и престой често са по-скъпи от обновяването на материала.

Съществуват ли стандарти за изпитване на якостта на умора?

Изпитването на умора трябва да следва стандартите. Без стандартни методи данните не могат да бъдат сравнявани или надеждни.

Да, изпитването на умора на алуминиеви екструдирани изделия е обхванато от стандартите ASTM, ISO и EN, които определят формата на образците, контрола на натоварването и отчитането на циклите.

Тези стандарти ръководят както изпитването, така и валидирането на дизайна.

Защо стандартите са важни

Данните за умората варират в широки граници. Стандартите гарантират:

• Повтарящо се изпитване
• Сравними резултати
• Ясно дефиниране на товара

Купувачите винаги трябва да питат кой стандарт е използван.

Общи стандарти за умора

По-долу са представени широко използвани препратки.

Образец спрямо реален профил

При стандартните изпитвания се използват гладки образци. Истинските екструдирани образци включват:

• Ъгли
• Отвори
• Заваръчни шевове

Това означава, че реалната якост на умора често е по-ниска от изпитвателните стойности.

Тестване на компоненти

За критични проекти се препоръчва тестване на компоненти.

• Използва реален профил
• Включва заварки и съединения
• Отразява реалното състояние на стрес

Това е често срещано явление в транспорта и тежките машини.

Фактори за безопасност

Стандартите за проектиране прилагат коефициенти на безопасност при умора. Те отчитат:

• Вариации в производството
• Повреди по повърхността
• Несигурност на натоварването

Пренебрегването на факторите за безопасност води до преждевременна повреда.

Контролен списък на купувача

Когато преглеждате данни за умора, винаги потвърждавайте:

• Използвано съотношение на натоварване
• Цел на броя на циклите
• Определение за неуспех
• Геометрия на образеца

В много информационни листове тези данни се пропускат.

Кодове за проектиране срещу данни за материалите

Данните за умората на материалите подпомагат кодовете за проектиране. Нормите за проектиране контролират крайното допустимо напрежение.

Инженерите трябва да следват кода за проектиране, а не само данните на доставчика.

Заключение

Устойчивостта на умора контролира дългосрочната безопасност на алуминиевите екструдирани изделия. Изборът на сплав, качеството на повърхността, циклите на натоварване и стандартите са от значение. Ранното планиране на умората намалява риска от повреда, разходите за препроектиране и времето за престой.