Вимоги до втомної міцності при екструзії алюмінію?

Втомне руйнування часто з'являється без попередження. Багато покупців зосереджуються на границі текучості і не звертають уваги на втому. Ця прогалина призводить до тріщин, простоїв і високих витрат на заміну.

Втомна міцність при екструзії алюмінію залежить від сплаву, відпуску, якості поверхні та характеру навантаження. У більшості промислових застосувань втомна міцність набагато нижча, ніж статична міцність, і її необхідно перевіряти на ранніх стадіях проектування.

Багато проектів зазнають невдачі не тому, що алюміній слабкий, а тому, що ігнорується поведінка втоми. Розуміння втоми на ранніх стадіях допомагає уникнути перепроектування, затримок і ризиків для безпеки.

Яка типова втомна міцність для екструзій?

Втомна міцність не є єдиним фіксованим числом. Вона змінюється залежно від сплаву, загартування, обробки поверхні та циклів навантажень. Проектувальники часто очікують чіткого значення, але алюміній не поводиться так, як сталь при втомі.

Типова втомна міцність при екструзії алюмінію коливається від 30 МПа до 100 МПа при 10 мільйонах циклів, залежно від сплаву та відпуску. Справжньої межі витривалості для алюмінію не існує.

Це означає, що втомні пошкодження продовжують наростати зі збільшенням кількості циклів, навіть при низькому навантаженні.

Чому алюміній не має межі витривалості

Сталь часто має пласку криву втоми. Нижче певної межі напруження вона може витримувати нескінченні цикли. Алюміній поводиться інакше.

Для алюмінієвих екструзій:

• Кожен цикл стресу спричиняє невеликі пошкодження
• Мікротріщини з часом повільно збільшуються
• Поломка може статися навіть при невеликому навантаженні

Це робить кількість циклів критично важливою.

Типові діапазони втоми за сімейством сплавів

Нижче наведено загальне порівняння, яке використовувалося в ранньому дизайні. Це не гарантовані значення. Вони допомагають лише для скринінгу.

Стан поверхні може зменшити ці показники на 20 і більше відсотків.

Роль якості екструзії

Втома починається зі слабких місць. В екструзії до них часто відносяться:

• Лінії висікання
• Поверхневі подряпини
• Гострі кути
• Зварювальні шви в порожнистих профілях

Хороша конструкція штампа і контроль процесу зменшують ці ризики. У багатьох випадках гладкі поверхні покращують втомну довговічність більше, ніж збільшення товщини стінок.

Коефіцієнт напруги має значення

Втомна міцність залежить від співвідношення напружень. Повністю реверсивне навантаження є більш сильним, ніж односпрямоване.

Дизайнери повинні визначити:

• Максимальне навантаження
• Мінімальний стрес
• Середній стрес

Ігнорування цього призводить до небезпечних припущень.

Помилки раннього проектування, яких слід уникати

Багато покупців просять лише звіт про міцність на розрив. Це не дає змоги передбачити втомну довговічність. Міцність від втоми зазвичай набагато нижча за межу текучості.

Як циклічність навантаження впливає на термін служби екструзії?

Втомне руйнування спричинене багаторазовим навантаженням, а не одноразовим перевантаженням. Багато екструзій виходять з ладу під навантаженнями, набагато нижчими за номінальну міцність, через циклічність.

Циклічне навантаження скорочує термін служби екструзії, створюючи мікротріщини, які ростуть з кожним циклом, поки не відбудеться раптове руйнування. Більша кількість циклів і діапазони навантажень різко скорочують термін служби.

Розуміння структури навантаження важливіше, ніж пікове навантаження.

Що вважається циклом

Цикл - це одна повна зміна навантаження. Це включає в себе

• Запуск і зупинка машин
• Вібрація від вітру
• Теплове розширення і стиснення
• Повторне піднімання або переміщення

Навіть невеликі перепади стресу мають значення.

Основи S-N кривої

Поведінка втоми показана за допомогою S-N кривої:

• S = амплітуда напруги
• N = кількість циклів до відмови

Для алюмінію:

• Високе навантаження призводить до швидкого виходу з ладу
• Низький рівень стресу веде до довгого життя, але не нескінченного

Дизайнери часто орієнтуються на певний термін служби, наприклад, 2 мільйони або 10 мільйонів циклів.

Багатоциклова та малоциклова втома

Існує дві поширені зони втоми.

Малоциклова втома

• Високий рівень стресу
• Пластична деформація
• Зазвичай менше 100 000 циклів
• Поширені при сейсмічних або ударних навантаженнях

Багатоциклова втома

• Зниження стресу
• Пружна деформація
• Мільйони циклів
• Поширені в рамах і опорах машин

Більшість алюмінієвих екструдерів працюють в умовах багатоциклової втоми.

Напрямок навантаження та форма профілю

Екструзії краще справляються з втомою, коли:

• Шляхи навантаження плавні
• Навантаження розподіляється рівномірно
• Раптової зміни розділів не відбувається

Поганий дизайн включає в себе:

• Гострі насічки
• Тонкі павутинки біля отворів
• Різка зміна товщини

Практичні коригування дизайну

Для продовження терміну служби втоми:

• Збільшити радіус філе
• Уникайте гострих кутів
• Використовуйте рівномірну товщину стінок
• Зменшити концентрацію стресу

Невеликі зміни геометрії часто подвоюють втомну довговічність.

Приховані джерела циклічності

Деякі покупці враховують лише механічне навантаження. Вони забувають:

• Температурні цикли
• Напруга при монтажі
• Залишкове напруження після рихтування

Вони поєднуються зі службовими навантаженнями.

Реальна модель відмови

Втомні тріщини часто починаються тихо. Вони ростуть повільно. Потім руйнування відбувається раптово. Часто немає ніяких видимих попереджень до остаточного розриву.

Які сплави мають вищу втомну стійкість?

Не всі алюмінієві сплави поводяться однаково при втомі. Вибір сплаву має сильний вплив на термін служби.

Сплави серій 6000 і 7000 мають кращу втомну стійкість, ніж серія 3000, а 6061-T6 і 6082-T6 є загальним збалансованим вибором для екструзії.

Однак міцність сама по собі не гарантує стійкість до втоми.

Чому важлива хімія сплавів

Від цього залежить стійкість до втоми:

• Зернова структура
• Загартовування опадами
• Контроль домішок

Сплави, що піддаються термічній обробці, зазвичай працюють краще.

Порівняння поширених екструзійних сплавів

Чому 6061-T6 широко використовується

6061-T6 часто вибирають тому, що:

• Стабільні дані про втому
• Хороша оброблюваність
• Прийнятна корозійна стійкість
• Широкий вибір постачальників

Він не найсильніший, але передбачуваний.

Роль темпераменту

Темперамент змінює втомлюваність.

• T5: охолоджений після екструзії, менша втома
• T6: розчин оброблений і витриманий, вища втомлюваність

Модернізація відпуску може підвищити втомну міцність без зміни профілю.

Зварювальний вплив

Зварювання різко знижує втомну міцність.

• Зони, що зазнали термічного впливу, пом'якшуються
• Зміни мікроструктури
• Тріщини часто починаються біля зварних швів

Проектувальники повинні уникати зварювання в зонах високої втоми або локально збільшувати розмір перерізу.

Ефекти обробки поверхні

Деякі методи лікування допомагають, інші - шкодять.

• Анодування: може дещо зменшити втому, якщо воно товсте
• Дробове зміцнення: може покращити втому
• Полірування: зменшує втому

Контроль поверхні має вирішальне значення.

Компроміс між витратами та втомою

Сплави з підвищеною втомлюваністю коштують дорожче. Але вартість заміни та простої часто обходяться дорожче, ніж оновлення матеріалу.

Чи існують стандарти для випробувань на втомну міцність?

Випробування на втому повинні відповідати стандартам. Без стандартних методів дані не можна порівнювати або довіряти їм.

Так, випробування на втому під час екструзії алюмінію регламентуються стандартами ASTM, ISO та EN, які визначають форму зразка, контроль навантаження та підрахунок циклів.

Ці стандарти керують як тестуванням, так і валідацією дизайну.

Чому стандарти мають значення

Дані про втому широко варіюються. Стандарти гарантують:

• Повторне тестування
• Порівняльні результати
• Чітке визначення навантаження

Покупці завжди повинні запитувати, який стандарт був використаний.

Загальні стандарти втоми

Нижче наведені найпоширеніші джерела.

Зразок у порівнянні з реальним профілем

Стандартні випробування використовують гладкі зразки. Реальні екструзії включають в себе:

• Кути
• Дірки
• Зварювальні шви

Це означає, що реальна втомна міцність часто нижча за тестові значення.

Тестування компонентів

Для критично важливих проектів рекомендується тестування компонентів.

• Використовує реальний профіль
• Включає зварні шви та з'єднання
• Відображає реальний стресовий стан

Це часто зустрічається в транспорті та важкому машинобудуванні.

Фактори безпеки

Стандарти проектування застосовують коефіцієнти безпеки від втоми. Ці коефіцієнти враховують:

• Виробнича варіація
• Пошкодження поверхні
• Невизначеність навантаження

Ігнорування факторів безпеки призводить до передчасного виходу з ладу.

Контрольний список покупця

Переглядаючи дані про втому, завжди підтверджуйте їх:

• Коефіцієнт навантаження, що використовується
• Цільовий показник кількості циклів
• Визначення несправності
• Геометрія зразка

У багатьох специфікаціях ці деталі відсутні.

Коди проектування vs дані про матеріали

Дані про втому матеріалу підтримують розрахункові норми. Норми проектування контролюють кінцеве допустиме напруження.

Інженери повинні дотримуватися проектного кодексу, а не тільки даних постачальника.

Висновок

Втомна міцність контролює довгострокову безпеку алюмінієвих екструзій. Вибір сплаву, якість поверхні, цикли навантаження і стандарти - все це має значення. Завчасне планування втомної міцності зменшує ризик відмов, витрати на переробку та час простою.