Кривая Вёлера / линия Вёлера

Кривая Вёлера указывает сумму выдерживаемых циклов нагружения вплоть до разрушения материала. Она определяется в процессе испытания на усталостную прочность при постоянной амплитуде нагрузки (также испытание Вёлера) по DIN 50100 и разделяется на зоны кратковременной прочности K, усталостной прочности Z и длительной прочности D .

Разграничение зон осуществляется посредством количества циклов нагружения N

Кратковременная прочность - 100-30.000 циклов нагружения
Усталостная прочность - ок. 2.000.000 циклов нагружения
Длительная прочность - до бесконечности

Из диаграммы Вёлера для определенной амплитуды нагружения можно считать максимальное количество смены нагружения. Оно зависит от характеристик материала, усилия и типа нагружения (нарастающее нагружение сжатия, нарастающее нагружение растяжения или знакопеременное нагружение).

Описание Кратковременная прочность Усталостная прочность Длительная прочность Программный инструмент Стандарты Испытательные машины

Кривая Вёлера гладкого образца (соотношение напряжения R = -1)

В нашем примере номинальная амплитуда напряжения S_a прикладывается логарифмически, как и частота колебаний N. При двойном логарифмическом отображении зона усталостной прочности представляет собой прямую. Полученная кривая обозначается как кривая Вёлера или линия Вёлера.

Кривая Вёлера с разделением на кратковременную прочность, усталостную прочность и длительную прочность

Описание кривой Вёлера:

R_m статическая прочность (здесь прочность при растяжении)
S_a номинальная амплитуда напряжения
S_aD длительная прочность
N выдерживаемое количество циклов нагружения
N_D количество циклов кромочного нагружения
N_G количество циклов пограничного нагружения
K кратковременная прочность / кратковременная вибропрочность
Z усталостная прочность / усталостная вибропрочность
D длительная прочность / длительная вибропрочность

Кратковременная прочность

Кратковременная прочность K или кратковременная вибропрочность - это зона примерно от 10⁴ до 10⁵ циклов нагружения.

Кратковременную прочность определяют в процессе испытания на малоцикловую усталость (Low Cycle Fatigue (LCF)). В этой зоне материалы и готовые изделия нагружаются так сильно, что в цикле возникают пластичные деформации и материал разрушается преждевременно. Для детального отображения часто используется модель Коффина-Мэнсона.

При нагружении, которое в пределах четверти циклов нагружения приводит к разрушению, имеется ввиду статическая прочность, которую также определяют в процессе испытания на растяжение.

Статическая прочность в кривой Вёлера (кратковременная прочность)

Усталостная прочность

Усталостная прочность Z или усталостная вибропрочность - это зона между 10⁴ и 2·10⁶ циклами нагружения (в зависимости от материала). Образец в зоне усталостной прочности всегда достигает критерия отказа (например, надрыв или разрушение).

Усталостную прочность определяют в процессе испытания на усталостную прочность или испытания на многоцикловую усталость (High Cycle Fatigue (HCF)). После испытания в качестве результата предлагается количество циклов нагружения при амплитуде нагружения.

Прямая усталостной прочности

При двойном логарифмическом отображении кривая Вёлера представляет собой практически прямую. Эта прямая (с наклоном -k) называется прямой усталостной прочности.

Кривая Вёлера с прямой усталостной прочности

Длительная прочность

Длительная прочность D (также длительная вибропрочность) (англ.: very high cycle fatigue, VHCF) обозначает предел нагружения, которое материал может выдержать при циклическом нагружении без существенных проявлений усталости или отказа.Длительная прочность определяется в процессе испытания на усталостную прочность.

В зоне длительной прочности регламентируется пограничное количество циклов нагружения N_G.Если образец разрушается до достижения этого пограничного количества циклов нагружения, то он обозначается как «отказ».

Расчет на длительную прочность дает значительно более низкие допустимые напряжения, чем при статической концепции.

Прохождение линии Вёлера в зоне длительной прочности делится на 3 типа:

Горизонтальное прохождение линии Вёлера:явно выраженная длительная прочность или долговременная прочность часто возникает у ферритовой стали
Дальнейший спад линии Вёлера с небольшим уклоном: часто возникает у аустенитной стали или алюминия.
После горизонтального (сначала) прохождения происходит спад линии Вёлера примерно при 10⁸ циклах нагружения: внутренние дефекты вызывают появление трещин под поверхностью

Кривые Вёлера с программным обеспечением testXpert

С помощью инструмента «Fatigue Data Evaluation» фирмы ZwickRoell рассчитываются кривые Вёлера на базе полученных результатов испытаний. Это позволяет сразу же получать характеристику в желательном формате.

Важные стандарты для определения кривой Вёлера

DIN 50100 - "испытание на вибропрочность - проведение и анализ циклических испытаний с постоянной амплитудой нагружения для металлических образцов и готовых изделий"
ASTM E466-15 - "Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials"
ISO 1099 - "металлические материалы - испытание на усталостную прочность - аксиальное испытание, регулируемое по усилию"
DIN EN 6072 - "авиация и космонавтика - металлические материалы - метод испытания - усталостное испытание с постоянной амплитудой"