Усталость металла что это такое?

«Усталость металла»: как обнаружить и предотвратить

Так, в 1842 г. неподалеку от Версаля переполненный пассажирский состав с французами, возвращавшимися с дворцового праздника, сошел с рельсов и загорелся из-за того, что в локомотиве сломалась ось. Именно тогда французы отказались от практики запирать железнодорожные вагоны, а ученые начали всесторонне исследовать причину возникшей проблемы. Инженерам, металлургам, материаловедам лишь предстояло понять и сформулировать, что такое усталость металлов и сплавов и от чего она зависит.

Испытание на усталость металла

Постепенно было замечено, что разрушения происходят в случаях, когда металлическое изделие подвергается либо многочисленным повторным нагрузкам (в сочетании с разгрузками) либо нагрузкам в противоположных направлениях. Например, поочередные сжатия и растяжения, повторные изгибы в разные стороны и т.п. Для выяснения причин этих тревожных явлений было решено изучить вопрос пригодности железа как материала для постройки мостов. Наблюдавшиеся поломки можно было объяснить двумя причинами. Либо прочность металла имеет свойство падать вне зависимости от условий его эксплуатации (это стало бы настоящей катастрофой для активно развивающегося промышленного производства!), либо разрушение вызывается многократной сменой напряжений.

Чтобы решить, какая из догадок была верна, исследователи провели следующий опыт. Несколько чугунных стержней были нагружены до напряжений, еще не вызывающих разрушения, но уже очень близких к таковым (напомним, что чугун – достаточно хрупкий материал, который разрушается без остаточной деформации). В нагруженном состоянии стержни были оставлены на четыре года. По прошествии этого срока оказалось, что образцы не разрушены. Следовательно, первое предположение естествоиспытателей являлось ошибочным. Затем были поставлены опыты с изломом чугунных балок под действием падающего на них груза. При каждом ударе измерялся полученный балкой прогиб. Выяснилось, что при прогибе, равном половине того прогиба, который дает излом балки от однократного удара, образец ломался после 4 тыс. ударов. А вот при прогибе, равном одной трети прогиба излома, балка выдерживала значительно больше, чем 4 тыс. ударов.

Таким образом, была доказана опасность повторных напряжений, которые достигают по величине половины от однократно ломающих металл. Чтобы исключить решающую роль вибраций, которые неизбежно сопровождают каждый удар, провели и опыты со спокойно действующей повторной нагрузкой – они привели к тем же результатам. Целый ряд систематических исследований, проведенных впоследствии, доказал внешнюю, механическую картину разрушений от повторных нагрузок. Эти разрушения пришлось приписать новому свойству металлов. Как и живому организму, им оказалось присуща способность испытывать усталость.

Впервые термин «усталость металла» употребил в 1854 г. физик, английский ученый Фридрик Брейтуэйт в своем труде «Об усталости и последующем разрушении металлов».

Усталость металла в действии

Сейчас изучением усталостных напряжений в конструкциях и деталях машин занимается специальное направление механики — сопромат (или сопротивление материалов). Согласно современным формулировкам, усталость металла – это ослабление материала, вызванное циклической нагрузкой. Она приводит как к локализованным, так и к прогрессирующим повреждениям структуры металла и росту трещин. Как только усталостная трещина появляется, каждый следующий цикл напряжения способствует ее увеличению. При этом на некоторых участках, которые разрушаются, появляются характерные выпуклости. Сама же трещина продолжает расти, пока не достигнет критического для материала размера. После чего стремительно распространяется, вызывая полное разрушение структуры изделия. При этом, обратное усталости свойство называется «выносливость металла», т.е. способность материала переносить повторные нагрузки и не разрушаться.

Чтобы до конца понять, что такое усталость металла, и оценить всю серьезность этого свойства материала, нужно указать на одну характерную сторону прогресса в машиностроении. С каждым годом скорости машинрастут. Вместе с ними растет и число переменных напряжений, которые «суждено» испытать механизмам за весь срок ее эксплуатации. В свою очередь, вместе с ростом переменных напряжений чрезвычайно быстро возрастает и риск разрушения конструкции от усталости и негативных последствий возможной поломки.

Стоит вспомнить аварию на Саяно-Шушенской ГЭС, которую по социальным и экономическим последствиям сравнивали с аварией на Чернобыльской АЭС. Эта техногенная катастрофа на р. Енисей произошла в 2009 г. и до сих пор считается крупнейшей поломкой в истории гидроэнергетики, повлекшей за собой человеческие жертвы, инфраструктурный ущерб и серьезное загрязнение акватории реки. В результате аварии погибло 75 человек, здание станции и технологическое оборудование было затоплено и практически разрушено, а производство электроэнергии остановлено. Перебои со связью и отсутствие информации о состоянии плотины вызвали панику у местных жителей, которые начали спонтанную эвакуацию в населенные пункты выше по течению Енисея. Нормальная жизнь и энергетическая безопасность региона были серьезно нарушены. Для восстановления Саяно-Шушенской ГЭС потребовалось целых пять лет. В выводах Ростехнадзора о причинах аварии фигурируют именно усталостные повреждения узлов креплений, удерживающих крышку турбины гидроэлектростанции.

Как определить усталость металла?

Несмотря на то, что усталость – это свойство, присущее самой природе металла, подобные катастрофы, вызванные усталостным напряжением, сейчас случаются редко. Дело в том, что законы усталости уже хорошо изучены. Это позволяет вести с ней организованную борьбу в конструктивном, технологическом и металлургическом направлениях. Но для начала поговорим о том, как можно определить, что металл начинает уставать. Для этого существует несколько методов:

  • Визуальный контроль. Выявление трещин или других деформаций
  • Прослушивание. Поврежденный металл издает специфический стук
  • Ультразвуковой контроль и радиологическое исследование (рентген). В этом смысле диагностика металлической конструкции и человеческого тела очень схожи
  • Флуоресцентные пигменты. Они делают трещины видимыми.
  • Магнитные порошки. Применяются для деталей, изготовленных из железа.

Отдельно оговоримся, что если металл находится в среде, оказывающей вредное разъедающее действие или, иначе говоря, в коррозионной среде, он ведет себя особым образом. Коррозия значительно способствует распространению усталостной трещины, которая при этом может зарождаться при меньших напряжениях, а углубляться ускоренными темпами. Возникает так называемая коррозионная усталость металла. Защиту от нее дают всевозможные поверхностные покрытия — от окраски до гальванизации.

Как бороться с усталостью металла?

Конструктивные меры борьбы с усталостью заключаются в придании деталям таких форм, при которых отсутствуют острые или мало закругленные входящие углы, резкие переходы сечений, выточки малого радиуса и т.п. В противном случае возникает опасность резкой концентрации напряжений. Часто для устранения конструктивных ошибок достаточно просто увеличить размеры детали. Это снизит напряжение и будет препятствовать превышению предела усталости.

Технологические меры борьбы с усталостью зачастую сводятся к правильной технологической обработке деталей. К примеру, в деталях из высокопрочной стали в первую очередь обращается внимание на шлифовку поверхности. При этом неправильная сборка конструкций также способна создать опасные переменные напряжения.

Нельзя забывать и о металлургической линии борьбы с поломками от усталости. Центрами, из которых начинается усталостная трещина, могут являться посторонние включения, встречающиеся в металле из-за загрязнения при его отливке (например, шлаковые включения). Однако, отметим, что на современном этапе развития отрасли ведущие металлургические предприятия целенаправленно работают как над повышением чистоты металла, так и над усовершенствованием химического состава и процессов термообработки выпускаемых продуктов.

В результате инженеры и строители сейчас имеют дело с принципиально иными, более прочными сортами стали. Им все еще знакома усталость, но критические поломки металлических конструкций и деталей из-за усталостного напряжения практически сведены к минимуму.

Усталость металла. Что это?

Усталость металла­ ослабленное состояние, вызываемое в металлических деталях машин, транспортных средств или конструкций, которые подвергаются напряжениям или нагрузкам, что в конечном итоге приводит к разрушению под напряжением.

Хотя этот термин восходит к 19-му веку, и хотя тогда и в первой половине 20-го века было проведено значительное наблюдение за этим явлением, только благодаря впечатляющему разрушению кабины под давлением на британских лайнерах «Comet» в 1954 году он получил широкое инженерное внимание.

Читайте также  Лопнул радиатор охлаждения что делать?

В 1970-х годах многое еще предстояло узнать об усталости металла, но эмпирические методы оказались эффективными в его преодолении. Были разработаны устойчивые к усталости металлы, и их рабочие характеристики были улучшены за счет обработки поверхности, в то время, как усталостные напряжения были значительно снижены в самолетах и ​​в других применениях, благодаря разработке, чтобы избежать концентрации напряжений. Масштабные испытания опытных образцов и новые методы испытаний, в том числе металлургический микроскоп, также были использованы.

Усталость в технике – это проявление прогрессирующего разрушения в твердом теле при циклической нагрузке, как в случае металлической полосы, которая разрывается после многократного изгиба назад и вперед. Усталостное разрушение начинается с одной или нескольких трещин на поверхности, которые распространяются внутрь в ходе многократного приложения усилий, пока внезапно не произойдет полный разрыв, когда маленькая незатронутая часть слишком слаба, чтобы выдержать нагрузку. Конструкционные и машинные детали, подверженные вибрации и другим циклическим нагрузкам, должны быть спроектированы так, чтобы избежать усталостного разрушения.

Термин «усталостная конструкция» является неправильным, что означает оценку существующей конструкции на предмет вероятности усталостного разрушения. Возможность выхода из строя из-за усталости металла является лишь одним из факторов, которые необходимо учитывать при проектировании инженерного компонента или конструкции. Обычно усталостное поведение проверяется только после принятия базовых проектных решений. Есть много успешных структур, которые были разработаны без какого-либо особого внимания к возможности усталостного разрушения. Оценка усталости иногда показывает, что первоначальный дизайн должен быть изменен, чтобы гарантировать, что продукт работает так, как требуется для его предполагаемого срока службы.

За последние полтора столетия было много изучено о проблеме усталости металла. Из нечастых катастрофических усталостных разрушений металлов в конструкциях и деталях можно утверждать, что проблема более не является серьезной. Обычно можно найти четкие объяснения основных сбоев, в том числе человеческие ошибки. Тем не менее, небольшие усталостные разрушения металла, часто не распознаваемые, если только специалист по усталости их не замечает, представляют собой обычную и дорогостоящую неприятность. Общее понимание опасностей усталости металла значительно возросло. По большому счету проблема может быть сдержана, если не решена, но цена – вечная бдительность.

Как обнаружить усталость металла?

Все металлы в конечном итоге деформируются, особенно когда они испытывают большие нагрузки, как при полёте самолёта. Эта деформация называется металлическим напряжением или усталостью и является важной частью технического обслуживания.

Вот несколько способов, с помощью которых специалисты должны определять усталость металла:

Визуальный осмотр: сегодня методы определения усталости металла являются гораздо более сложными и неразрушающими по большей части. Тем не менее, визуальный осмотр все еще может быть одним из инструментов для обнаружения трещин или других разрывов металла.
Слуховой осмотр: часто стук может дать подсказку, что усталость металла на горизонте. Однако требуется проницательный и опытный специалист, чтобы обнаружить потенциальную проблему таким образом.
Ультразвук: очень высокие частоты могут быть использованы для обнаружения трещин внутри материалов. Этот метод является неразрушающим методом диагностики металла, который получил свое начало в медицинской сфере.
Радиология: рентгеновские лучи и другие виды рентгенографии могут быть использованы для обнаружения подповерхностных трещин, не причиняя вреда. Используя этот неразрушающий метод, радиограф мог бы удерживать слабый источник излучения, прикрепленный к полюсу, в течение всего времени воздействия на части испытуемой плоскости.
Видимые красители: этот метод использует флуоресцентные красители для обнаружения поверхностных трещин.
Магнитные порошки: наконец, этот метод работает только на деталях на основе железа.

Наша компания «Стиллар» предлагает высококачественный металлопрокат по выгодным ценам в Киеве. Возможна доставка по всей Украине. Также удобный сервис для Вас: резка металла газом, отрезным кругом, гильотиной и плазменная резка на станках с ЧПУ. Приглашаем Вас к сотрудничеству.

Усталость металла что это такое?

Что замок, что харчевня – все тщета,

И все растопчет времени пята,

Под этой ногой не устоит

Ни зданье, ни железо, ни гранит.

Человек устает, и это нас не удивляет. Силы металла тоже ограничены. Но если человек может устать при выполнении любой работы, то «усталость» металла – это его реакция на вполне определенный вид нагружения – многократно повторяющееся приложение нагрузки одного и того же или противоположных знаков. Как же проявляется усталость в неживом материале? Вначале он пластически деформируется, а затем разрушается. Но ведь то же самое происходит при обычном нагружении?

Как будто и события те же и составляющие его элементы- пластическая деформация, микротрещины, разрушение- почти такие же. Однако явление это серьезно отличается от разрушения, вызванного действием однократно приложенной нагрузки. Попробуем, читатель, хотя бы поверхностно разобраться в этом вопросе.

Прежде всего металлы окружающего нас мира испытывают постоянные воздействия пульсирующих нагрузок. Железный каркас здания принимает на себя беспрерывную микроскопическую вибрацию почвы – ведь по земле, никогда не перекращаясь, струится поток слабых упругих волн. Это результат сейсмической активности нашей планеты. Корпус цеха с металлообрабатывающими станками также все время находится в состоянии вибрации. Станина станка из-за контакта резца с деталью дрожит. Вибрируют двигатели, корпуса самолетов, машины. Ясно, что эти колебания должны влиять на состояние металла. Вот только как? Иной раз трагически – самолеты разваливаются в воздухе. Рельсы, многократно прогибающиеся под тяжестью железнодорожных составов, лопаются. Оси, несущие мощные маховики и колеса, под действием рабочей нагрузки и несбалансированной центробежной силы изгибаются поочередно в различных направлениях и ломаются. А это страшное зрелище – подпрыгивающее на шоссе оторвавшееся колесо тяжелого грузовика. Итак, усталость, почти следует Шекспиру: «Повторность изменяет лик вещей» и порой проявляется драматически.

Каковы же внешние особенности явления усталости с позиции механики? Прежде всего усталостное разрушение протекает с участием пластической деформации, но масштабы ее очень невелики в сравнении с одноразовым разрушением. Особенно опасная черта усталостного разрушения- это способность начинаться и протекать при напряжениях, намного меньших, чем предел прочности или текучести. По существу, напряжения эти не выходят из упругих рамок, но циклическое нагружение так эффективно использует их, что «с успехом» разрушает материал. В случаях, когда напряжения эти значительны, усталостное разрушение наступает раньше. Но если напряжения очень малы, это тоже «не пугает» усталость. Просто для гибели нужно большее число циклов. Металл как бы располагает некоторым моторесурсом – долговечностью. Он способен выдержать определенное число циклов приложения нагрузки. И это число снижается с увеличением приложенных напряжений, что в общем естественно. Ведь усталость человека тоже зависит от тяжести выполненной работы. Чем она больше, тем быстрее мы «сдаем». Но, конечно, масштабы усталости металлов иные. При разумном приложении внешнего на-гружения сталь способна выдерживать десятки миллионов актов нагружения. Например, рессора автомобиля! Какое огромное число колебаний она должна «вытерпеть»- на каждом камешке и неровности, чтобы обеспечить безопасность и комфорт движения. А разнообразные клапаны в двигателе, работающие непрерывно,

да еще при высокой температуре! Таким образом, процесс усталости развивается за счет того, что невысокие напряжения как бы «компенсируются» многоразовым приложением нагрузки. Это и ведет к утомлению и «одряхлению» металла. Не следует думать, что устают только отдельные непрочные металлы. Нет! Это явление общее и подчиняет себе любую, даже сверхпрочную сталь!

Если механические, так сказать внешние особенности протекания усталости достаточно ясны, то с физическим механизмом процесса дело куда сложнее. Начнем с пластической деформации. Отличительной особенностью пластического течения при усталости является его сосредоточенность в меньшем объеме, чем при одноразовом нагружении. И в том, и в другом случаях механизм пластической деформации дислокационный, однако, вместо появления все большего числа линий скольжения при обычном деформировании усталость сопровождается образованием ограниченного количества линий скольжения с последующим их расширением. Это общая фундаментальная закономерность усталости – высокая неоднородность всех процессов по сечению металла. Усталость- процесс, способный «выбирать» самые слабые звенья прочности и сосредоточивать на них свои подтачивающие усилия. При этом свойства основного массива металла могут быть и не затронуты разрушением. Приведем некоторые примеры «коварства» избирательности усталостного разрушения.

Читайте также  Пищит ремень генератора что делать?

Прежде всего оказывается, что концентрация напряжений при усталости ведет к охрупчиванию металла гораздо быстрее, чем в условиях обычного нагружения. При многоцикловом нагружении металл становится более чувствительным к самым разнообразным концентраторам: дефектам на поверхности, надрезам любых видов и сортов, участкам коррозии.

В частности, такими концентраторами всегда являются неметаллические включения. Но при усталости они становятся подлинно опасными, потому что многоцикловое нагружение сразу же сосредоточивает пластическую деформацию вокруг включений и уже на ранних стадиях, когда основной металл еще здоров, зарождает на включении микротрещину. Этому способствует и то, что со временем включение, которое после выплавки металла было прочно «вклеено» в матрицу, отрывается от нее – теряет связь с металлом; концентрация напряжений сра-

зу возрастает и вероятность протекания скольжения и микроразрушения вокруг включения резко увеличивается.

Эта неоднородность деформирования по сечению «утомляющегося» металла и ведет к тому, что общая энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию циклично нагружаемого металла, меньше, чем при обычном деформировании. Вот и получается, что неоднородность и избирательность разрушения «спасают» металл в целом и от деформации, и от разрушения. Но все же в его объеме найдутся одно-два слабых места – пожива для процесса усталости. Таким образом, металл может быть выведен из строя сосредоточенным разрушением на считанных участках, уязвимых для зарождения усталостной трещины. Что касается общих мощнейших ресурсов прочности металла, то они остаются неиспользованными. В этом-то и опасность усталости, выискивающей в металле слабые звенья и обыгрывающей их.

В избирательности и заключается основная проблема обеспечения прочности металла, противопоставляемой возможной усталости. Металл должен быть равнопрочным во всей своей структуре. Но для реального металла это невозможно – он неоднороден от рождения. И потому, что он – поликристалл, и потому, что он – сплав, и потому, что в нем разбросаны разнообразнейшие примеси и дефекты. А следовательно, в нем изобилие слабых мест, которые безошибочно находит усталость. Ведь для разрушения достаточно лишь одного!

Каков физический механизм зарождения микроскопических трещин при циклическом нагружении? Прежде всего ими могут быть едва ли не все дислокационные механизмы, рассмотренные в первой главе. Но есть и специфические «усталостные» модели. Одной из них является схема, предложенная японским физиком Эиихи Фуд-зита. Когда в одной плоскости скольжения сближаются разноименные краевые дислокации, то у одной из них экстраплоскость находится вверху, а у другой – внизу. Естественно, что они соединяются и дислокации исчезают – аннигилируют. А теперь представьте себе те же дислокации, но на разных и очень близких плоскостях скольжения. У основания каждой из экстраплоскостей – пустое пространство, немного большее, чем между атомами в здоровой классической решетке. Эти пустоты двух разноименных дислокаций сливаются и образуют

зародыш микротрещины. Такой же процесс в этом же районе протекает и с объединением двух пар дислокаций. В результате многих подобных актов зародыш подрастает и становится устойчивым. В дальнейшем он увеличивается благодаря втеканию в него дислокаций с полосы скольжения. И, наконец, превращается в трещину. Фуд-зита очень остроумно использовал в дислокационной модели то, что усталость чувствительна к различным включениям и выделениям. Он допустил, что из-за многократного путешествия дислокаций по полосе скольжения туда и обратно – нагружение-то циклическое – происходит окисление материала в окрестностях линий скольжения. Читатель может спросить: а откуда же появляется кислород в середине металла? Ответить можно двояко. Во-первых, кислород и другие газы остаются в металле во время его выплавки. Во-вторых, линии скольжения выходят на поверхность металла, а уж там кислорода сколько угодно. И если этот вопрос снять, то гипотеза Фудзиты означает следующее: в полосе скольжения образуются оксиды. А частица оксида – это барьер для дислокаций. А отсюда, как нам хорошо известно, один шаг до трещины.

Есть много вариантов взаимодействия дислокаций, приводящих к возникновению точечных дефектов, называемых вакансиями. Не вызывает сомнения, что в процессе усталости в металле образуется большое количество вакансий. Это явление и порождает разнообразные гипотезы о скапливании вакансий и объединении их в поры или лакуны. Такие каверны могут стать источником разрушения. Простейшим вариантом превращения полости в трещину является ее «сплющивание» под действием внешнего нагружения.

Советские ученые И. А. Одинг и В. С. Иванова считают, что причины зарождения разрушения связаны с огромной энергией упругой деформации, возникающей в некоторых микрообъемах. Тогда первичное разрушение может «вспыхнуть», например, из-за обычного процесса плавления.

При усталости появляются некоторые эффекты, не встречающиеся в случае обычной деформации. Так, из циклически нагружаемого металла вытесняются тонкие пластинки материала прямо по плоскостям скольжения. Явление это называют экструзией. Известен и обратный процесс втягивания металла – интрузия. Вопрос об их

происхождении спорен. Тем не менее некоторые считают, что образование трещины может быть связано с ними.

Если подвести итоги наших представлений о природе усталости, то оказывается, что он еще не очень богат. Но бояться этого не надо. – «Ведь только мудрый человек способен сказать: «Я этого не знаю»… Ибо только мудрый может знать истинные пределы своих знаний»1.

В этом «нет» и своя прелесть – ведь столько интересного и неизведанного впереди. Конечно, границ для знаний нет. И те, кто сегодня сдает вступительные экзамены в вузы, в свой срок раздвинут границы познанного и решат свои задачи!

Не надо забывать, что проблема усталости – одна из самых важных в современной технике. Нет такой отрасли промышленности, где она не фигурировала бы как обнаженное зло, поражающее разнообразнейшие оси, огромные роторы, коленчатые валы двигателей, лопатки паровых, водяных и газовых турбин. А в авиации? Со времени серии аварий английских пассажирских самолетов «Комета» так называемая малоцикловая усталость – притча во языцех. И неудивительно. Все самолеты при подъеме на большую высоту претерпевают своего рода «раздутие» из-за того, что внутреннее давление воздуха остается почти тем же самым, а внешнее – резко падает. При посадке давления выравниваются. За время жизни самолета таких циклов несколько сотен. И так как в корпусе лайнера есть окна, люки, тысячи заклепок и другие концентраторы напряжений, то может возникнуть трещина, представляющая в этих условиях прямую угрозу жизни сотен пассажиров.

А что такое усталость для глубоководных подводных лодок? При погружении корпус корабля подвергается невероятному обжатию. При подъеме же на поверхность не только люди, но и вся лодка вздыхает с облегчением и расширяется. Повторенный многократно этот процесс тоже должен вызвать усталость металла. И может быть совсем не случайны слова в известной песне: «…когда усталая подлодка из глубины идет домой…» «Усталая» – только ли метафора?

Два последних примера подчеркивают важность и неотложность глубокого понимания всего, что связано

1 Крайтон Р. Тайна Санта-Виттории. – М.: Прогресс, 1970. С. 169.

с усталостью. И поскольку речь идет едва ли не о самых ответственных отраслях промышленности, в проблемы усталости, несомненно, будут вложены и средства, и способности ученых всего мира. А это, конечно же, приведет к решению в целом. Когда это произойдет, сказать трудно. Но, вероятно, в ближайшие десятилетия.

Усталость металла что это такое?

Усталость металлов и сплавов и её влияние на надежность оборудования.

Усталость – это такое неравновесно-напряженное состояние материала, при котором он уже неспособен сопротивляется накоплению в нем отрицательных остаточных явлений и противодействовать разрушающей силе меньшей предела прочности это го материала.

Читайте также  Шины m s что это значит?

F=const

F = 105дней

F1сопр F1прпр Основные виды усталсти.

Пороговая усталость – это такое состояние материала, при котором начинают появляться первые признаки необратимого неравномерно напряженного состояния.

Накопление усталости – это необратимый процесс (относительный) накопления неравновесно напряженного состояния, приводящего в дальнейшем к разрушению материала.

Накопленную усталость если она является не запредельной можно устранить с помощью термической обработки детали. Для этого детали нагревают до температуры 650-7500С, и выдерживают при этой температуре в течении часа. Затем медленно остужают вместе с печью в течении 5-6 часов. В результате такой термической обработке, называемой высокотемпературным отжигом, происходит рекристаллизация, то есть исчезновение старых кристаллов со следами деформации, и образование новых молодых кристаллов без всякой деформации.

Для того чтобы вернуть детали сходную износостойкость, надежность и долговечность необходимо повысить её твердость, для чего деталь подвергается закалке, поверхностной или объемной. А именно её нагревают до температуры 8500С, выдерживают при этой температуре 15-20 минут и резко охлаждают в воде или масло и материал приобретает высокую твердость

Предельно допустимая усталость – такая степень неравновесно напряженного состояния, которая не является причиной его разрушения и которая может быть устранена при помощи термической обработки.

Критическая усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он неспособен противодействовать разрушающей силе гораздо меньшей предела прочности этого материала

Полная усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он способен к саморазрушению, или разрушается под воздействием незначительной внешней силы, то есть при полной 100% усталости материал разрушается даже безх видимых причин. В таком состоянии материал омолодить при помощи термообработки невозможно, его возможно только переплативть.

Частичная усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он еще способен оказывать значительное сопротивление внутренним напряжениям или внешней разрушающей силе. При частичной усталости материала может быть возвращен в исходное состояние путем термической обработки.

Локальная усталость – это усталость материалав отдельных локальных зонах.

Общая усталость — это уталость материала по всему объему детили.

Обратимая усталость – это такая величина неравновесно напряженного состояния, которая может быть уменьшена или полностью устранена за счет улучшающих обработок.

Остаточная усталость – это частично сохраненная напряженное состояние в материале после проведения термической обработки.

Поскольку старение и усталость металлов и сплавов существенно снижают их прочность, то это в свою очередь приводит к преждевременному разрушению детали за счет образования усталостных трещин, тем самым снижает надежность, долговечность и безотказность оборудования.

Для того чтобы повысить долговечность и срок эксплуатации оборудования необходимо повысить технический ресурс детали или снизить скорость, интенсивность падения технического ресурса деталей и оборудования.

§ 7. Усталость металла

Постепенное и длительное разрушение металла в результате много­кратного (циклического) приложения переменной нагрузки называется усталостью металла.

Изучение усталости металла имеет практическое значение, так как большое количество деталей машин испытывает действие переменных напряжений. Опыт показывает, что детали, работающие а условиях пере­менных напряжений при достаточном числе колебаний нагрузок, разру­шаются при напряжениях, меньших предела прочности и даже предела упругости.

При разрушении деталей вследствие усталости в изломе наблюдаются две зоны (рис. 2). Одна зона представляет собой гладкую, как бы

притертую, поверхность; ее называют зоной разрушения вследствие усталости; другая представляет собой обычный кристаллический излом металла и называется зоной заключительного разрушения. Конфигурация н размеры зон могут быть различными.

Усталостное разрушение происходит без внешних признаков пластичес­кой деформации.При пластической деформации происходит сдвиг в кристал­ле по плоскостям скольжения (плоскостям легчайшего сдвига). Многократ­ность пластической деформации приводит к образованию микротрещин. Пластическая деформация искажает кристаллическую решетку. При этом упрочняются наиболее напряженные зерна аналогично тому, как при стати­ческом пластическом деформировании. В отдельных (дефектных) областях зерен повышенные напряжения могут привести к скольжению, создающему «разрыхления» по плоскостям скольжения.

Многократность переменного деформирования увеличивает число пунк­тов разрыхления вследствие сдвигов в одну и другую стороны. При разрыхле­нии зерно ослабляется и по линии сдвига возникает трещина усталости. Таким образом, при изломе вследствие усталости различают три фазы: упрочнение наиболее напряженных кристаллов; их разрыхление; развитие образовавшейся трещины.

Распространение микротрещины идет от одного слабого места к другому, ослабляя сечение детали. Когда трещина охватывает значительную часть сечения, быстро разрушается остальная часть ослабленной детали.

Микротрещины в отдельных разрозненных зернах неоднородны аналогич­но неоднородности структуры (неметаллическим включениям, порам и др.), поэтому их еще недостаточно для разрушения вследствие усталости. Для развития явления усталости необходимо, чтобы рядом находилось несколько зерен с трещиной усталой и. Следовательно, вероятность усталостного раз­рушения детали зависит от вероятности нахождения рядом нескольких зерен, в которых наряжения могут достичь значения, равного пределу хрупкой прочности. Очевидно, подобная вероятность увеличивается с увели­чением размеров детали, что подтверждается опытами, т. е. чем крупнее деталь, тем ниже предел усталости. Также, чем крупнее деталь, тем больше вероятность наличия слабых мест и дефектов.

Длительные испытания на усталость показывают, что существует опреде­ленное наряжение о», ниже которого металл выдерживает, не разрушаясь, неограниченное число перемен нагрузки (рис. 3). Это напряжение называет­ся пределом выносливости.

Микротрещины усталости могут зарождаться в местах воздействия коррозии, неметаллических включе­ний, усадочных раковин, царапин и рисок от резца, вследствие концентра­ции напряжений в этих местах.

Так как при изгибе и кручении наибо­льшее напряжение возникает на

поверхности детали, то здесь также часто появляются микротрещины ус­талости. Возможность появления тре- рис,2Зоны в изломе при усталостном

шин на поверхности детали вслед- разрушении

ствие наличия рисок, царапин кшпкчи ра ини напряжений при изгибе и кручении ука­зывает на зависимость сопротивления уста­лости от состояния поверхности (ее микро­геометрии). Исследования показывают, что чем выше качество обработки, тем выше предел выносливости. Причем наличие рисок Пот реэиа, острых надрезов снижает предел Рис. 3. Кривая усталости выносливости тем больше, чем больше

предел статической прочности.

На предел усталости существенно влияет наличие концентраторов напряжения (уступы, выточки, отверстия, борозды, царапины, резьба, углы, сварные швы и т, д.). Например, обычная резьба снижает предел усталости стержня из мягкой стали до 26%. Значительно снижают усталостную прочность царапины на поверхности, например, царапина нз поверхности цилиндрического стержня глубиной 0,07 мм уменьшает усталостную проч­ность на 40%.

Необходимо также учитывать влияние температуры па предел усталости. Так, при температурах от —40 до -J-200°C заметного изменения предела усталости не наблюдается. Однако для углеродистых сталей при температу­рах более + 200 °С предел усталости повышается вследствие увеличения пластичности и уменьшения возможности появления трегции (при-f375 “С предел усталости на 40% выше, чем при комнатной темнературс). При низких температурах предел выносливости падает.

Переменные напряжения вызывают разрушения при напряжениях, меньших предела прочности деталей и конструкций, изготовленных из металлов и неметаллических материалов. Так, изделия из древесины разрушаются в условиях переменного изгиба при напряжениях, примерно в

раза меньших предела прочности. Для изделий и конструкций, изготовлен­ных из полимеров, переменные напряжения также опасны и предел усталос­ти их ниже предела прочности. Однако неметаллические материалы обладают преимуществом перед металлами в смысле сопротивления усталостному разрушению .благодаря их коррозионной стойкости. Поэтому для неметаллов, работающих в коррозионной среде, отсутствует присущее металлам резкое падение предела усталости.