Усталость материала - NiNa.Az

Усталость материала (англ. fatigue of materials) — деградация механических свойств материала в результате постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений с образованием и развитием трещин, что обуславливает его за определённое время. Такой вид разрушения называют усталостным разрушением.

Характерный усталостный излом

Явление уменьшения прочности деталей машин под действием циклической нагрузки было обнаружено ещё в середине XIX века. Это послужило основанием создания нового направления науки о прочности материалов и конструкций, получившем название «физика усталости материалов».

История

Первым исследованием, где рассматривается вопрос усталости материала, считают работу ^[англ.], опубликованную в 1838. Термин «усталость» явно принадлежит Ф. Брейтуэйту (англ. Frederick Braithwaite (1854), хотя Понселе ещё в 1839 году в своих лекциях в военной школе Меца характеризовал состояние металлов после циклических нагрузок как «усталость».

В 1858—1870-х годах немецкий инженер ^[англ.] начал систематические исследования усталости материалов, посвященные преимущественно изучению усталости осей железнодорожного транспорта. В частности он изучил условия эксплуатации этих деталей, создал оборудование, которое позволяло воспроизводить в лабораторных условиях эксплуатационные режим их работы, и построил кривые усталости исследованных материалов.

В 1880-х годах И. Баушингер (эффект Баушингера) установил изменение предела упругости материалов при повторно-переменной нагрузке и доказал отличие процессов деформирования при статических и циклических нагрузках, а также обнаружил петли гистерезиса на диаграмме деформирования в координатах «напряжение-деформация».

В 1903-м Джеймс Альфред Юинг и Д. Хэмфри обнаружили наличие на поверхности образцов, подвергавшихся воздействию переменных нагрузок, так называемых полос скольжения, и установили, что они являются предпосылкой появления трещин усталости в металлах. Дальнейшие исследования показали, что возникновение полос сдвига при напряжениях, значительно более низких, чем предел текучести, связано со структурной неоднородностью металлов, которая приводит к значительным деформациям отдельных локальных объёмов материала, а также — что при циклической нагрузке происходит локализация процесса пластического деформирования, на поверхности образца часто наблюдается возникновение выступающих (экструзия) и вдавленных (интрузия) участков материала. На субмикроструктурном уровне механизмы, приводящие к возникновению усталостных трещин, рассматривают с использованием представлений теории дислокаций.

В начале XX века опубликованы первые в Российской империи исследования по усталости материалов, авторами которых были ученые М. и К. Симинский.

В первой половине XX века изучены феноменологические закономерности накопления усталостного повреждения в материалах и сформулированы гипотезы суммирования повреждений, которые позволяют прогнозировать долговечность при переменных амплитудах, обоснованы методы повышения сопротивления усталостному разрушению за счет инициирования в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия, начато исследование кинетики развития усталостных трещин и работы по созданию методов оценки предельного состояния тел с трещинами.

Интенсивное развитие исследования усталости материалов получили в 1945—1960-х годах в связи с усталостными поломками авиационных конструкций, прежде всего имевших катастрофические последствия (катастрофы первых реактивных гражданских самолётов «Комета», 1954). Тогда же были подробно исследованы закономерности рассеяния данных экспериментального определения предела выносливости и количества циклов до разрушения материалов и созданы методы их учёта при проектировании машин и конструкций, сформулированы основные представления о разрушении при малоцикловой нагрузке, развиты новые подходы к оценке долговечности материалов и конструкций, когда за основу прогноза разрушения брали не напряжение, а деформацию, в частности её пластическую составляющую.

В 1961 году ^[англ.] предложил уравнение, которое связывает скорость развития усталостной трещины с величиной коэффициента интенсивности напряжений. На основе этих и других критериев механики разрушения выполнен значительный объём исследований, в результате чего установлены основные закономерности развития усталостных трещин с учётом всего комплекса факторов, имеющих место в условиях эксплуатации.

Разновидности усталости

Термин «усталость» применяется для обозначения определяющего фактора вида в виде неожиданного внезапного разделения детали или элемента машины на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок или деформаций. Разрушение происходит путём зарождения и распространения трещины, которая становится его причиной по достижении некоторого критического размера и становится неустойчивой и быстро увеличивается. Количество циклов нагружения, при котором наступает разрушение, зависит от уровня действующего напряжения — с увеличением переменных напряжений уменьшается количество циклов, необходимых для зарождения и развития трещины. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Когда величины нагрузок и перемещений такие, что разрушение происходит более чем через 10 000 циклов, явление обычно называется многоцикловой усталостью. Когда же величины нагрузок и перемещений такие, что разрушение происходит меньше чем за 10 000 циклов, явление называется .

Когда циклические нагрузки и деформации возникают в деталях в результате действия циклически переменного температурного поля, явление обычно называется термической усталостью.

Разрушение, носящее название поверхностная усталость, обычно происходит при наличии вращающихся контактирующих поверхностей. Проявляется оно в виде питтинга, растрескивания и крошения контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине у поверхности возникают максимальные по величине циклические касательные напряжения. Эти напряжения приводят к возникновению трещин, выходящих на поверхность, при этом некоторые частицы материала отделяются. Это явление часто может рассматриваться как разновидность износа.

Фреттинг-усталость — процесс накопления повреждений и срабатывание материалов поверхностей, контактирующих и совершающих колебательные относительные перемещения с малой амплитудой под действием циклической нагрузки, которое вызывает переменные деформации сдвига поверхностных слоёв, схватывания и отделения частиц, появление оксидов, ускоренное образование трещин, и разрушения объекта. Поверхностные повреждения и микротрещины, появляющиеся в результате фреттинга играют роль зародышей усталостных трещин, в результате роста которых усталостное разрушение происходит при таких нагрузках, которые в других условиях не вызывали бы разрушения.

Ударная усталость наблюдается, когда разрушение происходит при повторном воздействии ударных нагрузок вследствие образования и распространения усталостных трещин.

Коррозионная усталость представляет собой сложный вид разрушения, при котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и знакопеременного нагрузки, приводящие к разрушению. В процессе коррозии на поверхности металла часто образуются ямки, которые становятся концентраторами напряжений. В результате концентрации напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того, трещины в хрупком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных трещин, распространяющихся в основной металл. С другой стороны, в результате действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и отслаивание продуктов коррозии, то есть открывается доступ коррозионной среды к новым слоям металла. Таким образом, оба процесса ускоряют друг друга, и опасность разрушения возрастает.

Характеристики усталости материала

Диаграмма Вёллера: по горизонтальной оси отложено количество циклов нагружения, по вертикальной напряжение разрушения.

Номинальные значения максимальных напряжений в условиях переменного нагружения меньше предела прочности и в основном меньше предела текучести материала. Свойство материала работать в условиях циклических нагрузок характеризуется границей выносливости — максимальным по абсолютному значению напряжением цикла, при котором ещё не происходит разрушения от усталости в течение заданного количества циклов нагружения, которую называют базой испытаний (N₀). Её величина зависит от структуры и дефектов материала, технологии изготовления и обработки, состояния поверхности, среды и температуры испытаний, концентрации напряжений, размеров образца, режима приложения нагрузки и так далее, и может изменяться (при самых неблагоприятных условиях уменьшаться в 5-10 раз по сравнению с пределом прочности материала). Эти особенности вызывают значительные сложности при проектировании машин и конструкций в связи с необходимостью исключения их усталостных поломок. Как показывает практика, 50-80 % поломок машин и конструкций связаны с усталостью материала.

Способность материала противостоять разрушению при напряжениях, переменных во времени, называется выносливостью.

Основные характеристики сопротивления усталости определяют из кривой усталости, характеризующей зависимость между максимальными напряжениями или амплитудами цикла и циклической долговечностью образцов. Графическое представление полученной зависимости между амплитудами напряжений цикла и числом циклов до разрушения называют кривой усталости или диаграммой (кривой) Веллера (Август Веллер ^[англ.] , немецкий инженер).

В общем кривую усталости, которая описывает зависимость между максимальными напряжениями и количеством циклов до разрушения N_р, можно разделить на три участка. На участке I разрушение происходит в результате направленной пластической деформации до величины предельной деформации, которая примерно равна предельной деформации при статической нагрузке. На участке II разрушение происходит после относительно небольшого количества циклов нагрузки (N _р ≤ 2⋅10 ⁴ циклов) и рост усталостной трещины сопровождается существенными пластическими деформациями. Такой вид разрушения называется разрушением от малоцикловой усталости. На участках II и III разрушение происходит вследствие зарождения и развития усталостной трещины. На изломе, как правило, можно выделить два участка: мелковолокнистого строения, которая характерна для роста усталостной трещины, и крупнозернистый участок окончательного разрушения.

На участке III материал разрушается после большого количества циклов нагрузки незначительной амплитуды. В связи с этим участок II называют участком малоцикловой усталости; III — участком многоцикловой усталости, или просто усталости.

При испытании некоторых материалов, в частности углеродных сталей при комнатной температуре, правый участок зависимости направляется к горизонтальной линии (N_р>10⁷ циклов).

Под циклической долговечностью понимают количество циклов напряжений или деформации, выдерживающих объектом при нагрузке до предельного состояния (образование усталостной трещины определённой длины или полного разрушения).

Если приложения нагрузок к материалу носит периодический характер, то совокупность всех значений напряжений, возникающих в материале, называют . На сопротивление усталости в основном влияют минимальные (σ_min) и максимальные (σ_max) напряжения цикла и ${\displaystyle \left({\frac {|\sigma _{max}-\sigma _{min}|}{2}}\right)}$. Отношение минимального напряжения цикла к максимальному с учётом знаков напряжений называется коэффициентом асимметрии цикла и обозначается буквой r

${\displaystyle r={\frac {\sigma _{min}}{\sigma _{max}}}}$ .

Тогда при симметричном цикле коэффициент асимметрии будет равняться −1, а предел выносливости в условиях растяжения-сжатия будет называться σ₋₁, а в условиях кручения τ_−1.

Испытания на усталость

Основная статья:

Испытания на усталость — испытание на действие циклической нагрузки объекта для определения характеристик сопротивления усталости .

При испытании на усталость определяют предел выносливости. Для определения предела выносливости строят кривые усталости. При этом испытывают не менее десяти образцов для одного уровня нагрузки. Кривые усталости строят в полулогарифмических или логарифмических координатах.

Существуют различные схемы испытаний: изгиб, кручение, растяжение, сжатие. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении цилиндрического образца, при котором один изгибающий цикл соответствует одному обороту.

Подходы к изучению усталости

Проблему усталости материалов изучают специалисты в области механики, физики, химии, инженерных наук и тому подобное. Их исследования направлены как на изучение природы усталостного разрушения материалов и построение соответствующих теорий, так и на создание методов проектирования машин и конструкций, исключающих появление их поломок от усталости в процессе эксплуатации.

Науку об усталости материалов можно разделить по подходам к изучению на:

• Методы, основанные на напряжениях ( — усталость материала, при которой усталостное разрушение происходит без заметного накопления деформаций, главным образом за упругой деформации).
• Методы, основанные на деформациях ( — это усталость материала, при которой усталостное разрушение происходит в основном при упруго-пластическом деформировании).
• Методы, основанные на энергии деформации.
• Методы, основанные на коэффициенте интенсивности напряжений (механика разрушения).

Предотвращение усталостного разрушения

Основным методом предотвращения усталостного разрушения является модификация конструкции механизма с целью исключения циклических нагрузок, либо замена материалов на менее склонные к усталостному разрушению. Значительное увеличение выносливости даёт химико-термическая обработка металлов, например, поверхностное азотирование^{[источник не указан 1666 дней]}.

Газотермическое напыление, особенно высокоскоростное газопламенное напыление, создаёт напряжение сжатия в покрытии материала и способствует снижению склонности деталей к усталостному разрушению^{[источник не указан 1666 дней]}.

Некоторые известные катастрофы, связанные с усталостным разрушением

• Версальская железнодорожная катастрофа — произошла 8 мая 1842 года. Изначальной причиной послужил излом оси паровоза. Погибло около 55 человек, в том числе и известный исследователь Жюль-Сезар Дюмон-Дюрвиль со своей семьёй. Одна из крупнейших железнодорожных катастроф XIX века. Последующее расследование показало всю важность исследований усталости материалов от постоянных циклических нагрузок.
• 1919 — Затопление Бостона патокой.
• 1954 — Крушения самолётов De Havilland Comet.
• 1972 — Катастрофа Ан-10 под Харьковом.
• 1977 — Обрушение пешеходного моста на станции Пушкино.
• 1988 — Происшествие с Boeing 737 над Кахулуи.
• 1989 — Катастрофа DC-10 в Су-Сити.
• 1992 — авиакатастрофа в Амстердаме.
• 1998 — Крушение ICE у Эшеде.
• 2009 — Авария на Саяно-Шушенской ГЭС.
• 2018 — Авария Boeing 737 на маршруте Нью-Йорк—Даллас.

См. также

• Усталостная прочность
• Предел выносливости
• Алгоритм Любачевского — Стилинжера, который в ряде случаев позволяет моделировать микроструктуру усталостных дефектов

Примечание

1. Albert, W. A. J. Über Treibseile am Harz // Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, 1838, vol. 10, P 215—234.
2. Schutz, W. (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics. 54 (2): 263–300. doi:10.1016/0013-7944(95)00178-6.
3. Braithwaite, F. (1854). On the fatigue and consequent fracture of metals. Institution of Civil Engineers, Minutes of Proceedings. 13 (1854): 463–467. doi:10.1680/imotp.1854.23960. Архивировано 9 августа 2019. Дата обращения: 30 апреля 2021.
4. Ewing J.A., Humfrey J.C.W. Trans. roy. roc (London) (A). Vol. 200, P.241, 1903.
5. Ewing J.A., Rosenhain W. Trans. roy. soc (London) (A). Vol. 193, P. 353, 1900.
6. Gough H.J., Hanson D. Proc. roy. soc (London) (A). Vol. 104, 1923.
7. Бесхмельніцина М. М. Воропаєв Михайло Олексійович // Усталость материала // Енциклопедія сучасної України : [укр.] : у 30 т. / НАН України, Наукове товариство ім. Шевченка, Институт энциклопедических исследований НАН Украины. — Київ, 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X.
8. Трощенко В. Т. Втома матеріалів Архивная копия от 22 апреля 2016 на Wayback Machine //Усталость материала // Енциклопедія сучасної України : [укр.] : у 30 т. / НАН України, Наукове товариство ім. Шевченка, Институт энциклопедических исследований НАН Украины. — Київ, 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X.
9. Paris Paul C; et al. (1961). A rational analytic theory of fatigue (PDF). The Trend in Engineering. 13 (1): 9–14. Дата обращения: 15 июня 2017. {{cite journal}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)
10. Lutz Diana. Paul C. Paris, pioneer of fracture mechanics, honored for his work  (неопр.). Washington University in St. Louis. Washington University in St. Louis. Дата обращения: 15 июня 2017. Архивировано 9 августа 2019 года.
11. ДСТУ 2444-94 Розрахунки та випробування на міцність. Опір при втомі. Терміни та визначення.
12. ДСТУ 3830-98 Корозія металів і сплавів. Терміни та визначення основних понять.
13. ДСТУ 2825-94 Розрахунки та випробування на міцність. Терміни та визначення основних понять.
14. ДСТУ 2824-94 Розрахунки та випробування на міцність. Види і методи механічних випробувань. Терміни та визначення.
15. ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.
16. Discussion in 1879 book of the Versailles accident  (неопр.). Дата обращения: 19 декабря 2020. Архивировано 16 апреля 2007 года.
17. Sohn Emily. Why the Great Molasses Flood Was So Deadly (англ.). The History Channel. A&E Television Networks (15 января 2019). Дата обращения: 16 января 2019. Архивировано 16 января 2021 года.
18. ObjectWiki: Fuselage of de Havilland Comet Airliner G-ALYP  (неопр.). Science Museum (24 сентября 2009). Дата обращения: 9 октября 2009. Архивировано 7 января 2009 года.
19. Катастрофа Ан-10А Украинского УГА в районе Харькова  (неопр.). airdisaster.ru. Дата обращения: 4 ноября 2012. Архивировано 4 октября 2012 года.
20. Марк Коган: «Первая трещина»  (неопр.). Дата обращения: 19 декабря 2020. Архивировано 4 августа 2021 года.
21. Aircraft Accident Report, Aloha Airlines Flight 243, Boeing 737-100, N73711, Near Maui, Hawaii, April 28, 1998  (неопр.). National Transportation Safety Board (14 июня 1989). Дата обращения: 5 февраля 2016. Архивировано 20 января 2021 года.
22. Описание происшествия на Aviation Safety Network
23. Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe. Архивная копия от 14 апреля 2021 на Wayback Machine In: Süddeutsche Zeitung, 2. Juni 2008.
24. Кудрявый В. В. Системные причины аварий // Гидротехническое строительство. — 2013. — № 2. Архивировано 22 января 2021 года.
25. Mandatory Inspection On All Boeing 737 Engines Following Southwest Incident - Airways Magazine. Airways Magazine (англ.). 18 апреля 2018. Архивировано 19 апреля 2018. Дата обращения: 18 апреля 2018.

Источники

• Выносливость (сопротивлении материалов) — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Усталость материалов — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Сопротивление материалов. Учебник / Г. С. Писаренко, А. Л. Цветок, Е. С. Уманский. Под ред. Г. С. Писаренко — М .: Высшая школа, 1993. — 655 с. ISBN 5-11-004083-4
• Механика разрушения сварных конструкций: Курс лекций. Для студентов специальности 7.092301 всех форм обучения / Составитель: Ясной П. В. — Тернополь : ТГТУ, 2006. — 100 с.
• Хейвуд Р. Проектирование с учётом усталости / Пер. с англ. М .: Машиностроение, 1969. — 504 с.
• Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. К .: Наукова думка, 1973. — 216 с.
• Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1974. — 344 с.
• Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Г. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. — М .: Машиностроение, 1975. — 488 с.
• Трощенко В. Т. деформирования и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. — К .: Наукова думка, 1981. — 344 с.
• Панасюк В. В. и др. Механика разрушения и прочность материалов. Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. — К.: Наукова думка, 1990. — 679 с. — ISBN 5-12-000489-X