Усталость металла как процесс деформации

Что такое усталость металлов

Понятие «усталость металла» скрывает за собой неравновесно-напряженное состояние, из-за которого в материале накапливаются отрицательные остаточные явления. Кроме того, металл оказывается неспособен сопротивляться разрушающей силе ниже его предела прочности.

Появление статической усталости объясняется непрерывным продолжительным воздействием на предмет статичной нагрузки, которая меньше предела прочности металла.

Динамическая нагрузка, например, удары, вибрация, является знакопеременной, то есть при ней сжатие постоянно сменяется растяжением. При подобных процессах усталость металла наступает в короткие сроки и может классифицироваться как одноцикловая, малоцикловая и многоцикловая.

• Одноцикловая усталость металла – простыми словами это его разрушение в результате перехода в неравновесно-нагруженное состояние. Нагрузка оказывается единожды и равна либо превышает предел прочности материала.
• Малоцикловая усталость металла возникает из-за неравновесно-нагруженного состояния, вызывающего разрушение металла под действием нагрузки, соответствующей или немного превышающей предельный уровень его прочности. Количество нагружаемых циклов не превосходит 10 000.
• Многоцикловая усталость металла также является неравновесно-нагруженным состоянием, результатом которого становится разрушение металла при соответствующей либо превышающей предел прочности нагрузке. Количество циклов превышает 10 000.

История термина

В процессе развития транспорта инженеры стремились увеличить скорость его движения, однако это привело к увеличению частоты крушений. Дело в том, что ломались вагонные и паровозные оси, коленчатые валы на пароходах.

Подобная картина складывалась и на предприятиях, ведь и там важно было добиться, чтобы оборудование функционировало быстрее. Станки ускоряли за счет увеличения количества оборотов двигателя, что вскоре вызывало поломку деталей.

Специалисты пытались обнаружить причины аварий, качество металла изучалось в лабораторных условиях, но ничего выяснить не удавалось. Проверки показывали, что размеры элементов рассчитаны верно, использовался качественный металл, а детали имели хороший запас прочности.

Со временем инженеры обратили внимание на тот факт, что обычно из строя выходят компоненты механизмов, испытывающие на себе повторную переменную нагрузку. Допустим, именно такому воздействию подвергается шток в паровой машине: он крепится к шатуну, а тот приводит в движение коленчатый вал. В паровозе принцип примерно тот же, только ведущее колесо вращается благодаря работе кривошипа.

Поршень перемещается в цилиндре, из-за чего шток меняет направление движения. Сначала он испытывает на себе осевое сжатие, а потом растяжение, сопровождающееся изменением нагрузки на данный элемент.

Никто не мог понять, по какой причине повторяющаяся переменная нагрузка разрушает деталь, ведь с постоянной нагрузкой аналогичной величины материал может долго справляться.

Чтобы описать данный процесс, решили использовать усталость металла на фоне переменной нагрузки. Проблема лишь в том, что такое объяснение не несет в себе никакой информации. Кроме того, оно далеко от сути явления, поскольку усталость мышцы, сопровождающаяся снижением ее способности к сокращению, имеет более сложную природу, далекую от поломки металлического элемента.

Понятие «усталость» сохранилось в технике до сих пор, хотя уже известно, почему металл быстро разрушается при переменной нагрузке. По аналогии было введено понятие «выносливость металлов»: чем дольше изделие не «устает», тем более «выносливым» считается металл.

Если материал подвержен усталости, важно сформировать новые пределы напряжений, отказаться от имеющихся справочных материалов, опыта, накопившегося за годы инженерной работы.

Необходимо было доказать связь между выносливостью и повторяющимися переменными нагрузками, причем проверить способность металла к физической усталости можно было только опытным путем.

Всю вторую половину XIX века вопросы усталости и текучести металлов оставались одними из наиболее актуальных для технических обществ. Специалисты рассуждали о том, как колебания воздействуют на детали оборудования, корпусы морских судов.

Имена многих исследователей данной темы сейчас остаются неизвестным, поскольку мало у кого была возможность публиковать результаты своих опытов. До наших дней дошла информация только о ряде ученых, которые занимались определением сути усталости металлов.

Например, В. Альберт, горный инженер из Германии, стремился понять, почему обрывались подъемные цепи. В то время бадьи и клети опускались в шахту при помощи цепей, которые перебрасывали через шкив и накручивали на барабан специальной машины. На барабане звенья претерпевали изгибающую нагрузку, а при раскручивании цепи изгиб уступал место растяжению. Во время подъема груза процесс повторялся в обратном порядке.

Инженер понял, что причина обрыва кроется в частой перемене изгибания элементов цепи, пока она наматывается на барабан и огибает шкив. Чтобы доказать свое предположение, В. Альберт проводил опыты, до ста тысяч раз подвергая образцы изгибу. Далее он осматривал цепи, чтобы найти на звеньях трещины, сформировавшиеся из-за переменной нагрузки.

Аналогичные опыты с железными брусками в 1950-х годах проводили английские капитаны Г. Джеймс и Д. Гальтон. Они создали машину, чтобы быстро нагружать брус и снимать с него нагрузку.

Эти эксперименты вдохновили английского инженера В. Ферберна на изучение выносливости массивных железных балок, используемых при строительстве мостов. В 1960-х годах он работал с балками по 6-7 метров, при помощи рычагов оказывая и убирая нагрузку. Данный процесс сопровождался прогибом и выпрямлением изделия, а несколько сотен тысяч перемен нагрузки вызывали образование трещины.

Названные опыты носили бессистемный характер и не были представлены в широких технических кругах. На тот момент было сложно сказать, правда ли существует явление усталости металла либо трещины появлялись по случайному стечению обстоятельств.

Систематические исследования проводил механик из Германии А. Велер, несмотря на то, что он был выпускником коммерческого училища и работал чертежником на паровозном заводе, потом машинистом.

В 1847 году он устроился в Управление прусских железных дорог. Данный период в истории железнодорожного сообщения ознаменовался частыми авариями: ломались вагонные оси, выходили из строя детали паровозов, поезда сходили с рельсов. Это были серьезные проблемы как для промышленников, так и для правительственного технадзора.

Требовалось понять причины аварий, поэтому создали специальную постоянную комиссию, куда А. Велер вошел в качестве эксперта, долгое время работавшего с паровозами. Он проводил испытания металлов в лаборатории, сам изобретал машины, позволявшие подвергать образцы переменным растяжению, изгибу, скручиванию. Интересно, что современные ученые испытывают материалы на изгиб на оборудовании, разработанном А. Велером.

Его машины для испытаний на усталость металла отличались небольшими скоростями, из-за чего исследования длились годами. Так, станок для имитации переменного изгиба совершал за минуту всего 72 оборота, а один из образцов выдержал более 132 миллионов перемен нагрузки.

Тем не менее А. Велер смог доказать, что образцы из стали и железа разрушаются при повторной переменной нагрузке, которая в иных ситуациях оказывается допустимой. Деталь сможет справляться с ней в течение неограниченного отрезка времени, если подобная нагрузка остается в определенных границах, то есть не выходит за предел выносливости. Данную величину необходимо учитывать при создании проектов быстроходных паровозов и скоростных машин.

Опыты А. Велера в корне изменили представления об уровне нагрузки, которой можно подвергать вагонные оси, шатуны, штоки цилиндров, пр. Благодаря ему расчеты компонентов скоростных машин начали выполнять в соответствии с пределом выносливости, который устанавливали опытным путем.

Основные виды усталости металла

1. Пороговая усталость представляет собой состояние, при котором заметны первые признаки неравномерного напряжения, являющегося необратимым.
2. Накопление усталости является необратимым относительным процессом накопления неравновесно-напряженного состояния, в результате которого металл разрушается.

Накопленная усталость может быть устранена посредством высокотемпературного отжига, то есть термической обработки, если данное состояние не является запредельным. Металлические элементы доводят до +650…+750 °C, час выдерживают, после чего не вынимают из печи, а медленно остужают прямо в ней – на данный процесс уходит до шести часов. Так в металле происходит рекристаллизация, при которой кристаллы со следами деформации исчезают, а на их месте образуются новые целые кристаллы.

Снова добиться прежней износостойкости, надежности конструкции, увеличить ее срок службы можно, если повысить уровень твердости. С этой целью прибегают к поверхностной или объемной закалке. Температуру металла повышают до +850 °C и выдерживают в течение 15–20 минут, затем резко охлаждают в воде или масле. В итоге обеспечивается высокая твердость детали.

• Предельно допустимая усталость металла проявляется как неравновесно-напряженное состояние, не провоцирующее разрушение. Вернуть изделию прежние свойства можно посредством термической обработки.
• Критическая усталость является неравновесно-напряженным состоянием, при котором материал не справляется с воздействием разрушающей силы, несмотря на то, что она гораздо меньше его предела прочности.
• Полная усталость представляет собой неравновесно-напряженное состояние, сопровождающееся разрушением материала без видимых причин либо под действием незначительной внешней силы. Металл с подобной степенью усталости подлежит переплавке, так как исправить положение посредством термообработки не получится.
• Частичная усталость считается неравновесно-напряженным состоянием, в котором материал может сопротивляться внутренним напряжениям, разрушающей силе, воздействующей на него извне. Повысить прочностные характеристики можно, прибегнув к термической обработке.
• Локальная усталость обозначает наличие негативных изменений на отдельных зонах изделия.
• Общая усталость проявляется на всей детали.
• Обратимая усталость представляет собой неравновесно-напряженное состояние, которое можно устранить либо снизить его степень посредством улучшающих обработок.
• Остаточная усталость обозначает частичное сохранение материалом напряжения после термической обработки.

Старение и усталость металлов и сплавов вызывают значительное снижение уровня прочности, сокращают срок службы изделия, провоцируя его разрушение из-за появления усталостных трещин. Все это негативно отражается на надежности, продолжительности работы и безотказности техники.

Исправить положение можно, повысив технический ресурс детали либо уменьшив скорость его снижения.

Причины возникновения усталости металла

Локальное перенапряжение приводит к появлению небольшой трещины на металлическом изделии, которая постепенно увеличивается в процессе его использования. В результате деталь ослабевает и резко выходит из строя при разрастании трещины до критических показателей. Это называется механической усталостью металлов.

Выделяют три этапа усталостного разрушения:

1. Образование трещины.
2. Распространение трещины.
3. Разрушение материала.

Чтобы деталь использовалась в течение максимально долгого срока, не подвергаясь усталостному разрушению, а специалисты не задумывались, через сколько лет наступит усталость металла, важно не допускать превышение локальными напряжениями определенного значения, известного как предел выносливости.

Усталость металла определяется присутствием концентраторов напряжений, в качестве которых могут выступать отверстия, сварные соединения, зазубрины, очаги ржавчины. Не менее важно качество обработки поверхности изделия, так как гладкие плоскости менее подвержены усталостным процессам.

Усталостное разрушение деталей может быть разных типов в соответствии с причиной образования дефекта:

• перепады температуры – в этом случае говорят о термической усталости металла;
• совместные циклы давления и температуры;
• наличие очага коррозии;
• постоянная вибрация, исходящая от оборудования.

Как определить усталость металла

Экспериментальные методы исследования усталости металлов позволяют создавать надежные конструкций, которые служат долго и справляются с переменными нагрузками. Существуют испытания на усталость для хрупких, малопластичных и пластичных материалов, которые проводят в ускоренном или длительном режиме.

Нередко предел выносливости определяют в условиях симметричного цикла при помощи гладкого вращающегося образца либо имеющего надрез. Так как специалистам нужно определить усталость металла, прибегают к большому количеству циклов знакопеременных нагрузок. Испытание осуществляется при заданной нагрузке и завершается сразу после разрушения материала, далее фиксируют число выполненных циклов.

Меры повышения выносливости металла

Разрушение крепежных элементов является недопустимым. Избежать преждевременного проявления усталости металла можно таким образом:

• Прибегнуть к рационализации конструкции, то есть к увеличению радиуса скруглений, переходов между отдельными участками изделия, что позволяет избавиться от концентраторов напряжений.
• Выбирать материал, обладающий повышенным показателем прочности. Сюда относятся титан, легированная сталь, а также сталь с высоким содержанием углерода.
• Обеспечить более высокую прочность поверхности при помощи метода закалки с отпуском, азотирования, гальванической обработки металла для защиты от ржавчины.
• Постоянно затягивать резьбовой крепеж во время работы – практически полная защита от ослабления предварительной затяжки достигается при помощи стопорных клиновых шайб.
• Тщательно отслеживать качество затяжки соединений, если изготовитель указал величину момента затяжки.
• Защищать поверхности крепежа от воздействия извне, что позволяет избежать коррозионной усталости металла.
• Предельно серьезно отнестись к выбору типа крепежа, оценив несущую способность, которая требуется от подобных изделий в конкретной ситуации.
• Провести грамотный монтаж, благодаря чему удается исключить вибрации, слабину крепежа в рабочем состоянии – так, анкерный болт не должен болтаться при установке в пористый бетон, кирпич.
• Учесть класс пожаростойкости объекта, конструкции, ведь от этой характеристики зависит необходимость в изделиях с повышенным уровнем стойкости.

Разрушение металла в результате усталости происходит внезапно и связано с большим количеством нюансов, чем обычное. А значит, при проектировании объекта важно проанализировать показатели усталости. На данном этапе уже известен материал, который планируется использовать для проекта, и параметры среды – инженеру нужно выбрать ПО для оценки степени усталости всех элементов конструкций.