Довольно интересное явление, с которым мы встречаемся в материаловедении - это усталость материала. Удивительно, но логика явления примерно такая же, как и у нас с вами. Правда наш организм есть биологическая система, способная к самовосстановлению и регенерации. Неодушевленный же материал не способен это делать. Но обо всем по порядку.
Понятие усталость характерно как для металлических материалов, так и для полимеров. Но мы рассмотрим данное явление на примере металла, потому что логика механизма будет везде примерно одинаковая, а с металлом разобраться сейчас будет проще.
На производстве не редко можно услышать от работяг фразу...Да!..Чего там, железка устала вот и лопнула! Вот слово устала тут и есть ключевое.
Что такое усталость
Применительно к материалу определение может звучать следующим образом:
Усталость - это процесс накопления микроповреждений под действием знакопеременных (часто циклических) нагрузок, что впоследствии приведет к образованию макроповреждения (или излома и разрушения).
Какие слова или фразы тут вызывают вопросы?
- Микроповреждения...Какие такие микроповреждения?
Представьте, что от каждого удара (или другого механического воздействия) в теле образца появляется трещина. Трещина не такая, чтобы деталь сразу развалилась, а именно микро-трещина. Иногда даже микро диапазон не описывает эту трещину. Это может быть нанометр!
Её размер пока недостаточен для того, чтобы вызвать полное разрушение. Но она сохранилась и никуда не делась. И так после каждого удара!
В итоге, старые трещины начинают подрастать. А новые трещины добавляются. Рано или поздно скопится критическая масса трещин, которая перерастёт в полное разрушение.
Если даже разрушение не произошло, то деталь теряет львиную долю запаса прочности. Это как дерево, надкусанное бобром.
- Знакопеременных...Это что за зверь?
Примерно такого рода нагружения возникают, если вы гибом-перегибом пытаетесь переломить проволочку. Рано или поздно проволочка сломается в месте перегиба. Там ещё было слово циклические...Так вот этот гиб с перегибом и есть циклическое знакопеременное нагружение.
Всегда ли важно придавать значение слову знакопеременные и циклические? Нет, усталость может быть вызвана и обычными нагружениями. Но процесс многократно ускоряется именно при циклических и знакопеременных нагрузках.
Кроме того, даже не подозревая, что нагрузка оказалась знакопеременной, она может таковой являться. Например, карданный вал.
Ну вот, вроде бы, и разобрались в определении.
Ещё отметим, что способность материала противостоять усталости, называется выносливостью.
Интересно отметить, что деталь, которая разрушилась из-за усталости, легко распознать. Она будет иметь характерное вязкое разрушение, а на конце - скол.
Особенности усталости металла
Если большую часть свойств мы можем худо-бедно предсказать, то усталость или выносливость предсказать крайне проблематично. Процесс сопротивления усталости для конкретного образца из конкретного материала определяется каждый раз заново.
Делается серия испытаний и параметры рассчитываются, исходя из результатов.
Данные по подобным испытаниям отмечаются на так называемой кривой Вёллера.
По оси y тут отмечено механическое напряжение, которое разрушает образец. По оси икс - количество циклов нагружения. Обратите внимание, что чем больше циклов отбегала деталька, тем меньшее напряжение (читай как меньшая сила) нужна для её разрушения.
Именно поэтому, в процессе эксплуатации детали нужно помнить про её выносливость и своевременно выполнять замену. Именно поэтому, операция технического обслуживания любого механизма предполагает эту процедуру. Так, те же автозапчасти следует менять в соответствии с обозначенным пробегом или согласно моточасам.
Если же не выполнять такие замены, а ожидать отказа оборудования, то это может стать причиной серьезнейших проблем. Например, известен ряд катастроф, при которых причиной являлась именно усталость детали.
Что влияет на усталость или выносливость детали
Мы помним, что трещины растут от поверхности в глубь образца. Именно поэтому, первый фактор, который оказывает влияние на выносливость - это чистота обработки поверхности. Чем она выше, тем выше выносливость. Ведь трещенке просто не за что зацепиться!
Дальше нужно обратить внимание на наличие концентраторов напряжения. При проектировании будущей детали избегать всех острых углов и перепадов. Каждый острый угол - это проблема. Там могу начать расти трещины.
На практике часто используется и химико-термические способы обработки поверхности. Логика здесь примерно такая же, как и с чистотой обработки. Трещенкам не должно быть удобно расти!
Важно выравнивать и структура образца. Ведь если структура не гомогенная, т.е. составлена не равномерными зернышками, то возникают внутренние моменты. Они способны разрушить образец. Это опять -таки, внутренние концентраторы напряжения.
Есть и косвенные методики, которые относятся больше уже к работе конструктора.
Само собой, что нужно использовать материалы, которые менее склонны к формированию усталостных разрушений. Сравните дерево, которое легко ломается по волокнам или любой металл.
Сами же конструкции нужно разрабатывать таким образом, чтобы максимально исключить появление знакопеременных нагрузок, а того хуже - резонанса. Если вы думаете, что деталь не испытывает циклические нагружения, то вы не правы. Любая деталь этому подвержена. Та же рама велосипеда. Ну и соответственно, нужно использовать какие-то демпфирующие муфты или технологические приемы, там где это возможно.
