Усталость металла когда его нагружают многократно, он и устает. Ровно как человек
Умными словами усталость металла называют:
Накопление микроповреждений под воздействием знакопеременных нагрузок
Знакопеременные когда в разные стороны, тяни-толкай, типа шатун поршня, или лопасть вентилятора или даже петля ворот. Но самый наглядный, встречающийся везде пример - излом проволоки.
Именно знакопеременные нагрузки заставляют пошатанную туда сюда раз 50 проволоку, переломится.
Хотя к усталости и разрушению приводят и многие другие нагрузки, например циклические сильные и не так много или слабые но очень много . В любом случае, усталость - плохо. Потому что снаружи изделие кажется хорошим. И рушится единомоментно.
Почему появляется усталость?
В теории, нагрузка на деталь происходит по пути упругой деформации а именно, деталь прогнулась и разогнулась.
Но как всегда все сложнее и изогнувшаяся деталь медленно возвращается на место, по пути рассеивая энергию изгиба. Это называется остаточное напряжение.
Напряжение это энергия и энергия из сжатия переходит другие формы и заставляет шевелится молекулы кристаллической внутренней структуры детали.
Обыкновенно атомы металла не стоят идеально. Решетка слегка контуженная и кристаллы стали не похожи на алмаз из ювелирки. Скорее это свалка мелких более-менее ровных квадратных, объединенных в зерна кучек. Чтобы решетку упорядочить металлы термообрабатывают.
Чем беспорядочнее решетка, тем сильнее атомы двигаются.
А потому что атомы кристаллической решетки группируются в более крупные единицы, зерна.
Зерна тоже наползают друг на друга и наползая зерна образуют трещины. Микротрещины, размером несколько жалких нанометров.
Нанотрещины сползаются вместе. Образуются микротрещины которые в свою очередь как река объединяет ручьи, превращается магистральную трещину. Неумолимо разрезающую деталь и в конце концов ось паровоза просто лопается, оставляя после себя страдания.
Не буду копировать фотографифии. Потому что изломанная деталь просто выглядит блестящей будто ее срезали, но плохими ножницами.
А трещину снаружи вы не увидите пока ничего не сломается, а если сломается может быть вы тоже не увидите. Смотря что сломается.
В любом случае, усталость металла не разглядеть скучающим глазом. Надо быть профессионалом.
Когда возникают усталостные разрушения?
Например садится попка на стул, может и не видно, но если стул не высечен в гранитной скале, он изгибается.
Если стул изогнётся 10⁷, или 10 миллионов раз в его узлах накопятся трещины и на 10 000 001 попка полетит в пропасть и разобъётся об пол.
С первого взгляда кажется 10 миллионов фрикций много, для человека. Да, но для техники....например коленчатый вал двигателя на 2000 оборотах прокрутится 10⁷ раз за 84 мотор-час, это меньше четырех суток🤷🏿♂️И этого недостаточно даже для полной притирки-обкатки двигателя
Умные ученые а за ними умные инженеры давно уже выяснили как тестировать металл усталость и придумали кривую Веллера.
На ней показано, что я уже и сказал и легко выяснить: чем сильнее нагружать изделие, тоесть чем больше по размеру нагрузки, тем меньше раз ее можно нагрузить до излома.
Чем меньше нагрузки, тем больше циклов нагрузки изделие выдержит.
При некоторой минимальной нагрузке усталость не возникает в отдаленной перспективе или не возникает совсем.
Казалось бы, надо нагружать машину меньше и будет она целой, но тут очевидное противоречие. Ведь нам нужны машины. Много мощных машин, которые будут черпать кубометры железных руд, поднимать грузовые корабли на орбиту и копать метро, диаметром в 10 метров🤷🏼♂️
Нужны машины терпеливые и запредельно мощные. И если нельзя нагружать машины кто же будет работать?
Как сражаться с усталостью металла?
Вся конструкторская и испытательная деятельность идет в направлении создания все меньших по размеру и все более устойчивых к разрушению, в том числе от усталости устройств.
Поэтому существует масса всяких колдовских техник, как бы заставить металл работать больше, уставать меньше:
Оптимизировать форму
Острые углы и острые переходы между поверхностями, множественные отверстия и тонкие стенки вот те места где начнется усталость.
Потому детали упрощают, сглаживают углы и делают переходы плавнее. На валах радиусы, углы отверстий сглаживают и усиливают слишком тонкие узлы
И в целом чем меньше мест куда приткнется напряжения, тем напряжения будет меньше а ресурс больше
С временем моделирование все упрощается и не нужно ждать миллионы циклов чтобы увидеть хорошо ли вещь спроектирована. Масса расчетов перенесена в виртуальные миры и форма усложняется в .....сторону органических очертаний. Но это уже моя придумка.
Чтобы еще снизить вероятность появления напряжений, радиусные поверхности шлифуют.
Шлифовать
Шероховатость плохая, это всего то набор зазубрин на поверхности. Зазубриты это следы режущего инструмента и в этих зазубринах на поверхности формироваться трещины уходящие вглубь.
Решается проблема просто - чем однообразнее поверхность, тем меньше вероятность появления усталостного очага.
Ровно как в какой то максиме: прочность цепи равна прочности ее самого слабого звена. Например радусный переход от цевья вала к муфте соединяющей валы. И без того ненапряжный, с шероховатостью Ra0,8 увеличивает срок службы без напряжения на 50%.
Еще на 40% увеличит другое
Поверхностное напряжение
Создать напряжение, способов масса, но главное и всем известные это химический, термический и механический
Химический
Азотирование когла верхний слой становится более азотистым,
Цементирование - фасад делается более кремнистой
Закалка насыщает оболочку особой формой углерода - мартенситом
Вне зависимости от метода, цель одна: создать прочную и напряженную поверхность, которая защитит нижний нежный слой металла. Напряжение поверхности избавляет деталь от необходимости напрягаться еще и усталость ее уже не касается.
Механический
Дробеструйная обработка или роликовая обкатка. В любом случае дробь или ролики давят снаружи и наружный обработанный слой становится еще более твердым. Что опять создает поверхностное напряжение. Исключающее появление трещин. Но что все поверхность. Есть же и нутрь
Покопаться внутри
У металлургов есть масса приемчиков чтобы сделать монолит металла однородным а значит менее подверженным каким либо дефектам:
Добавляют присадки и разные штуки, варят металл по разному и вываривают с разными газами. Делают разные сложные и не очень сплавы или просто добавляют редкие металлы в гомеопатических количествах.
Остужают в заданных режимах, напрмер кристаллизация у самых ответственных деталей проходит из одного центра. Поэтому кристаллическая решетка выстроена в одном направлении как улицы красивого города.
Обрабатывают металл давлением. Как раз чтобы убрать разные внутренние полости, поры, ледники и сделать металл однородным. Тем самым убрав места куда зацепится усталость. Называется обьёмная ковка или осадка и другими специальными терминами.
Термообрабатывают, отпускают, вылеживают закаляют, обрабатывают холодом и многое другое
и последнее
Отогнать ржу
Казалось бы какая то ржа не может сделать трещит, но это значит вы не видели настоящей ржавчины. Окисление металлов проедает мелкие и не очень щели, которые могут и обязательно будут зачином для мощных трещин. Не надо так.
Как выявляют и контролируют усталость?
Самый простой способ: умные инженеры уже посчитали и просто заменить уже уставший узел по графику, этим в кроме всего прочего занимаются слесаря-ремонтники.
Есть и другие способы неразрушающей дефектоскопии: ультразвук, рентген, визуальный контрол, просто плановый и предупредительный ремонт и многое другое.
Слова для поиска по теме: диаграмма Веллера, петля гистерезиса, напряжение и остаточное напряжение металла
Итого: усталость раньше была непредсказуемой силой, сегодня это вполне описанное и отработанное явление. Которое чтобы обыграть в одну калитку, придумали 100500 способов. Поэтому следите за регламентами технических работ и будет вам счастье.
Спасибо за вниманием. Ставьте пальцы вверх чтоб мне было видно как вам нравится читать что я пишу🤗И обязательно подписывайтесь, чтоб я писал чаще.
И вот еще про лазерную сварку увлекательно и также увлекательно о разрядах слесарей-ремонтников