Усталость материала

Пример разрушения материала от усталости

Усталость материала ( англ. Fatigue of materials ) - Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных (часто циклических) напряжений, что приводит к изменению его свойств, образованию трещин, их развития и разрушения материала за определенное время. Такой вид разрушения называют усталостным разрушениям.

Явление уменьшения прочности деталей машин под действием циклической нагрузки было обнаружено еще в середине XIX века. Это послужило основанием для создания нового направления науки о прочности материалов и конструкций, получивший, также, название "Усталость материалов".


1. Характеристики усталости материала

Кривая усталости (кривая Веллера)

Номинальные значения максимальных напряжений в условиях переменного нагружения является меньше предела прочности и преимущественно меньше предела текучести материала.

Свойство материала работать в условиях циклических нагрузок характеризуется границей выносливости - максимальным по абсолютному значению напряжением цикла, при котором еще не происходит разрушения от усталости в течение заданного количества циклов нагружения, которую называют базой испытаний (N 0).

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

Основные характеристики сопротивления усталости определяют из кривой усталости, которая характеризует зависимости 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 en: August W?hler, немецкий инженер).

Всего кривую усталости, описывающей зависимость между максимальными напряжениями и количеством циклов до разрушения Nр, можно разделить на три участка. На участке И разрушение происходит в результате направленного пластического деформирования до величины предельной деформации, примерно равной предельной деформации при статической нагрузке. На участке ИИ разрушения происходит после относительно небольшого количества циклов нагружения (Nр ≤ 2 ⋅ 10 4 циклов) и рост усталостной трещины сопровождается существенными пластическими деформациями. Такой вид разрушения называется разрушением от малоциклового усталости. На участках II и III разрушение происходит вследствие зарождения и развития усталостной трещины. На рубеже, как правило, можно выделить два участка: дрибноволокнистои строения, которая характерна для роста усталостной трещины и крупнозернистую участок окончательного разрушения.

На участке ИИИ материал разрушается после большого количества циклов нагружения незначительной амплитуды. В связи с этим участок ИИ называют участком малоциклового усталости; III - участком многоцикловой усталости, или просто усталости.

При испытании некоторых материалов, в частности углеродных сталей при комнатной температуре, права участок зависимости направляется к горизонтальной линии (Nр> 10 7 циклов).

Во циклической долговечностью понимают количество циклов напряжений или деформации, выдержанных объектом нагружается, до предельного состояния (образование усталостной трещины определенной длины или полного разрушения).

Если приложения нагрузок к материалу носит периодический характер, то совокупность всех значений напряжений, возникающих в материале называют циклом напряжений. На сопротивление усталости в основном влияют минимальные (σ min) и максимальные (σ max) напряжение цикла и амплитуда цикла напряжений \ Left (\ frac {| \ sigma_ {max} - \ sigma_ {min} |} {2} \ right) . Отношение минимального напряжения цикла к максимальному с учетом знаков напряжений называется - коэффициент асимметрии цикла и обозначается буквой r

r = \ frac {\ sigma_ {min}} {\ sigma_ {max}} .

Тогда при симметричном цикле коэффициент асимметрии будет составлять -1, а предел выносливости в условиях растяжения-сжатия будет сказываться σ -1 в условиях кручение τ -1.


2. Подходы к изучению усталости

Науку о том материала можно разделить по подходам к изучению на:

  • Методы, основанные на напряжениях (многоцикловой усталость - усталость материала, при которой усталостное пошкоджування и разрушения происходят без заметного накопления деформаций, главным образом упругой деформации).
  • Методы, основанные на деформациях ( малоциклового усталость - это усталость материала, при которой усталостное пошкоджування и разрушения происходят в основном при упруго-пластического деформирования).
  • Методы, основанные на энергии деформации.
  • Методы, основанные на коэффициенте интенсивности напряжений ( механика разрушения).

Литература


См.. также