Для установки нажмите кнопочку Установить расширение. И это всё.

Исходный код расширения WIKI 2 регулярно проверяется специалистами Mozilla Foundation, Google и Apple. Вы также можете это сделать в любой момент.

4,5
Келли Слэйтон
Мои поздравления с отличным проектом... что за великолепная идея!
Александр Григорьевский
Я использую WIKI 2 каждый день
и почти забыл как выглядит оригинальная Википедия.
Что мы делаем. Каждая страница проходит через несколько сотен совершенствующих техник. Совершенно та же Википедия. Только лучше.
.
Лео
Ньютон
Яркие
Мягкие

Из Википедии — свободной энциклопедии

Характерный усталостный излом
Характерный усталостный излом
Причины отказа механики

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 обусловливает его разрушение за определённое время. Такой вид разрушения называют усталостным разрушением.

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, получил, также название «усталость материалов».

История

Первым исследованием, где рассматривается вопрос усталости материала, считают работу Вильгельма Альберта[en] , опубликованную 1838[1][2]. Термин «усталость» явно принадлежит Ф. Брейтвейта (англ. Frederick Braithwaite (1854)[3], хотя Понселе ещё в 1839-м в своих лекциях в военной школе Меца характеризовал состояние металлов после циклических нагрузок как «усталость».

В 1858—1870-х годах немецкий инженер Август Вёлер[en] начал систематические исследования усталости материалов, посвященные преимущественно изучению усталости осей железнодорожного транспорта[2]. 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. Баушингера (эффект Баушингера) установил изменение предела упругости материалов при повторно-переменной нагрузке и доказал отличие процессов деформирования при статических и циклическом 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[4][5]. Дальнейшие исследования[6] 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 субмикроструктурному уровне механизмы, приводящие к возникновению усталостных трещин, рассматривают с использованием представлений теории дислокаций.

В начале XX-го века опубликованы первые в Российской империи исследования по усталости материалов, авторами которых были украинские ученые М. Воропаев[7] и К. Симинский[8].

В первой половине XX-го 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[8].

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 было 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, развито новые подходы к оценке долговечности материалов и конструкций, когда за основу прогноза разрушения брали не напряжение, а деформацию, в частности её пластическую составляющую[8].

В 1961-м П. Перис[en] предложил уравнение, которое связывает скорость развития усталостной трещины с величиной коэффициента интенсивности напряжений[9][10]. 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 разрушения 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 малоцикловой усталостью.

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

Разрушения, 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[11]. 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[12]. 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.
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)[13]. 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 связанные с усталостью материала[8].

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 August Wöhler[en] , немецкий инженер).

В общем кривую усталости, которая описывает зависимость между максимальными напряжениями и количеством циклов до разрушения Nр, можно разделить на три участка. На участке I разрушения 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 (Nр>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 циклом напряжений. На сопротивление усталости в основном влияют минимальные (σmin) и максимальные (σmax) напряжения цикла и амплитуда цикла напряжений . Отношение минимального напряжения цикла к максимальному с учётом знаков напряжений называется — коэффициент асимметрии цикла и обозначается буквой r

.

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

Испытания на усталость — испытание на действие циклической нагрузки объекта для определения характеристик сопротивления усталости[14] .

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[15].

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[8].

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

  • Методы, основанные на напряжениях (многоцикловая усталость — усталость материала, при которой усталостное разрушения происходит без заметного накопления деформаций, главным образом за упругой деформации).
  • Методы, основанные на деформациях (малоцикловая усталость — 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 176 дней].

Газотермическое напыление, особенно высокоскоростное газопламенное напыление, создаёт напряжение сжатия в покрытии материала и способствует снижению склонности деталей к усталостному разрушению[источник не указан 176 дней].

Некоторые известные катастрофы, связанные с усталостным разрушением

См. также

Примечание

  1. Albert, W. A. J. Über Treibseile am Harz // Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, 1838, vol. 10, P 215—234.
  2. 1 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.
  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, Інститут енциклопедичних досліджень НАН України[uk]. — К., 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X.
  8. 1 2 3 4 5 Трощенко В. Т. Втома матеріалів //Усталость материала // Енциклопедія сучасної України : [укр.] : у 30 т. / НАН України, Наукове товариство ім. Шевченка, Інститут енциклопедичних досліджень НАН України[uk]. — К., 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 June 15, 2017.
  10. Lutz Diana. Paul C. Paris, pioneer of fracture mechanics, honored for his work. Washington University in St. Louis. Washington University in St. Louis. Дата обращения: 15 июня 2017.
  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
  17. Sohn Emily. Why the Great Molasses Flood Was So Deadly (англ.). The History Channel. A&E Television Networks (January 15, 2019). Дата обращения: 16 января 2019.
  18. ObjectWiki: Fuselage of de Havilland Comet Airliner G-ALYP. Science Museum (24 September 2009). Дата обращения: 9 октября 2009. Архивировано 7 января 2009 года.
  19. Катастрофа Ан-10А Украинского УГА в районе Харькова. airdisaster.ru. Дата обращения: 4 ноября 2012.
  20. Марк Коган: «Первая трещина»
  21. 1 2 Aircraft Accident Report, Aloha Airlines Flight 243, Boeing 737-100, N73711, Near Maui, Hawaii, April 28, 1998. National Transportation Safety Board (June 14, 1989). Дата обращения: 5 февраля 2016.
  22. Описание происшествия на Aviation Safety Network
  23. Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe. In: Süddeutsche Zeitung, 2. Juni 2008.
  24. Кудрявый В. В. Системные причины аварий // Гидротехническое строительство. — 2013. — № 2.
  25. Mandatory Inspection On All Boeing 737 Engines Following Southwest Incident - Airways Magazine (англ.), Airways Magazine (18 April 2018). Дата обращения 18 апреля 2018.

Источники

Эта страница в последний раз была отредактирована 12 мая 2021 в 02:41.
Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.
Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License. Нетекстовые медиаданные доступны под собственными лицензиями. Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. WIKI 2 является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).