Механизм усталостного разрушения

Если уровень переменных напряжений превышает некоторый предел, то в материале детали происходит процесс постепенного накопления повреждений, который приводит к образованию субмикроскопических трещин. По мере наработки длина этих трещин увеличивается, затем они объединяются, образуя первую микроскопическую трещину, под которой понимается трещина протяженностью 0.1-0.5 мм. У корня этой трещины возникает местное увеличение напряжений, которое облегчает ее дальнейшее развитие. Трещина, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает в некоторый момент времени внезапное разрушение детали, которое нередко связано с авариями и тяжелыми последствиями.

Указанный процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием переменных напряжений и деформаций, приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению, называется усталостью.

Развитие трещин идет особенно интенсивно, если напряжения изменяются не только по величине, но и по знаку.

Механизм усталостного разрушения чрезвычайно сложен, и многие его детали остаются пока неясными. Согласно современным представлениям, усталостное разрушение непосредственно связано с неоднородностью строения материалов, заключающейся в случайных вариациях механических свойств, размеров и очертаний отдельных зерен металла, направлений их кристаллографических плоскостей, наличием неоднородных фаз, включений, дефектов кристаллической решетки (вакансий, дислокаций), остаточных напряжений.

Реальный металл состоит из большого числа весьма малых по размерам и связанных между собой кристаллов, между которыми имеются поры и неметаллические включения.

Кристаллы, как правило, обладают анизотропией. Кристаллические тела представляют собой конгломерат большого числа различно ориентированных кристаллов (зерен), и поэтому в достаточно больших объемах металлы проявляют свойства изотропии. Если же в ориентации зерен наблюдается упорядоченность, вызванная, например, прокаткой, протяжкой и т. п., то материал будет проявлять анизотропию свойств.

При нагружении детали напряженность различных зерен будет различной, так как вследствие анизотропии свойств кристаллов и случайной ориентировки их кристаллографических осей жесткость каждого кристалла в направлении действия нагрузки будет отличаться от жесткости соседних кристаллов.

Вследствие указанной неоднородности при переменных напряжениях, даже не превышающих среднего значения предела пропорциональности, в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах начинается циклическая пластическая деформация.

Образование первых следов сдвига начинается, как правило, на поверхности детали вследствие облегченных условий деформирования зерен в этой зоне, наличия концентрации напряжений от микронеровностей на поверхности. Кроме этого на поверхности детали обычно действуют наибольшие нормальные и касательные напряжения.

Поверхность усталостного излома детали имеет две совершенно различные зоны (рис. 17.1). Одна из них - зона распространения трещины (А) в результате взаимного трения и наклепа от повторяющегося нажатия поверхностей трещины друг на друга имеет гладкую, притертую поверхность. Другая зона (Б) даже в случае пластичного материала имеет крупнозернистую структуру, такую же, как и поверхность разрушения образца из чугуна, при одноосном статическом растяжении.

Именно поэтому вначале разрушение при переменных напряжениях приписывали «перерождению» или «кристаллизации» (усталости) материала, делающей его хрупким. Дальнейшие исследования показали, что механические свойства и микроструктура материала около места усталостного разрушения такие же, как и до нагружения детали.


Рис. 17.1.


С хрупким характером разрушения пластичного материала в зоне шейки мы уже встречались при испытании образцов на одноосное растяжение в условиях статического нагружения. Хрупкий характер разрушения, по виду очень похожий на усталостный, в крупнозернистой зоне, получается при статическом изгибе образца из пластичного материала с острым надрезом. В вершине надреза возникает объемное напряженное состояние, и поэтому развитие пластических деформаций здесь затруднено. Роль такого надреза при переменных напряжениях выполняет первоначальная трещина. Таким образом, по-видимому, одной из главных причин хрупкого характера разрушения в зоне (Б) является трехосное напряженное состояние материала, возникающее на границе трещины.

Усталостное разрушение происходит, как правило, без заметной пластической деформации детали.

Законченной теорией усталостного разрушения еще нет. В настоящее время интенсивно развиваются вероятностные методы расчетов на усталость, как более перспективные и эффективные. Одновременно продолжается процесс накопления экспериментальных фактов, на основе которых уточняются существующие и создаются новые расчетные методы.



 Предыдущая  Механизм усталостного разрушения  Следующая 
 
Яндекс цитирования
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line