Усталость материала

История

Первооткрывателем явления стал Вильгельм Альберт (en:Wilhelm Albert), но термин «усталость» был введён в 1839 году французским учёным Ж.-В. Понселе, который обнаружил снижение прочности стальных конструкций при воздействии циклических напряжений.

Наибольший вклад в научную основу проектирования металлических конструкций, подвергающихся повторным напряжениям, внёс немецкий инженер Август Вёллер (en:August Wöhler) классическими опытами с железом и сталью в условиях повторного растяжения-сжатия, результаты которых были опубликованы в 1858—1870 годах.
Л. Шпангенберг (de:Louis Spangenberg) в 1874 году впервые графически изобразил результаты исследований, опубликованных А. Вёллером в виде таблиц.
С тех пор графическое представление полученной зависимости между амплитудами напряжения цикла и числом циклов до разрушения называют диаграммой (кривой) Вёллера.

1.3. Влияние характеристики цикла r на прочность при переменных нагрузках

Предел выносливости зависит в значительной степени от характеристики цикла. Цикл — совокупность всех значений напряжений за время одного периода нагружения.

Отношение  называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, гдеи— соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла по абсолютной величине.

На (Рис. 6.3, а)показана схема цикла симметричного нагружения | |= ||, на (Рис. 6.3, г)— от нулевого.

Пределы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются σ_-1, при отнулевом — σ; при произвольном — σ_r. Наибольшее значение имеют пределы выносливости при испытаниях на изгиб, несколько меньшее — при осевом нагружении и наименьшее — при кручении. Характер изменения напряжений по времени бывает различным: как синусоидальным (Рис. 6.3, а-г), так и другой формы (Рис. 6.3, д-е).

В целях изучения пределов выносливости в зависимости от характеристики циклов строится диаграмма выносливости. Наиболее часто пользуются построением диаграммы выносливости испытуемых образцов по методу Смита, представленной в схематизированной форме (Рис. 6.4). Она дает возможность на основании экспериментального определения предела выносливости при симметричном цикле найти пределы выносливости при любом цикле.

По данным других исследований диаграмму прочности и усталости строят в форме параллельных прямых.

Обоснованием к этому служит положение, что для ряда материалов разрушение определяется главным образом диапазоном изменений напряжений в то время как постоянная составляющая  не имеет существенного влияния. Диаграмма может быть использована до того, как , достигает . По оси абсцисс откладываются значения средних напряжений цикла

,

 по оси ординат — напряжения σ_max и σ_min. Под углом 45° к оси абсцисс проводится прямая. Величины амплитуд

откладываются симметрично относительно этой прямой.

Прямые пересекаются в точке К, которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности σ_в. Отрезок ОА выражает значение предела выносливости при симметричном цикле. При этом σ_m=0.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с напряжениями, не превышающими предела текучести σ_T. Из точки D с координатами σ_T проводят горизонтальную прямую до пересечения с прямой АК в точке N. Эту точку проецируют на прямую А’К. в точке М. Ломаная линия ANDMA’ выражает схематизированную диаграмму усталости в пределах упругих деформаций. Отрезок ВС выражает значение предела выносливости при пульсирующем цикле σ; отрезок OB= σ/2.

Проведем из точки прямую под произвольным углом а к оси абсцисс, тогда

По этому отношению для заданного цикла r определяют tgα. Точка Р определяет значение предела выносливости при заданном цикле нагружения.

В машиностроении нередко для определения пределов выносливости сварных соединений при цикле r поступают следующим образом. Экспериментальным путем определяют предел выносливости σ_-1 при цикле  стандартного образца. Определяют предел выносливости при том же цикле проектируемого сварного соединения σ_{-1 св} Находят отношение η= σ_-1/ σ_{-1 св}. Перестраивают диаграмму Смита в масштабе η, и по ней определяют предел выносливости для любого цикла r, пользуясь формулой (6.1).

На Рис. 6.5 показана полная диаграмма зависимости σ_max и σ_min от среднего напряжения σ_m в области растягивающих и сжимающих напряжений. С ростом средних сжимающих напряжений амплитуда разрушающих напряжений растет, пределом роста является предел текучести при сжатии σ_ТСЖ.

Отношение предела выносливости и предела текучести при испытании стандартных гладких образцов из низкоуглеродистых сталей на изгиб в условиях симметричного цикла равно

. Для низколегированных конструкционных сталей отношение меньше, чем для низкоуглеродистых.

Обычно при повышении температуры пределы выносливости сталей понижаются. В агрессивных средах предел выносливости значительно уменьшается. Прочность деталей конструкций при переменных нагрузках зависит от концентрации напряжении.

Усталостное напряжение

Значительные усталостные напряжения, возникшие в процессе десятилетней эксплуатации; за это время пресс выдержал около 5 — Ю6 циклов нагружений при полном прессовом усилии.
 

Находят усталостные напряжения аг или тг для данной детали с учетом формы, размеров и технологической обработки.
 

Коэффициент концентрации усталостных напряжений в исследуемом случае зависит от величины q ( см. разд. Kt коэффициент Ktc — Если глубина малого выреза такова, что он выходит за пределы ограниченной штриховой линией на рис. 12.11 ( а) области, то величина Ktc будет меньше произведения КпКц, и ее рекомендуется определять, например, методом фотоупругости или методом конечных элементов.
 

Высокий уровень усталостных напряжений, которые выдерживает композиционный материал, обусловлен в первую ] очередь высоким пределом выносливости борных волокон. Таким образом, циклическая прочность волокон может быть совершенно различной при изгибе и при растяжении в осевом направлении.
 

Введено также понятие граничного усталостного напряжения, характеризующего начало процесса усталостного разрушения элемента детали. Если действующее напряжение меньше граничного, то оно не оказывает влияния на возникновение усталостной трещины и выход ее на поверхность дорожки качения.
 

Если имеется диаграмма усталостных напряжений тела трубы или сварного соединения для заданного материала труб и замка при асимметричном цикле, то можно определить, при каком числе циклов произойдет разрушение, что следует сравнить с числом циклов спуско-подъема.
 

Определение долговечности по усталостным напряжениям значительно осложняется, если детали работают в условиях переменного режима — различных нагрузок и чисел оборотов, как это имеет место, например, в металлорежущих станках.
 

Если бы теория суммирования усталостных напряжений была верна, то суммарная долговечность характеризовалась бы точками, лежащими на прямой АВ ( фиг. Опыты же обнаруживают, что, если первая ступень соответствует меньшим напряжениям ( Si S2), то суммарная долговечность, как правило, больше, чем при обратной последовательности. Неоднократно отмечалось явление аномального упрочнения. Оно заключается в том, что после тренировки под действием невысоких переменных напряжений образец может выдерживать без разрушения большее число циклов, чем ненаклепанный образец. Соответствующая кривая показана на фиг.
 

Для уменьшения механических нагрузок и усталостных напряжений в трубах при переменном моменте необходимо иметь мягкую характеристику привода с автоматическим ограничением максимального момента и небольшие маховые массы.
 

Во всех элементах бурильной колонны возникают усталостные напряжения, которые зависят от условий работы колонны на отдельных ее участках и соблюдения буровой бригадой правил эксплуатации бурильных колонн.
 

Кроме того, материал отводов испытывает усталостные напряжения и теряет прочностные свойства. Преимущества данного метода заключаются в отсутствии специальных компенсирующих устройств, а следовательно, в уменьшении начальных затрат и в упрощении обслуживания. Самокомпенсация возможна лишь в том случае, когда трасса трубопровода представляет собой ломаную линию.
 

Сопротивление ползучести в натрии в условиях усталостных напряжений несколько снижается.
 

1.4. Коэффициенты концентрации и их влияние на усталостную прочность

Эффективным коэффициентом концентрации напряжений К_Эназывается отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентратора; К_Э >1; причем, чем ближе К_Э к единице, тем лучше работает изделие. У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации К_Э близок к теоретическому, у пластичных — он значительно меньше.

Опытами установлено, что при значениях r, близких к единице, концентрация напряжений не оказывает существенного влияния на предел выносливости. С уменьшением r влияние концентраторов на понижение предела выносливости растет, наибольшего значения К_Э достигает при .

Чувствительность к концентраторам в образцах из низколегированной стали может быть выше, чем из низкоуглеродистой. Пределы выносливости сталей, испытанных при изгибающих усилиях и симметричных циклах, приведены в Табл. 6.1

Табл. 6.1 Пределы выносливости сталей σ_-1, МПа

Предел выносливости основного металла в зоне термического влияния иногда изменяется по сравнению с пределом выносливости образцов из основного металла, не подвергавшегося влиянию процесса сварки. Восстановить предел выносливости можно иногда термической обработкой сварного соединения.

Заметное влияние на сопротивление усталости оказывают также размеры сечений образцов или конструктивных элементов. При увеличении диаметра образцов с 10 до 200 мм значения предела выносливости стали 22 снизились с 215 до 165 МПа, а стали 35 —со 155 до 90 МПа.

Крайне отрицательное влияние на усталостную прочность оказывает наличие коррозионно агрессивных сред сварных соединений при эксплуатации.

Сопротивление — усталость — деталь

Сопротивление усталости деталей зависит не только от величины коэффициента аст, но и от скорости убывания напряжений по мере углубления внутрь металла. Эта скорость может быть охарактеризована тангенсом угла наклона касательной к эпюре распределения напряжений у поверхности, который равен производной da / dx, где х — расстояние от поверхности до некоторой точки поперечного сечения, взятое по радиусу.
 

Сопротивление усталости деталей, подвергнутых химико-термиче-екой обработке, может быть повышено также применением пластической деформации.
 

Сопротивление усталости деталей в значительной мере определяется совершенством процесса их изготовления. Особенно сложен и нестабилен процесс литья.
 

На сопротивление усталости деталей влияет огромное число факторов, совокупное значение которых носит неопределенный характер и не всегда может быть оценено по раздельному влиянию каждого из них.
 

На сопротивление усталости деталей машин и частей сооружений оказывает существенное влияние ряд факторов: состав и структура материала; вид напряженного состояния и характер изменения его во времени; форма и размеры нагружаемых объектов; состояние поверхности; остаточная напряженность; температура; активность окружающей среды и др. В связи с этим определить расчетным методом пределы выносливости для реальных конструкций, в которых, как правило, действуют многие из перечисленных выше факторов, чрезвычайно трудно.
 

Повышение сопротивления усталости деталей от цементации объясняется не только повышением прочности ( твердости) поверхностных слоев, но также и благоприятным воздействием остаточных напряжений, возникающих в цементованных слоях.
 

Для оценки сопротивления усталости деталей необходимо учитывать их конструктивные формы, размеры, состояние поверхности и другие факторы.
 

С увеличением температуры сопротивление усталости детали уменьшается. Например, для углеродистых сталей ориентировочно считают, что заметное снижение предела текучести ст наступает при температуре свыше 200 С.
 

Для расчета на сопротивление усталости детали, имеющей форму стержня и испытывающей одну из перечисленных деформаций, надо знать предел выносливости материала образца, испытывающего ту же деформацию, при одном из циклов. Обычно этот предел выносливости определяется для образца, испытывающего симметричный цикл напряжений.
 

Основными факторами повышения сопротивления усталости деталей при поверхностном упрочнении являются: увеличение прочности металла поверхностного слоя, остаточные сжимающие напряжения в слое и переход очага зарождения усталостной трещины с поверхности в подслойную область. Поэтому эффект упрочнения зависит от взаимного расположения эпюр остаточных и рабочих напряжений, а также механических свойств материала по сечению детали.
 

Одним из способов повышения сопротивления усталости деталей с напрессовками и фреттинг-коррозией является введение между контактирующими поверхностями пленок из неметаллических материалов, препятствующих развитию фреттинг-коррозйи.
 

Связь скорости изнашивания с сопротивлением усталости деталей бывает довольно сложной. Прочность детали при работе в узле трения может остаться неизменной, но может и снизиться со временем из-за изменений условий и характера взаимодействия между деталями. Более интенсивное изнашивание при фреттинг-коррозии на части поверхности контакта деталей может вызвать эксцентричность в приложении осевой нагрузки. Неравномерная осадка многоопорного вала вследствие различного износа вкладышей и шеек по отдельным подшипникам вызывает дополнительные напряжения в вале и перегружает отдельные опоры. Увеличение зазоров в сочленениях механизмов с возвратно-поступательным или качательным движением повышает коэффициент динамичности нагрузки. Известны случаи поломки рельсов из-за образования на поверхности качения колес лысок при скольжении колес по рельсам во время резкого торможения состава либо в период трогания поезда с места с заторможенными колесами вагонов. При входе и выходе лыски из контакта с рельсом возникают весьма значительные контактные напряжения, суммирующиеся с напряжениями изгиба.
 

1.1. Прочность основного металла при переменных (циклических) нагрузках

Современные методы расчета прочности деталей основаны на гипотезах непрерывности, однородности и изотропности материала. В действительности распределение усилий между зернами металла происходит неравномерно. В некоторых зернах могут иметь место значительные пластические деформации, в результате чего образуются микротрещины. При переменных нагрузках они имеют тенденцию развиваться: сначала развитие трещин происходит очень медленно, далее ускоряется, а на последнем этапе происходит внезапное разрушение. При этом местные напряжения оказываются опасными для прочности не только хрупких, но и пластичных металлов.

Анализ механизмов усталостного разрушения очень сложен, так как требует изучения неоднородности среды (кристаллиты и межкристаллические среды). В сварных соединениях задача анализа значительно осложняется наличием остаточных напряжений и неоднородностью свойств различных зон наплавленного и основного металлов.

1.5. Влияние частоты циклов нагружения на усталостную прочность

Сварные конструкции в некоторых областях техники подвергают испытаниям при низкой частоте нагружений и доводят до разрушения при нескольких десятках тысяч циклов. Такие испытания называются повторно-статическими. Многие явления, свойственные поведению образцов под усталостными нагрузками, имеют место при повторно-статических нагрузках. Прочность образцов зависит от наличия концентраторов в соединениях, свойств материала и качества сварных соединений.

Тем не менее, сопротивляемость сварных соединений нагружениям при низкой частоте (несколько циклов в минуту, в час, в сутки) заметно ниже, чем при испытаниях с высокой частотой. Низкочастотные нагрузки снижают прочность всех видов материалов и сварных соединений. Низкочастотным нагружениям подвергаются конструкции подводных судов, резервуарно-котельные конструкции. Высокочастотные колебания нагрузки, модулированные более низкой частотой, особенно резко снижают усталостное сопротивление сварных конструкций.

Известные катастрофы, связанные с усталостью материала

Версальская железнодорожная катастрофа — произошла 8 мая 1842 года. Изначальной причиной послужил излом оси паровоза. Погибло около 55 человек, в том числе и известный исследователь Жюль-Сезар Дюмон-Дюрвиль со своей семьёй. Одна из крупнейших железнодорожных катастроф XIX века

Последующее расследование показало всю важность исследований усталости материалов от постоянных циклических нагрузок.

— затопление Бостона патокой

— Крушения самолётов De Havilland Comet.

— катастрофа Ан-10 под Харьковом.

— обрушение пешеходного моста на станции Пушкино.

— Происшествие с Boeing 737 над Кахулуи.

— катастрофа DC-10 в Су-Сити.

— авиакатастрофа в Амстердаме.

— крушение ICE у Эшеде

— авария на Саяно-Шушенской ГЭС.

— Авария на авиалайнере Рейс 1380 Southwest Airlines

Характеристика — усталостная прочность

Характеристика усталостной прочности при N const по одному параметру не дает достаточной информации о влиянии жидкой среды на механизм и кинетику процесса разрушения, поскольку экспериментальные кривые зависимости lg N — а, полученные при испытаниях в разных средах, могут пересекаться.
 

Характеристики усталостной прочности — кривые усталости — строят по данным испытаний деталей на усталость.
 

Характеристики усталостной прочности соединений при контактной сварке в отечественной и мировой практике изучены недостаточно. Этот вопрос заслуживает большого внимания и постановки экспериментальных исследований в самом широком плане.
 

Характеристикой усталостной прочности связи является количество циклов деформации, выдерживаемое образцом до разрушения при заданной радиальной нагрузке.
 

Для характеристики усталостной прочности материалов при наличии концентраторов напряжений важно знать абсолютные значения пределов выносливости образцов с концентраторами напряжений, так как они близки к пределам выносливости натурных деталей. Кроме того, следует отметить, что нельзя отрицательно оценивать материал только на том основании, что ему присущ высокий коэффициент чувствительности к надрезу, так как при этом он может иметь высокий абсолютный уровень усталостной прочности при наличии концентратора напряжений

При испытаниях образцов с концентраторами напряжения при приложении достаточно высокой растягивающей нагрузки можно вызвать пластическую деформацию у вершины надреза, и в опасном сечении нагружение фактически будет идти по знакопеременному циклу, поскольку при разгрузке до Pmin у основания надреза возникают остаточные напряжения сжатия.
 

Ухудшение характеристик усталостной прочности детали из-за качества механической обработки оценивается коэффициентом состояния поверхности kn, который определяется как отношение характеристики усталостной прочности испытываемого образца с определенной обработкой поверхности к аналогичной характеристике ( обычно пределу выносливости) шлифованного образца.
 

Ниже рассмотрены характеристики усталостной прочности соединений трубопроводов из стали 1Х18Н9Т, подвергнутых действию непрерывных и одинаковых нагрузок.
 

Чтобы дать характеристику усталостной прочности материала, определяют опытным путем наибольшие напряжения различных предельных циклов, на основании которых строят диаграмму предельных напряжений.
 

Большое влияние на характеристики усталостной прочности оказывает направление вырезки образцов. Волосовины, расположенные в продольном по отношению к оси образца направлении, не снижают сопротивления усталости.
 

С динамическими испытаниями тесно связана характеристика усталостной прочности материалов.