Втома матеріалу

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Приклад руйнування матеріалу від втоми

Вто́ма матеріа́лу (англ. Fatigue of materials) — процес поступового накопичення ушкоджень матеріалу під дією перемінних (часто циклічних) напружень, що призводить до зміни його властивостей, утворення тріщин, їх розвитку та руйнування матеріалу за певний час. Такий вид руйнування називають втомним руйнуванням.

Явище зменшення міцності деталей машин під дією циклічного навантаження було виявлене ще в середині XIX століття. Це послужило підставою створення нового напрямку науки про міцність матеріалів і конструкцій, що отримав, також, назву «Втома матеріалів».

Характеристики втоми матеріалу[ред.ред. код]

Крива втоми (крива Веллера)

Номінальні значення максимальних напружень в умовах перемінного навантажування є меншими від границі міцності і переважно меншими від границі текучості матеріалу.

Властивість матеріалу працювати в умовах циклічних навантажень характеризується границею витривалості — максимальним за абсолютним значенням напруженням циклу, за якого ще не відбувається руйнування від втоми протягом заданої кількості циклів навантажування, котру називають базою випробувань (N0).

Здатність матеріалу протистояти руйнуванню при напруженнях, перемінних у часі, називається витривалістю.

Основні характеристики опору втомі визначають з кривої втоми, яка характеризує залежності між максимальними напруженнями або амплітудами циклу та циклічною довговічністю зразків. Графічне представлення отриманої залежності між амплітудами напружень циклу і числом циклів до руйнування називають кривою втоми або діаграмою (кривою) Веллера (Август Веллер en:August Wöhler, німецький інженер).

Загалом криву втоми, яка описує залежність між максимальними напруженнями і кількістю циклів до руйнування Nр, можна розділити на три ділянки. На ділянці І зруйнування відбувається внаслідок спрямованого пластичного деформування до величини граничної деформації, яка приблизно дорівнює граничній деформації при статичному навантаженні. На ділянці ІІ зруйнування відбувається після відносно невеликої кількості циклів навантаження (Nр ≤ 2⋅104 циклів) і ріст втомної тріщини супроводжується суттєвими пластичними деформаціями. Такий вид зруйнування називається руйнуванням від малоциклової втоми. На ділянках ІІ і ІІІ руйнування відбувається внаслідок зародження і розвитку втомної тріщини. На зламі, як правило, можна виділити дві ділянки: дрібноволокнистої будови, яка характерна для росту втомної тріщини і крупнозернисту ділянку остаточного руйнування.

На ділянці ІІІ матеріал руйнується після великої кількості циклів навантаження незначної амплітуди. У зв'язку з цим ділянку ІІ називають ділянкою малоциклової втоми; ІІІ — ділянкою багатоциклової втоми, або просто втоми.

При випробуванні деяких матеріалів, зокрема вуглецевих сталей за кімнатної температури, права ділянка залежності прямує до горизонтальної лінії (Nр > 107 циклів).

Під циклічною довговічністю розуміють кількість циклів напружень чи деформації, витриманих об'єктом, що навантажується, до граничного стану (утворення втомної тріщини визначеної довжини або повного руйнування).

Якщо прикладання навантажень до матеріалу носить періодичний характер, то сукупність усіх значень напружень, що виникають в матеріалі називають циклом напружень. На опір втомі в основному впливають мінімальні (σmin) і максимальні (σmax) напруження циклу та амплітуда циклу напружень \left(\frac{|\sigma_{max}-\sigma_{min}|}{2}\right). Відношення мінімального напруження циклу до максимального з врахуванням знаків напружень має назву - коефіцієнт асиметрії циклу і позначається літерою r

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

Тоді при симетричному циклі коефіцієнт асиметрії буде становити -1, а границя витривалості в умовах розтягування-стискання буде позначатись σ−1 в умовах кручення τ−1.

Підходи до вивчення втоми[ред.ред. код]

Науку про втому матеріалу можна розділити за підходами до вивчення на:

  • Методи, що базуються на напруженнях (багатоциклова втома — втома матеріалу, за якої втомне пошкоджування і руйнування відбуваються без помітного накопичення деформацій, головним чином за пружної деформації).
  • Методи, що базуються на деформаціях (малоциклова втома — це втома матеріалу, за якої втомне пошкоджування і руйнування відбуваються в основному під час пружно-пластичного деформування).
  • Методи, що базуються на енергії деформації.
  • Методи, що базуються на коефіцієнті інтенсивності напружень (механіка руйнування).

Література[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]