Втома матеріалу

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Приклад руйнування матеріалу колінчастого вала 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».

Різновиди втоми[ред.ред. код]

Термін «втома» застосовується для означення визначального фактора виду руйнування у вигляді несподіваного раптового поділу деталі чи елемента машини на дві або більше частини в результаті дії протягом деякого часу циклічних навантажень або деформацій. Руйнування відбувається шляхом зародження і поширення тріщини, котра стає його причиною після досягнення деякого критичного розміру і стає нестійкою й швидко збільшується. Навантаження і деформації, при яких зазвичай відбувається втомне руйнування, є набагато нижчими від тих, які призводять до руйнування в статичних умовах. Коли величини навантажень і переміщень такі, що руйнування відбувається більше ніж через 10 000 циклів, явище зазвичай називається багатоцикловою втомою. Коли ж величини навантажень і переміщень такі, що руйнування відбувається менше ніж через 10 000 циклів, явище називається малоцикловою втомою.

Коли циклічні навантаження і деформації виникають в деталі в результаті дії циклічно змінного температурного поля, явище зазвичай називається термічною втомою.

Руйнування, що носить назву поверхнева втома, зазвичай відбувається за наявності обертових контактуючих поверхонь. Виявляється воно у вигляді пітінгу, розтріскування і викришування контактуючих поверхонь в результаті дії контактних напружень, під впливом яких на невеликій глибині біля поверхні виникають максимальні за величиною циклічні дотичні напруження. Ці напруження призводять до виникнення тріщин, які виходять на поверхню, при цьому деякі частинки матеріалу відокремлюються. Це явище часто може розглядатись як різновид зношування.

Фретинг-втома — процес накопичування пошкоджень та спрацьовання матеріалів поверхонь, які контактують і здійснюють коливальні відносні переміщення з малою амплітудою під дією циклічного навантаження, яке спричинює змінні деформації зсуву поверхневих шарів, схоплювання і відокремлення частинок, поява оксидів, прискорене утворення тріщин, їх розвивання та руйнування об'єкта[1]. Поверхневі ушкодження і мікротріщини, що з'являються в результаті фретингу відіграють роль зародків втомних тріщин, в результаті зростання яких втомне руйнування відбувається при таких навантаженнях, які в інших умовах не викликали б руйнування.

Ударна втома спостерігається, коли руйнування відбувається при повторній дії ударних навантажень внаслідок утворення та поширення втомних тріщин.

Корозійна втома являє собою складний вид руйнування, при якому спільно позначаються несприятливі ефекти корозії і знакозмінного навантаження, що призводять до руйнування[2]. У процесі корозії на поверхні металу часто утворюються ямки, що стають концентраторами напружень. У результаті концентрації напружень процес втомного руйнування прискорюється. Крім того, тріщини в крихкому шарі продуктів корозії служать зародками втомних тріщин, що поширюються в основний метал. З іншого боку, в результаті дії циклічних напружень або деформацій відбувається розтріскування і відшаровування продуктів корозії, тобто відкривається доступ корозійного середовища до нових шарів металу. Таким чином, обидва процеси прискорюють один одного, і небезпека руйнування зростає.

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 плинності 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.

Випробування на втому[ред.ред. код]

Випробування на втому — випробування за дії циклічного навантаження об'єкта для визначення характеристик опору втомі[3].

При випробуванні на втому, визначають границю витривалості. Для визначення границі витривалості будують криві втоми. При цьому випробовують не менше десяти зразків для одного рівня навантаження. Криві втоми будують у напівлогарифмічних чи логарифмічних координатах[4].

Існують різні схеми випробувань: згин, крутіння, розтяг, стиск. Найпоширенішим методом випробування на втому є випробування на згин при обертанні циліндричного зразка, при якому один згинальний цикл відповідає одному оберту.

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).

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. ДСТУ 2444-94 Розрахунки та випробування на міцність. Опір при втомі. Терміни та визначення.
  2. ДСТУ 3830-98 Корозія металів і сплавів. Терміни та визначення основних понять.
  3. ДСТУ 2824-94 Розрахунки та випробування на міцність. Види і методи механічних випробувань. Терміни та визначення.
  4. ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]