Усталость металла это кратко

Обновлено: 02.07.2024

УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ, явление изменения механических свойств материала под влиянием переменных нагрузок и вибраций. Развитие авто- и авиастроения, а также тенденция современного машиностроения в сторону быстроходных моторов, электродвигателей, турбин и прочего требуют знания свойств металлов при переменном действии (до сотен миллионов циклов) нагрузки. Вследствие этого вопросами усталости металлов занимаются виднейшие металловеды современности. Еще Велер (Wohler) показал, что сталь, испытывающая переменные напряжения (динамические воздействия сил) в быстроходных машинах, разрушается при значительно меньшем напряжении, чем сталь, подвергаемая только статическому действию сил. Баушингер (Bauschinger) установил, что у стали существует т. н. предел усталости , т. е. такое напряжение, при котором сталь практически выдерживает не менее 10000000 изменений напряжений.

Как видно из логарифмической диаграммы зависимости разрушающего напряжения σ_b от числа изменений нагрузки образца или, как принято это называть, от числа циклов n (фиг. 1), кривая при приближении к миллиону изменений нагрузки (циклов) становится параллельной горизонтальной оси, что указывает на достижение предела усталости К_г.

Кроме того опыты показали, что величина этого предела усталости различна для разных сталей и что даже у двух сталей А и Б (фиг. 1) с одинаковым статическим временным сопротивлением предел усталости м. б. различным - сталь А несмотря на худшие механические свойства при меньшем числе изменений нагрузки обладает более высоким пределом усталости К'_г, нежели сталь Б - К”_r. Когда какая-нибудь деталь в службе ломается вследствие усталости металла, излом ее (фиг. 2) обычно состоит из двух характерных частей: 1) крупнокристаллической а в середине, получившейся в момент окончательного разрушения образца, и 2) мелкозернистой б, получившейся вследствие трения первоначальных трещин и надрывов при многочисленных изменениях напряжений. При этом никакой видимой остаточной деформации в виде изгиба или сужения поперечного сечения, как это бывает в случае разрушения при статической нагрузке, при усталости не наблюдается.

Причиной усталости металлов являются трещины, которые, по мнению Розенгейна, возникают благодаря сосредоточениям местных напряжений в точках исчерпания пластичности металла. Первая появившаяся, хотя бы микроскопическая, трещина является надрезом с острым входящим углом, в вершине которого происходит значительное увеличение местных напряжений, в результате чего трещина распространяется в ширину и глубину.

Переменные деформации оставшейся целой части сечения вызывают трение одной стенки трещины о другую, вследствие чего поверхность излома сглаживается и получает характер мелкозернистости; после того как сечение достаточно ослаблено трещинами, остальная уцелевшая часть сечения ломается сразу, давая характерный, ясно выраженный кристаллический излом. Если прервать испытание на усталость после нескольких миллионов изменений напряжений (циклов), то металл, несмотря на отсутствие остаточной деформации, является значительно упроченным и более твердым. Это явление подобно наклепу после холодной обработки или после перехода предела упругости при статических испытаниях. Если же образец стали подвергать нескольким тысячам циклов напряжений выше предела усталости, то он окончательно портится и в дальнейшем не выдерживает большого числа циклов даже при напряжениях более низких, чем его предел усталости. Кроме того часто бывает, что несмотря на низкие расчетные напряжения действительные напряжения вследствие резких переходов, острых углов, шпоночных канавок, нарезок и т. д. значительно превышают расчетные. Поэтому конструкции, подвергающиеся переменному действию напряжений, не должны иметь резких переходов, острых углов, а также и местных уменьшений сечений. Начало образования трещин обычно лежит в месте сосредоточения напряжений: гл. обр. во входящих острых углах, хотя бы весьма малой величины, например, в форме царапин или следов инструмента, оставшихся после обработки; поэтому создание гладких шлифованных поверхностей без мелких царапин и трещин повышает сопротивляемость усталости. Загрязненный и пузыристый металл и внутренние дефекты, подобные трещинам, также сильно понижают предел усталости. Применением чистого металла и введением специальных новых сплавов и сложных сталей удалось значительно повысить этот предел. Вообще однородные тонкие сорбитные структуры обладают очень высоким пределом усталости, тогда как у перлитно-ферритных агрегатов, особенно с грубым перлитом, этот предел низкий. Лер (Lher) испытал влияние поверхностных царапин на понижение предела усталости и нашел, что мягкие углеродистые стали мало чувствительны к поверхностным повреждениям, тогда как высокоуглеродистые очень к ним чувствительны. Большая вязкость и большое поглощение энергии мягкими сталями делают невозможным появление высоких местных напряжений и разрывов в поврежденных местах, и происходящие в них местные деформации выравнивают распределение напряжений. Резкие изменения сечения значительно понижают предел усталости. Например, при испытании образцов, вырезанных из сталей для коленчатых валов, образец с резким утолщением сечения в середине дал предел усталости всего 36 кг/мм 2 , тогда как у образца без этого утолщения предел усталости был 58 кг/мм 2 .

Временное сопротивление этой стали 126 кг/мм 2 . Если какая-нибудь деталь подвергается часто изменяющимся колебаниям нагрузки, весьма важно устранить у нее всякое разъедание поверхности, т. к. оно очень сильно понижает предел усталости. Мак-Адам (Mac-Adam) блестяще показал влияние коррозии при усталости, например, по его опытам предел усталости стали, лежавший около 80 кг/мм 2 , понизился после коррозии в десять раз, т. е. до 8 кг/мм 2 . Он ввел особый тип испытаний на усталость металлов при одновременной коррозии их. Кроме этого обезуглероживание поверхности, присутствие ржавчины, окалины или остатков внутренних напряжений после закалки, ковки, холодной обработки и пр. также весьма сильно снижают предел усталости.

Машины для испытания металлов на усталость . По основным видам напряжений машины для испытания на усталость можно разделить на следующие четыре типа: 1) при повторно-переменном изгибе; 2) при растяжении, сжатии; 3) при кручении и 4) при изгибе с перегибом. Помимо этого существуют машины для испытания металлов на усталость при повторной ударной нагрузке, а также для исследования длительного действия высоких температур на устойчивость нагруженного образца против деформации. На фиг. 3 изображена самая распространенная простая и недорогая машина профессора Мура (Moore) для определения предела усталости при изгибе вращающегося около своей оси образца, а на фиг. За дана ее схема.

Образец а нагружается с помощью груза Р через систему двух тяг б и двух шариковых подшипников в, так. обр. образец подвергается чистому изгибу постоянным моментом lP/2. Следовательно верхние волокна образца подвергаются сжатию, а нижние - растяжению; после поворота образца на 180° сжатые волокна попадут вниз и испытают растяжение, а растянутые, наоборот, попадут вверх и будут сжиматься. Т. о. при вращении от электромотора г периферические волокна образца подвергаются переменному растяжению-сжатию. Имея большое количество образцов одного какого-нибудь металла, их подвергают испытанию сначала при небольшом напряжении. Число оборотов берут по счетчику: для стали - около 10000000, а для некоторых сплавов дуралюмина, монеля и пр., не обладающих явным пределом усталости, гораздо больше, например 500000000. Постепенно увеличивая напряжение, доводят один из серии образцов до разрушения при числе оборотов, меньшем вышеуказанного. Тогда наибольшее из напряжений, не разрушившее образца, и будет пределом усталости. Конечно, эти испытания очень длительны. За последнее время в Германии изобретены способы и сконструированы машины для быстрого определения предела усталости по резкому изменению в момент достижения предела усталости температуры образца или мощности, поглощаемой им при деформации.

В некоторых машинах определение предела усталости очень наглядно улавливается по образованию петли гистерезиса, о которой ниже будет сказано подробно. Следует отметить, что зарождение внутренних трещин, т. е. начало усталости в некоторых материалах, появляется настолько медленно и незаметно, что в некоторых случаях методы быстрого определения предела усталости ненадежны. Обычный способ определения предела усталости длительными испытаниями образцов по своей надежности является незаменимым. Только в соединении с ним быстрые методы ускоряют результаты испытаний, нащупывая приблизительно предел усталости, который затем проверяется длительными испытаниями. Помимо этого, однако, не которые из быстрых методов имеют и самостоятельное значение. На фиг. 4 изображена диаграмма изменений прогиба f образца (кривая а), его температуры t (кривая б) и мощности N, поглощаемой им при вращении (кривая в), в зависимости от изменения величины σ переменных напряжений.

Стальной образец диаметром 7,5 мм при испытуемой длине 75 мм обнаружил резкое возрастание температуры и поглощаемой мощности при переменном напряжении σ = 47 кг/мм 2 . Предел усталости К_r этой стали, определенный обычным длительным испытанием, оказался также равным 47 кг/мм 2 . Лер произвел подробные испытания при переменном изгибе над 150 различными металлами, причем в 70% случаев предел усталости, определенный быстрым методом по поглощению образцом энергии и полученный длительным испытанием по классическому методу Велера (Vohler), совпал. Для остальных 30 % случаев предел усталости, определенный быстрым методом, был несколько ниже полученного длительным методом. На фиг. 5 изображена машина для испытания на усталость типа Мура со всеми приспособлениями для быстрого определения предела усталости: а - электромотор постоянного тока, вращающий образец; у мотора статор может поворачиваться относительно оси мотора, что и позволяет определить вращающий момент, а следовательно и мощность, затрачиваемую на деформацию образца; б - образец и опоры с индикаторами, показывающими прогиб; в - пирометр, измеряющий температуру образца; г - мотор-генератор, превращающий переменный ток в постоянный; д - распределительная доска с электроизмерительными приборами и регулировочными реостатами; е - маховичок, передвигающий груз по рычагу для изменения нагрузки образца.

Замечательный пример машины для испытания на усталость при растяжении-сжатии представляет машина Шенка, основанная на принципе использования резонанса между двумя колебательными системами: упругой механической и электрической. Такая машина позволяет осуществить 30000 перемен напряжений в мин. На фиг. 6 изображена схема этой машины.

Образец а укрепляется своим верхним концом в колоколе б весом 500 кг. Колокол опирается двумя пружинами в на станину машины весом 750 кг. Натягивая эти пружины, можно давать любое предварительное напряжение образцу. Нижний конец образца укрепляется в якоре г весом 50 кг, который периодически притягивается и отталкивается электромагнитом д и вызывает растяжение-сжатие образца. Образец малого размера: диаметр его 5 мм, а расчетная длина 50 мм. Якорь г соединен со станиной двумя входящими одна в другую толстостенными стальными трубами е, упругие деформации которых являются механической колебательной системой машины.

Электрическая часть машины состоит из частотного генератора, дающего переменный ток с 500 пер/сек., и генератора постоянного тока. Электромагнит д имеет 2 обмотки: первая, питаемая током высокой частоты, вызывает колебания якоря г, а вторая создает постоянное поле магнита и служит связью между электрическими и механическими колебательными системами. Обе системы имеют одинаковое число колебаний в секунду. Подобно машине для испытания на усталость при изгибе эта машина также имеет оборудование для изменения энергии, поглощаемой образцом, его температуры и деформации.

Машина Шенка для испытания на усталость при кручении позволяет получить во время опыта петли гистерезиса (фиг. 7), т. е. явления отставания деформации от изменения нагрузки. На этих кривых по вертикальной оси откладывается угол закручивания ϕ образца, а по горизонтальной - напряжение τ или крутящий момент. Образование петли гистерезиса служит признаком перехода предела усталости. До напряжения ±40 кг/мм 2 , пока предел усталости не перейден, кривая а представляет собой наклонную прямую, а по переходе его - при напряжении ±45, ±50 и ±53 кг/мм 2 (кривые б, е и г) - появляются характерные петли гистерезиса, площадь которых дает количество энергии, поглощаемой образцом за один цикл. Помимо этого при испытании определяется изменение температуры образца и количество перемен напряжений. На фиг. 8 изображена схема машины завода MAW для испытания на усталость при сгибе с повторным перегибом. Намагничивая и размагничивая электромагнит а, можно подвергать образец б повторному перегибу. Зная модуль упругости испытуемого образца и получающуюся при опыте деформацию, легко определить возникающие в нем напряжения. Эта машина имеет большое практическое значение, особенно при испытании на усталость пружинной проволоки и образцов мелких сечений.

В общем, обычные испытания на усталость сводятся к определению следующих величин: 1) определению предела усталости по длительному испытанию нескольких образцов; 2) построению кривой поглощения образцом энергии; 3) получению петли гистерезиса; 4) построению кривой деформации образца; 5) построению кривой изменения температуры образца. Для всестороннего исследования вопроса об усталости металлов важно определение всех этих величин. Лер указывает, что для деталей, работающих с высокими напряжениями (рессоры и пружины), особенно важно иметь высокий предел усталости. Для деталей же, подвергающихся свободным колебаниям(коленчатые валы с большим числом оборотов), требуется большая площадь петли гистерезиса или большое количество поглощаемой энергии до предела усталости.

Тогда рост колебаний будет задерживаться внутренним поглощением энергии материалом. При сравнении результатов испытаний на усталость при изгибе с числом перемен напряжений 3000 в минуту и при растяжении-сжатии с числом 30000 перемен в минуту оказалось, что в последнем случае (при высокой частоте) предел усталости выше; повышение для сталей иногда достигает 12%, а для латуни даже 35%. Предел усталости при кручении составляет не более 50% предела усталости при изгибе.

В некоторых случаях производятся испытания на усталость металлов при повторной ударной нагрузке ; на фиг. 9 изображен общий вид машины Лозенгаузена (Loosenhausen) для таких испытаний. Образец диаметром 15 мм, лежащий на двух опорах с расстоянием 100 мм, подвергается в середине ударам бабы весом в 5 кг, падающей с высоты 30 мм; между ударами образец поворачивается на 180°; число ударов учитывается счетчиком. Подъем бабы производится кулачковым валом, приводимым во вращение от электромотора. В случае разрушения образца баба, падая вниз, автоматически выключает кулачковый вал. Для ускорения и увеличения пропускной способности эти машины строят двойными. Машины для испытаний при повторной ударной нагрузке весьма практичны для исследования чугунов, так как при этом гораздо лучше, чем при статических испытаниях на изгиб, выявляется преимущество высокосортных перлитных чугунов перед обыкновенными.

Особое место занимают испытания на устойчивость металлов против деформации под влиянием постоянного напряжения при высоких температурах. При этих испытаниях образец нагревается и поддерживается при постоянной высокой температуре при посредстве электропечи; нагрузка производится при помощи рычага постоянным грузом; деформация измеряется точным экстензометром и для хорошего материала должна иметь величину, очень близкую к постоянной. На фиг. 10 изображена диаграмма удлинения ε в зависимости от времени t для напряжений σ₁, σ₂, σ₃, σ₄. Металл считают механически устойчивым при высоких температурах, если Δε/Δtне превосходит обусловленной техническими условиями величины при определенном числе часов испытания. Результаты испытаний низкоуглеродистой стали, аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали КА2 и нихрома № 1100 приведены в таблице.

Результаты обычных испытаний на усталость . Мягкое технически чистое железо имеет предел усталости при изгибе-вращении около 60% от его временного сопротивления; у низкоуглеродистых отожженных или нормализованных сталей с 0,10—0,15% углерода он около 50%, а по мере увеличения содержания в стали углерода он понижается до 40 и даже 28%; абсолютная же его величина все время увеличивается. Холодная обработка также дает абсолютное увеличение предела усталости, но уменьшение его относительно временного сопротивления: мягкое технически чистое железо после холодной обработки имеет предел усталости всего 45% от временного сопротивления. Самого высокого предела усталости у стали можно добиться при получении у нее однородной сорбитной структуры без внутренних напряжений, т. е. после закалки и длительного отпуска. В такой стали, если она лишена значительных количеств неметаллических включений, внутренних трещин и т. д., предел усталости составляет 45—55% временного сопротивления, которое м. б. 150 кг/мм 2 . При временном сопротивлении выше 200 кг/мм 2 вследствие внутренних напряжений предел усталости не обнаруживает заметного абсолютного повышения. Аустенитные стали имеют предел усталости, равный ~ 50% от временного сопротивления, и подобно чисто ферритным агрегатам обнаруживают предел пропорциональности ниже предела усталости. Цементированные и нитрированные стали хорошо сопротивляются усталости металла, хотя всегда есть опасность образования трещин вследствие хрупкости их поверхности, что наблюдается часто у оцинкованных сталей. Цементированные стали имеют предел усталости около 40 кг/мм 2 , а нитрированные - около 60 кг/мм 2 . Хорошо отожженные стальные отливки имеют предел усталости около 40% от временного сопротивления, а серый чугун, по причине наличия графитных выделений, действующих подобно трещинам, обладает неопределенным и низким пределом усталости, зависящим от размеров и форм пластинок графита в нем. При наличии коррозии предел усталости всегда очень низок и редко превышает 15 кг/мм 2 , даже нержавеющие стали и те чувствительны к коррозии. Испытания на усталость цветных металлов обнаруживают весьма разнообразную картину, в общем же их предел усталости почти всегда ниже, чем у стали, и холодная обработка не всегда его повышает. Некоторые цветные металлы при временном сопротивлении в 60 кг/мм 2 дают предел усталости всего 10 кг/мм 2 . Мягкая медь имеет предел усталости около 7 кг/мм 2 , но холодной обработкой он м. б. повышен. Никель и в особенности монель-металл (сплав никеля с медью) не имеют ясно выраженного предела усталости: после 500000000 изменений напряжений они выдерживают 15—20 кг/мм 2 , благодаря стойкости в отношении коррозии они лучше обычной стали сопротивляются усталости при разъедании. Закаленный и состаренный дуралюмин также после 500000000 циклов дает предел усталости около 10 кг/мм 2 ; поковки для пропеллеров имеют этот предел около 7 кг/мм 2 . Дуралюмин боится коррозии соленой водой, но, покрытый тонким слоем чистого алюминия, может выдержать перемены напряжения до 7 кг/мм 2 в условиях сильного разъедания. В общем, испытания на усталость металлов в настоящее время являются делом исследовательских институтов и лабораторий. Они сложны, длительны и требуют самого тщательного выполнения, однородности образцов и т. д. С помощью их выявляются общие основы для оценки разных сплавов и их термообработки, служить же рядовыми испытаниями для повседневного контроля заводской продукции они пока еще не могут.

Ярким примером усталостных трещин — металлические детали ходовой части автомобиля. Многие наверное замечали, что разрушение металла происходит, иногда, без видимых на то причин.

Виной тому — усталость металла.

Для каждого металлического изделия есть свои регламентные сроки эксплуатации, которые обязательно необходимо соблюдать.

Напоследок небольшой гайд по свойствам металла:

Твердость — это способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство металла сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство металла восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность металла изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство металла разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

Усталость материала — процесс постепенного накопления повреждений в детали под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала детали за указанное количество циклов нагружения. А разрушение как всегда может быть неожиданным для всех, если заранее трубопровод не был подвержен расчету на усталостную прочность.
Локальное перенапряжение компонента может вызвать небольшую трещину, которая медленно растет с последующими рабочими циклами, а компонент продолжает ослабевать. Когда трещина достигает критического размера, компонент резко выходит из строя без предупреждений. Такой отказ известен как усталостное разрушение металла.
Усталостное разрушение металла происходит в три стадии:
1. Появление трещины
2. Распространение трещины
3. Разрушение металла

Усталость металла напрямую связана с количеством циклов напряжения и величиной приложенного к ней напряжения. Если локальные напряжения поддерживаются ниже определенного значения, металл не будет иметь усталостного разрушения, и деталь будет работать удовлетворительно в течение бесконечного периода времени. Это предельное значение известно как предел выносливости материала.
На усталость металла в значительной степени так же влияет наличие концентраторов напряжения, таких как отверстия, зазубрины, сварные швы, коррозия и т.п. Качество поверхности детали также играет большую роль в усталостном разрушении металла. Гладкая поверхность увеличивает усталостную долговечность.
В зависимости от того, как происходит усталостное разрушение металлической детали, они могут быть сгруппированы по различным типам:
1. Разрушение из-за перепадов температур – температурной истории нагружений.
2. Усталостное разрушение из-за совместных циклов температуры и давления.
3. Усталостное разрушение из-за высококоррозионной среды, когда первоначальная трещина возникает в результате и в месте коррозии.
4. Разрушение из-за постоянной вибрации от механического оборудования. Этот тип усталости металла возникает из-за напряжений, возникающих с течением времени, и включает коррозию и усталостное разрушение из-за вибрации.

Очень важно определить грань, при которой материал, подвергаясь циклической нагрузке, будет работать. Для определения усталостной прочности материала в лабораториях образец для испытаний готовят в соответствии со стандартными инструкциями в результате чего, мы получаем кривые усталости, которые строятся при различных уровнях нагрузки и количестве циклов нагружения, до полного его отказа.
Пример диаграммы усталостного разрушения ниже.

При проектировании трубопровода необходимо учитывать различные факторы, чтобы увеличить его усталостную долговечность. Например, значительное увеличение прочности даёт химико-термическая обработка металлов, например, поверхностное азотирование или газотермическое напыление. Кроме этого, можно посоветовать следующие проектные решения:
1. Избегать острых углов: использование больших радиусов снизит уровни концентрации напряжений, что, в свою очередь, увеличит усталостную прочность металла.
2. Предотвращение резких изменений поперечного сечения: усталостную прочность металла можно увеличить за счет плавного перехода между поперечными сечениями.
3. Усталостная прочность материалов увеличивается с уменьшением шероховатости поверхности, поскольку отполированные поверхности устраняют концентраторы напряжения.
4. Сварка хорошего качества без включений, пористости или червоточин.
5. Выбор материалов с хорошими усталостными свойствами.

Как мы видим, усталостное разрушение более коварное, нежели чем обычное, поэтому так важно выполнить анализ усталости еще на этапе проектирования. Обычно на этой стадии, инженер уже знает материал, который будет использоваться в проекте, и рабочие параметры среды, поэтому ему остается только выбрать программное обеспечение, которое может выполнять анализ усталости различных компонентов.

Если бы вы знали, как был взволнован весь технический мир, когда в середине XIX века начали обнаруживаться случаи внезапного разрушения осей почтовых карет, шеек вагонных осей и других механизмов, сделанных из вполне надежного и добротного металла!

Так, в 1842 г. неподалеку от Версаля переполненный пассажирский состав с французами, возвращавшимися с дворцового праздника, сошел с рельсов и загорелся из-за того, что в локомотиве сломалась ось. Именно тогда французы отказались от практики запирать железнодорожные вагоны, а ученые начали всесторонне исследовать причину возникшей проблемы. Инженерам, металлургам, материаловедам лишь предстояло понять и сформулировать, что такое усталость металлов и сплавов и от чего она зависит.

Испытание на усталость металла

Постепенно было замечено, что разрушения происходят в случаях, когда металлическое изделие подвергается либо многочисленным повторным нагрузкам (в сочетании с разгрузками) либо нагрузкам в противоположных направлениях. Например, поочередные сжатия и растяжения, повторные изгибы в разные стороны и т.п. Для выяснения причин этих тревожных явлений было решено изучить вопрос пригодности железа как материала для постройки мостов. Наблюдавшиеся поломки можно было объяснить двумя причинами. Либо прочность металла имеет свойство падать вне зависимости от условий его эксплуатации (это стало бы настоящей катастрофой для активно развивающегося промышленного производства!), либо разрушение вызывается многократной сменой напряжений.

Чтобы решить, какая из догадок была верна, исследователи провели следующий опыт. Несколько чугунных стержней были нагружены до напряжений, еще не вызывающих разрушения, но уже очень близких к таковым (напомним, что чугун – достаточно хрупкий материал, который разрушается без остаточной деформации). В нагруженном состоянии стержни были оставлены на четыре года. По прошествии этого срока оказалось, что образцы не разрушены. Следовательно, первое предположение естествоиспытателей являлось ошибочным. Затем были поставлены опыты с изломом чугунных балок под действием падающего на них груза. При каждом ударе измерялся полученный балкой прогиб. Выяснилось, что при прогибе, равном половине того прогиба, который дает излом балки от однократного удара, образец ломался после 4 тыс. ударов. А вот при прогибе, равном одной трети прогиба излома, балка выдерживала значительно больше, чем 4 тыс. ударов.

Таким образом, была доказана опасность повторных напряжений, которые достигают по величине половины от однократно ломающих металл. Чтобы исключить решающую роль вибраций, которые неизбежно сопровождают каждый удар, провели и опыты со спокойно действующей повторной нагрузкой – они привели к тем же результатам. Целый ряд систематических исследований, проведенных впоследствии, доказал внешнюю, механическую картину разрушений от повторных нагрузок. Эти разрушения пришлось приписать новому свойству металлов. Как и живому организму, им оказалось присуща способность испытывать усталость.

Усталость металла в действии

Стоит вспомнить аварию на Саяно-Шушенской ГЭС, которую по социальным и экономическим последствиям сравнивали с аварией на Чернобыльской АЭС. Эта техногенная катастрофа на р. Енисей произошла в 2009 г. и до сих пор считается крупнейшей поломкой в истории гидроэнергетики, повлекшей за собой человеческие жертвы, инфраструктурный ущерб и серьезное загрязнение акватории реки. В результате аварии погибло 75 человек, здание станции и технологическое оборудование было затоплено и практически разрушено, а производство электроэнергии остановлено. Перебои со связью и отсутствие информации о состоянии плотины вызвали панику у местных жителей, которые начали спонтанную эвакуацию в населенные пункты выше по течению Енисея. Нормальная жизнь и энергетическая безопасность региона были серьезно нарушены. Для восстановления Саяно-Шушенской ГЭС потребовалось целых пять лет. В выводах Ростехнадзора о причинах аварии фигурируют именно усталостные повреждения узлов креплений, удерживающих крышку турбины гидроэлектростанции.

Как определить усталость металла?

Несмотря на то, что усталость – это свойство, присущее самой природе металла, подобные катастрофы, вызванные усталостным напряжением, сейчас случаются редко. Дело в том, что законы усталости уже хорошо изучены. Это позволяет вести с ней организованную борьбу в конструктивном, технологическом и металлургическом направлениях. Но для начала поговорим о том, как можно определить, что металл начинает уставать. Для этого существует несколько методов:

Визуальный контроль. Выявление трещин или других деформаций
Прослушивание. Поврежденный металл издает специфический стук
Ультразвуковой контроль и радиологическое исследование (рентген). В этом смысле диагностика металлической конструкции и человеческого тела очень схожи
Флуоресцентные пигменты. Они делают трещины видимыми.
Магнитные порошки. Применяются для деталей, изготовленных из железа.

Отдельно оговоримся, что если металл находится в среде, оказывающей вредное разъедающее действие или, иначе говоря, в коррозионной среде, он ведет себя особым образом. Коррозия значительно способствует распространению усталостной трещины, которая при этом может зарождаться при меньших напряжениях, а углубляться ускоренными темпами. Возникает так называемая коррозионная усталость металла. Защиту от нее дают всевозможные поверхностные покрытия - от окраски до гальванизации.

Как бороться с усталостью металла?

Конструктивные меры борьбы с усталостью заключаются в придании деталям таких форм, при которых отсутствуют острые или мало закругленные входящие углы, резкие переходы сечений, выточки малого радиуса и т.п. В противном случае возникает опасность резкой концентрации напряжений. Часто для устранения конструктивных ошибок достаточно просто увеличить размеры детали. Это снизит напряжение и будет препятствовать превышению предела усталости.

Технологические меры борьбы с усталостью зачастую сводятся к правильной технологической обработке деталей. К примеру, в деталях из высокопрочной стали в первую очередь обращается внимание на шлифовку поверхности. При этом неправильная сборка конструкций также способна создать опасные переменные напряжения.

Нельзя забывать и о металлургической линии борьбы с поломками от усталости. Центрами, из которых начинается усталостная трещина, могут являться посторонние включения, встречающиеся в металле из-за загрязнения при его отливке (например, шлаковые включения). Однако, отметим, что на современном этапе развития отрасли ведущие металлургические предприятия целенаправленно работают как над повышением чистоты металла, так и над усовершенствованием химического состава и процессов термообработки выпускаемых продуктов.

В результате инженеры и строители сейчас имеют дело с принципиально иными, более прочными сортами стали. Им все еще знакома усталость, но критические поломки металлических конструкций и деталей из-за усталостного напряжения практически сведены к минимуму.

Читайте также: