§ 7. Усталость металла

Постепенное и длительное разрушение металла в результате много­кратного (циклического) приложения переменной нагрузки называется усталостью металла.

Изучение усталости металла имеет практическое значение, так как большое количество деталей машин испытывает действие переменных напряжений. Опыт показывает, что детали, работающие а условиях пере­менных напряжений при достаточном числе колебаний нагрузок, разру­шаются при напряжениях, меньших предела прочности и даже предела упругости.

При разрушении деталей вследствие усталости в изломе наблюдаются две зоны (рис. 2). Одна зона представляет собой гладкую, как бы

притертую, поверхность; ее называют зоной разрушения вследствие усталости; другая представляет собой обычный кристаллический излом металла и называется зоной заключительного разрушения. Конфигурация н размеры зон могут быть различными.

Усталостное разрушение происходит без внешних признаков пластичес­кой деформации.При пластической деформации происходит сдвиг в кристал­ле по плоскостям скольжения (плоскостям легчайшего сдвига). Многократ­ность пластической деформации приводит к образованию микротрещин. Пластическая деформация искажает кристаллическую решетку. При этом упрочняются наиболее напряженные зерна аналогично тому, как при стати­ческом пластическом деформировании. В отдельных (дефектных) областях зерен повышенные напряжения могут привести к скольжению, создающему «разрыхления» по плоскостям скольжения.

Многократность переменного деформирования увеличивает число пунк­тов разрыхления вследствие сдвигов в одну и другую стороны. При разрыхле­нии зерно ослабляется и по линии сдвига возникает трещина усталости. Таким образом, при изломе вследствие усталости различают три фазы: упрочнение наиболее напряженных кристаллов; их разрыхление; развитие образовавшейся трещины.

Распространение микротрещины идет от одного слабого места к другому, ослабляя сечение детали. Когда трещина охватывает значительную часть сечения, быстро разрушается остальная часть ослабленной детали.

Микротрещины в отдельных разрозненных зернах неоднородны аналогич­но неоднородности структуры (неметаллическим включениям, порам и др.), поэтому их еще недостаточно для разрушения вследствие усталости. Для развития явления усталости необходимо, чтобы рядом находилось несколько зерен с трещиной усталой и. Следовательно, вероятность усталостного раз­рушения детали зависит от вероятности нахождения рядом нескольких зерен, в которых наряжения могут достичь значения, равного пределу хрупкой прочности. Очевидно, подобная вероятность увеличивается с увели­чением размеров детали, что подтверждается опытами, т. е. чем крупнее деталь, тем ниже предел усталости. Также, чем крупнее деталь, тем больше вероятность наличия слабых мест и дефектов.

Длительные испытания на усталость показывают, что существует опреде­ленное наряжение о», ниже которого металл выдерживает, не разрушаясь, неограниченное число перемен нагрузки (рис. 3). Это напряжение называет­ся пределом выносливости.

Микротрещины усталости могут зарождаться в местах воздействия коррозии, неметаллических включе­ний, усадочных раковин, царапин и рисок от резца, вследствие концентра­ции напряжений в этих местах.

Так как при изгибе и кручении наибо­льшее напряжение возникает на

поверхности детали, то здесь также часто появляются микротрещины ус­талости. Возможность появления тре- р_ис,2Зоны в изломе при усталостном

шин на поверхности детали вслед- разрушении

ствие наличия рисок, царапин кшпкчи ра ини напряжений при изгибе и кручении ука­зывает на зависимость сопротивления уста­лости от состояния поверхности (ее микро­геометрии). Исследования показывают, что чем выше качество обработки, тем выше предел выносливости. Причем наличие рисок Пот реэиа, острых надрезов снижает предел Рис. 3. Кривая усталости выносливости тем больше, чем больше

предел статической прочности.

На предел усталости существенно влияет наличие концентраторов напряжения (уступы, выточки, отверстия, борозды, царапины, резьба, углы, сварные швы и т, д.). Например, обычная резьба снижает предел усталости стержня из мягкой стали до 26%. Значительно снижают усталостную прочность царапины на поверхности, например, царапина нз поверхности цилиндрического стержня глубиной 0,07 мм уменьшает усталостную проч­ность на 40%.

Необходимо также учитывать влияние температуры па предел усталости. Так, при температурах от —40 до -J-200°C заметного изменения предела усталости не наблюдается. Однако для углеродистых сталей при температу­рах более + 200 °С предел усталости повышается вследствие увеличения пластичности и уменьшения возможности появления трегции (при-f375 “С предел усталости на 40% выше, чем при комнатной темнературс). При низких температурах предел выносливости падает.

Переменные напряжения вызывают разрушения при напряжениях, меньших предела прочности деталей и конструкций, изготовленных из металлов и неметаллических материалов. Так, изделия из древесины разрушаются в условиях переменного изгиба при напряжениях, примерно в

3. раза меньших предела прочности. Для изделий и конструкций, изготовлен­ных из полимеров, переменные напряжения также опасны и предел усталос­ти их ниже предела прочности. Однако неметаллические материалы обладают преимуществом перед металлами в смысле сопротивления усталостному разрушению .благодаря их коррозионной стойкости. Поэтому для неметаллов, работающих в коррозионной среде, отсутствует присущее металлам резкое падение предела усталости.