3.2. Усталостное разрушение металлов

Разрушение металлов при циклическом нагруженииотличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получит только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению (нагрузке). Это фокус излома и очаг разрушения, они чаще образуются в местах различных дефектов и концентраторов напряжений.

Зародившаяся трещина под действием циклических напряжений продвигается далее прерывисто (избирательно), что связано с местной пластической деформацией (наклепом) металла у вершины трещины. Металл состоит из большого числа различно ориентированных зерен, которые оказывают неодинаковое сопротивление нагрузке (напряжению). Неблагоприятно расположенные зерна оказываются «слабыми», и в них происходят сдвиги (пластическая деформация). В других зернах эта же нагрузка вызывает только упругую деформацию, следовательно, трещина будет распространяться в сторону наименьшего сопротивления. Местная многократно повторяющаяся пластическая деформация вызывает появление на изломе характерных полос. В зоне излома обычно видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения. Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. На изломе это участок ускоренного развития трещины – переходная зона между участком усталостного развития трещины и зоной долома, которая является последней частью усталостного разрушения и образуется быстро – в течение одного или нескольких циклов нагружения металла.

Таким образом, для усталостного излома характерно как минимум наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 21).

Из сказанного выше можно сформулировать особенности усталостного разрушения:

разрушение происходит при напряжениях меньше временного сопротивления _ви иногда – меньше предела текучести_т;

зарождается в поверхностных слоях, локально, или около концентраторов напряжений;

имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости: процесс накопления напряжений и образование трещин усталости, их слияние в магистральную трещину, избирательное развитие трещины, затем – ускоренное и долом;

трещина усталости растет прерывисто, избирательно, скачками, что связано с пластической деформацией (наклепом) металла у ее вершины, поэтому у пластичных металлов сопротивление распространению трещины намного выше, чем сопротивление ее зарождению;

усталостному разрушению деталей способствуют дополнительные факторы: кольцевые выточки, канавки, отверстия, риски, царапины, кернение, сварные швы, пайка, следы износа, коррозия и пр.

Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).