Механізм руйнування від втомленості

Руйнування належить до одного з видів порушення міцності, яке для конструкції або її окремого елемента може відбуватись внаслідок надмірної (пружної або пластичної) деформації, втрати стійкості, поділу на окремі частини тощо. Руйнування може бути частковим або повним. При частковому руйнуванні у тілі виникають пошкодження матеріалу у вигляді окремих тріщин або розподілених дефектів матеріалу, що виявляються у зміні в бік погіршення механічних властивостей матеріалу. При повному руйнуванні відбувається поділ тіла на частини.

Розрізняють основні типи руйнування – крихке та пластичне. Крихке руйнування відбувається у відсутності пластичних деформацій. Такий тип руйнування інколи називають «пружним».

Якщо пластичні деформації зосереджені тільки в тонкому шарі біля поверхні деталі, а основний її об’єм знаходиться у пружному стані, руйнування називають квазікрихким. Пластичне руйнування відбувається після істотної пластичної деформації, яка охоплює значну частину перерізу тіла.

Руйнування від втомленості відбувається при циклічному навантаженні тіла внаслідок накопичення у ньому необоротних пошкоджень, що призводять до появи та розвитку тріщин. Злам при такому руйнуванні макроскопічно є крихким.

Розрізняють багато- та малоциклічну втомленість. Багатоциклічна втомленість (або просто втомленість) відбувається з напруженнями, меншими за границю текучості, зміна яких у часі приводить до макроскопічно пружного деформування.

Малоциклічна втомленість характеризується номінальними напруженнями, більшими за границю текучості, тому при кожному циклі навантаження в тілі з’являється макроскопічна пластична деформація. Розгляд таких задач виходить за рамки курсу опору матеріалів, тому в даному посібнику вони відсутні.

Явище втомленості найбільш докладно вивчено на металах, бо переважна більшість деталей, що зазнають багаторазову дію змінних у часі напружень, виготовляється саме з них.

Для кращого розуміння фізичних процесів, які виникають при змінних навантаженнях, нагадаємо, що усі метали є полікристалічними речовинами. Вони мають хаотичну структуру , яка складається з окремих зерен і не становлять однорідний моноліт, яким вважають матеріал згідно з основними гіпотезами опору матеріалів. Зерна технічних металів є сукупністю кристалів (кристалітів), які мають неправильну огранку. Полікристалічність матеріалу і його неоднорідність веде до того, що під дією навантажень в окремих зернах виникають перенапруження і створюються умови до появи мікротріщин. Якщо напруження не статичні, а змінні у часі, то з’являється можливість розвитку та руху мікротріщин, що у решті - решт призводить до зламу деталі.

Виникнення тріщин від утоми можна пояснити також вичерпанням здатності кристалічних зерен чинити опір зсуву. Якщо напруження між кристалами досягають певного рівня, у площинах ковзання кристаліту відбуваються незворотні зсуви. Зсунуті одна відносно одної групи атомів вже не утворюють єдиних атомних ґраток. Розрив атомних зв’язків призводить до появи дуже дрібних мікротріщин, кожна з яких може стати осередком розвитку тріщини від втомленості.

Зі сказаного випливає, що механізм утворення тріщин при дії повторно - змінних напружень є дуже складним і не може вважатись повністю вивченим.

Однак, безумовно, можна зазначити, що:

§ процеси, які відбуваються у металі при повторно - змінних напруженнях, носять виражений місцевий характер;

§ вирішальний вплив на процеси утоми до утворення першої тріщини включно мають дотичні та розтягуючі нормальні напруження, які спричиняють пластичні зсуви та руйнування відповідно.

Процеси виникнення і подальшого розвитку тріщини від втомленості, що призводять до руйнування, можна умовно розподілити на три фази.

Перша фаза (зародження мікротріщини) найчастіше розпочинається у зернах, які лежать ближче до поверхні деталі (рис. 3). Пояснюється це тим, що поверхневі шари матеріалу певною мірою мають сліди пошкоджень внаслідок технологічної обробки деталі. Крім того, зовнішні шари матеріалу зазнають найбільших напружень у разі циклічного згинання та кручення.

Рисунок 3 – Злам деталі від втомленості

Друга фаза (розвитку мікротріщини) пов’язана з появою певної кількості інших мікротріщин, їх групуванням і поєднанням в макротріщину. Зона 2 (рис. 3), яка відповідає другій фазі, має гладкий матовий вигляд і тонковолокнисту структуру. Іноді у цій зоні спостерігається слід магістральної макротріщини.

Третя фаза – зона остаточного зламу від втомленості. Зона зламу 3 (див. рис. 3) має крупнокристалічну структуру, навіть для пластичних металів, бо остаточне руйнування є крихким.