ПОНЯТИЕ ОБ УСТАЛОСТНОМ РАЗРУШЕНИИ И ЕГО ПРИЧИНЫ

С появлением первых машин стало известно, что под воздействием напряжений, переменных во времени, детали машин разрушаются при нагрузках меньше тех, которые опасны при постоянных напряжениях. С развитием техники, созданием быстроходных машин и механизмов стали обнаруживаться изломы осей вагонов и локомотивов, бандажей, колес, рельсов, рессор, разного рода валов, шатунов, кривошипов, пружин, лопаток турбин и т п. Изломы деталей происходили не сразу, а иногда после длительной работы машины или механизма.

Как правило, детали разрушались без видимых остаточных деформаций даже в тех случаях, когда они изготовлялись из пластических материалов. Возникло предположение, что под влиянием переменных напряжений материал с течением времени постепенно перерождается, как бы «устает», и вместо пластического становится хрупким.

Позднее, с усовершенствованием лабораторных методов исследования было установлено, что структура и механические свойства материала от переменных напряжений не меняются, но название «усталость» материалов, хотя оно не отвечает физической природе явления, осталось и им повсюду пользуются и в настоящее время.

Рис. 437

«Усталость» металлов давно привлекает внимание исследователей. Однако природа этих разрушении все еще во многом остается неясной. Наиболее удовлетворительное объяснение состоит в следующем. Металлы, являясь поликристаллическим телом, состоят из кристаллитов, разделенных прослойками, неметаллическими включениями и т. п. Кристаллиты не являются однородными: их строение зависит от условий кристаллизации, прокатки и т. д. Более или менее однородными можно считать части кристаллитов – «зерна». Зерна одного и того же кристаллита обладают различной упругостью, пластичностью, прочностью. При нагрузке отдельные зерна испытывают разные напряжения по величине и направлению. Некоторые из них оказываются пластически деформированными, хотя среднее напряжение по сечению может быть значительно ниже предела упругости. Как показали рентгенографические и металлографические исследования, механизм пластической деформации как при переменных, так и при постоянных нагрузках имеет одинаковую природу. Как в одном, так и в другом случае наблюдаются сдвиги и искажения кристаллической⁴ решетки. Однако между ними имеется качественное различие. Пластической деформацией от статического нагружения охватывается весь объем образца, и деформируется он в одном направлении. Пластическая же деформация от переменных нагрузок сосредоточивается в малых объемах, состоящих из нескольких зерен.

В таких перенапряженных зернах возможно наиболее раннее образование микротрещин. При определенной величине переменных напряжений образовавшаяся микротрещина в зернах прогрессирует, сливается с другими микротрещинами, пересекая весь кристаллит, и в конечном счете распространяется на некоторую область поперечного сечения детали.

Рис. 436

Трещины от переменных нагрузок периодически раскрываются и закрываются, в результате чего крупные зерна измельчаются. Этим можно объяснить наличие гладкой (мелкозернистой) зоны в месте усталостного разрушения. На дне трещин, как в остром надрезе, возникает большая концентрация напряжений. Материал в этом месте испытывает объемное напряженное состояние, тормозящее пластическую деформацию. Все это способствует дальнейшему росту трещины, увеличение которой в конечном итоге сильно ослабляет сечение детали и приводит ее к внезапному (хрупкому) разрушению. Таким образом, под усталостью в настоящее время понимают процесс постепенного накопления повреждений материала при действии переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Свойство же материала противостоять усталости называется выносливостью.

Рис. 438

На рис. 436 представлен усталостный излом вагонной оси. На этом рисунке отчетливо видна более гладкая зона постепенного развития трещины, На рис. 437 показан излом рельса, где развитие трещины началось изнутри сечения. На рис. 438 изображен усталостный излом оси, которая подвергалась изгибу и кручению. Усталостная трещина начала развиваться от мест концентрации напряжений на дне шпоночной канавки.