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.

«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 испыткзают 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 направле-

нии. Пластическая же деформация от переменных нагрузок сосредо­точивается в малых объемах, состоящих изнескольких зерен.

В таких перенапряженных зернах возможнонаиболее раннее обра­зование микротрещпн. При определеннойвеличине переменных напря­жений образовавшаяся мик­ротрещина взернах прогрес­сирует, сливается с другим!! микротрещинамн, пересекая весь кристаллит, и вконеч­ном счете распространяется на некоторую область попе­речного сечения детали.

Трещины от переменных нагрузок периодически рас­крываются и закрываются, в результате чего крупныезерна 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 дальнейшем)' росту тре-

Рис. 437

щины, 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 усталосп-называется выносливостью.

На рис. 436 представлен усталостный излом вагонной оси. Нг

этом рисунке отчетливо вид-на более гладкая зона посте-пенного развития трещины, На рис. 437 показан из­лом рельса, где развитш трещины началось изнутр1 сечения. На рис. 438 изо бражен усталостный изло оси, которая подвергалас! изгибу и кручению. Уста лостная трещина начала раз виваться от мест концентра ции напряжений на дне шпо­ночной канавки.