Что значит усталость металла

Что такое «усталость» металла?

«Усталость» металла — свойство, при котором под внешним воздействием (перепады температур, переменные механические нагрузки, воздействие электрического тока и др.) происходят незаметные глазу микроразрушения, которые снижают прочность металла, в результате чего изделие становится невозможным эксплуатировать.

Ярким примером усталостных трещин — металлические детали ходовой части автомобиля. Многие наверное замечали, что разрушение металла происходит, иногда, без видимых на то причин.

Виной тому — усталость металла.

Для каждого металлического изделия есть свои регламентные сроки эксплуатации, которые обязательно необходимо соблюдать.

Кстати, это явление впервые было обнаружено в начале прошлого века и положило начало целому разделу физики, которая стала называться «физика усталости материалов».

Напоследок небольшой гайд по свойствам металла:

Твердость — это способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство металла сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство металла восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность металла изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство металла разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

Источник

УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛА

явление, приводящее металл к разрушению после многократного изменения его напряженного состояния. Это разрушение идет путем прогрессивного развития «трещины усталости», возникающей в зоне максимальных напряжений. Наиболее благоприятны условия для возникновения такой трещины, когда величина напряжения много раз последовательно изменяется с положительного значения на отрицательное. Если при этих условиях металл выдерживает бесконечно большое количество изменений напряжения, то максимальная величина такого напряжения наз. пределом усталости. Чаще всего последний устанавливается на вращающихся круглых образцах, подвергаемых действию постоянной изгибающей нагрузки. Предел усталости значительно снижается, если испытываемые образцы имеют дефекты на наружной поверхности (шероховатости, грубая обработка, задиры, зарубины, выточки и т. д.). УСТОЙ, концевая опора моста или опора трубы (в старых типах). Кроме непосредственного назначения всякой опоры передавать давление от пролетного строения на грунт У. в мостах служит для сопряжения их с земляной насыпью. По роду материала, из к-рого они возводятся, различают У. массивные, железобетонные и деревянные; по конструкции — обсыпные, раздельные и др.

Технический железнодорожный словарь. — М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство . Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров. 1941 .

Смотреть что такое «УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛА» в других словарях:

усталость металла — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN metal fatigue … Справочник технического переводчика

усталость металла — metalo nuovargis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. metal fatigue vok. Metallermüdung, f rus. усталость металла, f pranc. fatigue du métal, f … Fizikos terminų žodynas

нагрузка, вызывающая усталость (металла) — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN fatigue loading … Справочник технического переводчика

УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ — УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ, прогрессирующее разрушение металлов, подвергаемых циклически повторяемому воздействию НАГРУЗОК. Усталость металла может возникнуть в самом начале срока службы изделия из за нагрузок, постепенно накапливающихся, когда металл… … Научно-технический энциклопедический словарь

Усталость авиационных конструкций — постепенное накопление повреждений в элементах конструкций ЛА под действием переменных (повторяющихся) напряжений, приводящее к образованию и развитию в них трещин и к последующему разрушению конструкций. Для У. авиационных конструкций характерны … Энциклопедия техники

УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ — изменение механич. и физ. св в материала под длит. действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механич. св вах, макроструктуре, микроструктуре и… … Физическая энциклопедия

усталость — сущ., ж., употр. часто Морфология: (нет) чего? усталости, чему? усталости, (вижу) что? усталость, чем? усталостью, о чём? об усталости о человеке 1. Усталостью называется состояние, которое возникают у человека после выполнения тяжёлой… … Толковый словарь Дмитриева

Усталость материалов — изменение механических и физических свойств материала под длительным действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах,… … Большая советская энциклопедия

усталость — Рис. 1. Кривые усталости. усталость авиационных конструкций — постепенное накопление повреждений в элементах конструкций летательного аппарата под действием переменных (повторяющихся) напряжений, приводящее к образованию и развитию в них… … Энциклопедия «Авиация»

усталость — Рис. 1. Кривые усталости. усталость авиационных конструкций — постепенное накопление повреждений в элементах конструкций летательного аппарата под действием переменных (повторяющихся) напряжений, приводящее к образованию и развитию в них… … Энциклопедия «Авиация»

Источник

Усталость металла: что это и как можно ей противостоять

Содержание статьи

• Усталость металла: что это и как можно ей противостоять
• Как закалить железо
• Как закалить металл

Обнаружение и описание явления

Первооткрывателем явления стал немецкий горный инженер Вильгельм Альберт, в 1829 году описавший по результатам своих экспериментов износ металла на примере повторяющихся изгибов звеньев цепей рудничных подъемников на разработанной им опытной машине. Однако термин «усталость металла» был введен лишь в 1839 году французским ученым Жаном-Виктором Понселе, описавшим уменьшение прочности стальных конструкций под воздействием циклических напряжений.

Еще чуть позже вклад в теорию усталости металла, а также проектирования металлических конструкций, подвергающихся циклическим напряжениям, внес немецкий инженер Август Вёллер, опубликовав в 1858—1870 годах результаты опытов с железом и сталью в условиях повторного растяжения-сжатия. Результаты его исследований в 1874 году графически представил в виде таблиц немецкий архитектор Льюис Шпангенберг. С тех пор наглядное представление полученной зависимости между амплитудами напряжения цикла и числом циклов до разрушения металлической конструкции называют диаграммой Вёллера.

С тех пор явление усталости металла получило свое четкое определение, как процесс накопления с течением определенного времени повреждений металлической конструкции под действием переменных (обычно циклических) напряжений, которые приводят к изменению свойств конструкции, образованию в ней трещин, их прогрессивному развитию и последующему разрушению материала.

Последствия усталости металла

Прогрессирующая усталость металла может привести к разрушению металлических конструкций. Как правило это происходит во время их работы (когда осуществляется максимальная нагрузка на механизмы), что может привести к авариям и катастрофам, в том числе, с человеческими жертвами. Примеры некоторых известнейших происшествий:

— версальская железнодорожная катастрофа в 1842 году, в итоге которой погибло 55 человек (причиной послужил усталостной излом оси паровоза).
— крушение скоростного электропоезда ICE у коммуны Эшеде в Германии в 1998 году, по результатом которого погиб 101 человек и 88 ранены (на скорости 200 км/ч у поезда лопнул бандаж колеса).
— авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году (причиной стали усталостные повреждения узлов крепления гидроагрегата станции, в том числе и крышки турбины).

Профилактика усталости металла

Усталость металла обычно предотвращают путем модификации частей металлической конструкции, дабы исключить циклические нагрузки, либо путем замены используемых в ней материалов на менее склонные к усталости. Также ощутимое увеличение выносливости конструкции дают некоторые способы химико-термической обработки металлов (азотирование, нитроцементация и т.д.). Еще одним методом профилактики усталости металла является газотермическое напыление, которое создает напряжение сжатия на поверхности материала, что способствует защите металлических деталей от разрушения.

Источник

Усталость металла. Откуда она берется и как с ней бороться.

Усталость материала — процесс постепенного накопления повреждений в детали под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала детали за указанное количество циклов нагружения. А разрушение как всегда может быть неожиданным для всех, если заранее трубопровод не был подвержен расчету на усталостную прочность.
Локальное перенапряжение компонента может вызвать небольшую трещину, которая медленно растет с последующими рабочими циклами, а компонент продолжает ослабевать. Когда трещина достигает критического размера, компонент резко выходит из строя без предупреждений. Такой отказ известен как усталостное разрушение металла.
Усталостное разрушение металла происходит в три стадии:
1. Появление трещины
2. Распространение трещины
3. Разрушение металла

Усталость металла напрямую связана с количеством циклов напряжения и величиной приложенного к ней напряжения. Если локальные напряжения поддерживаются ниже определенного значения, металл не будет иметь усталостного разрушения, и деталь будет работать удовлетворительно в течение бесконечного периода времени. Это предельное значение известно как предел выносливости материала.
На усталость металла в значительной степени так же влияет наличие концентраторов напряжения, таких как отверстия, зазубрины, сварные швы, коррозия и т.п. Качество поверхности детали также играет большую роль в усталостном разрушении металла. Гладкая поверхность увеличивает усталостную долговечность.
В зависимости от того, как происходит усталостное разрушение металлической детали, они могут быть сгруппированы по различным типам:
1. Разрушение из-за перепадов температур – температурной истории нагружений.
2. Усталостное разрушение из-за совместных циклов температуры и давления.
3. Усталостное разрушение из-за высококоррозионной среды, когда первоначальная трещина возникает в результате и в месте коррозии.
4. Разрушение из-за постоянной вибрации от механического оборудования. Этот тип усталости металла возникает из-за напряжений, возникающих с течением времени, и включает коррозию и усталостное разрушение из-за вибрации.

Очень важно определить грань, при которой материал, подвергаясь циклической нагрузке, будет работать. Для определения усталостной прочности материала в лабораториях образец для испытаний готовят в соответствии со стандартными инструкциями в результате чего, мы получаем кривые усталости, которые строятся при различных уровнях нагрузки и количестве циклов нагружения, до полного его отказа.
Пример диаграммы усталостного разрушения ниже.

При проектировании трубопровода необходимо учитывать различные факторы, чтобы увеличить его усталостную долговечность. Например, значительное увеличение прочности даёт химико-термическая обработка металлов, например, поверхностное азотирование или газотермическое напыление. Кроме этого, можно посоветовать следующие проектные решения:
1. Избегать острых углов: использование больших радиусов снизит уровни концентрации напряжений, что, в свою очередь, увеличит усталостную прочность металла.
2. Предотвращение резких изменений поперечного сечения: усталостную прочность металла можно увеличить за счет плавного перехода между поперечными сечениями.
3. Усталостная прочность материалов увеличивается с уменьшением шероховатости поверхности, поскольку отполированные поверхности устраняют концентраторы напряжения.
4. Сварка хорошего качества без включений, пористости или червоточин.
5. Выбор материалов с хорошими усталостными свойствами.

Как мы видим, усталостное разрушение более коварное, нежели чем обычное, поэтому так важно выполнить анализ усталости еще на этапе проектирования. Обычно на этой стадии, инженер уже знает материал, который будет использоваться в проекте, и рабочие параметры среды, поэтому ему остается только выбрать программное обеспечение, которое может выполнять анализ усталости различных компонентов.

Источник

Почему деталь неожиданно ломается?

Довольно интересное явление, с которым мы встречаемся в материаловедении — это усталость материала . Удивительно, но логика явления примерно такая же, как и у нас с вами. Правда наш организм есть биологическая система, способная к самовосстановлению и регенерации. Неодушевленный же материал не способен это делать . Но обо всем по порядку.

Понятие усталость характерно как для металлических материалов, так и для полимеров . Но мы рассмотрим данное явление на примере металла, потому что логика механизма будет везде примерно одинаковая, а с металлом разобраться сейчас будет проще.

На производстве не редко можно услышать от работяг фразу. Да. Чего там, железка устала вот и лопнула! Вот слово устала тут и есть ключевое.

Что такое усталость

Применительно к материалу определение может звучать следующим образом:

Усталость — это процесс накопления микроповреждений под действием знакопеременных (часто циклических) нагрузок, что впоследствии приведет к образованию макроповреждения (или излома и разрушения).

Какие слова или фразы тут вызывают вопросы ?

• Микроповреждения . Какие такие микроповреждения?

Представьте, что от каждого удара (или другого механического воздействия) в теле образца появляется трещина. Трещина не такая, чтобы деталь сразу развалилась, а именно микро-трещина . Иногда даже микро диапазон не описывает эту трещину. Это может быть нанометр!

Её размер пока недостаточен для того, чтобы вызвать полное разрушение. Но она сохранилась и никуда не делась. И так после каждого удара!

В итоге, старые трещины начинают подрастать. А новые трещины добавляются. Рано или поздно скопится критическая масса трещин, которая перерастёт в полное разрушение.

Если даже разрушение не произошло, то деталь теряет львиную долю запаса прочности . Это как дерево, надкусанное бобром.

Примерно такого рода нагружения возникают, если вы гибом-перегибом пытаетесь переломить проволочку. Рано или поздно проволочка сломается в месте перегиба. Там ещё было слово циклические. Так вот этот гиб с перегибом и есть циклическое знакопеременное нагружение.

Всегда ли важно придавать значение слову знакопеременные и циклические? Нет, усталость может быть вызвана и обычными нагружениями. Но процесс многократно ускоряется именно при циклических и знакопеременных нагрузках.

Кроме того, даже не подозревая, что нагрузка оказалась знакопеременной, она может таковой являться. Например, карданный вал.

Ну вот, вроде бы, и разобрались в определении.

Ещё отметим, что способность материала противостоять усталости, называется выносливостью .

Интересно отметить, что деталь, которая разрушилась из-за усталости, легко распознать. Она будет иметь характерное вязкое разрушение, а на конце — скол.

Особенности усталости металла

Если большую часть свойств мы можем худо-бедно предсказать, то усталость или выносливость предсказать крайне проблематично . Процесс сопротивления усталости для конкретного образца из конкретного материала определяется каждый раз заново.

Делается серия испытаний и параметры рассчитываются, исходя из результатов.

Данные по подобным испытаниям отмечаются на так называемой кривой Вёллера.

По оси y тут отмечено механическое напряжение, которое разрушает образец. По оси икс — количество циклов нагружения. Обратите внимание, что чем больше циклов отбегала деталька, тем меньшее напряжение (читай как меньшая сила) нужна для её разрушения.

Именно поэтому, в процессе эксплуатации детали нужно помнить про её выносливость и своевременно выполнять замену . Именно поэтому, операция технического обслуживания любого механизма предполагает эту процедуру. Так, те же автозапчасти следует менять в соответствии с обозначенным пробегом или согласно моточасам.

Если же не выполнять такие замены, а ожидать отказа оборудования, то это может стать причиной серьезнейших проблем. Например, известен ряд катастроф, при которых причиной являлась именно усталость детали.

Что влияет на усталость или выносливость детали

Мы помним, что трещины растут от поверхности в глубь образца . Именно поэтому, первый фактор, который оказывает влияние на выносливость — это чистота обработки поверхности . Чем она выше, тем выше выносливость. Ведь трещенке просто не за что зацепиться!

Дальше нужно обратить внимание на наличие концентраторов напряжения. При проектировании будущей детали избегать всех острых углов и перепадов . Каждый острый угол — это проблема. Там могу начать расти трещины.

На практике часто используется и химико-термические способы обработки поверхности . Логика здесь примерно такая же, как и с чистотой обработки. Трещенкам не должно быть удобно расти!

Важно выравнивать и структура образца. Ведь если структура не гомогенная, т.е. составлена не равномерными зернышками, то возникают внутренние моменты . Они способны разрушить образец. Это опять -таки, внутренние концентраторы напряжения.

Есть и косвенные методики, которые относятся больше уже к работе конструктора.

Само собой, что нужно использовать материалы, которые менее склонны к формированию усталостных разрушений . Сравните дерево, которое легко ломается по волокнам или любой металл.

Сами же конструкции нужно разрабатывать таким образом, чтобы максимально исключить появление знакопеременных нагрузок , а того хуже — резонанса. Если вы думаете, что деталь не испытывает циклические нагружения, то вы не правы. Любая деталь этому подвержена. Та же рама велосипеда. Ну и соответственно, нужно использовать какие-то демпфирующие муфты или технологические приемы, там где это возможно.

Источник