Усталость металла что это такое физика
«Усталость металла»: как обнаружить и предотвратить
Так, в 1842 г. неподалеку от Версаля переполненный пассажирский состав с французами, возвращавшимися с дворцового праздника, сошел с рельсов и загорелся из-за того, что в локомотиве сломалась ось. Именно тогда французы отказались от практики запирать железнодорожные вагоны, а ученые начали всесторонне исследовать причину возникшей проблемы. Инженерам, металлургам, материаловедам лишь предстояло понять и сформулировать, что такое усталость металлов и сплавов и от чего она зависит.
Испытание на усталость металла
Постепенно было замечено, что разрушения происходят в случаях, когда металлическое изделие подвергается либо многочисленным повторным нагрузкам (в сочетании с разгрузками) либо нагрузкам в противоположных направлениях. Например, поочередные сжатия и растяжения, повторные изгибы в разные стороны и т.п. Для выяснения причин этих тревожных явлений было решено изучить вопрос пригодности железа как материала для постройки мостов. Наблюдавшиеся поломки можно было объяснить двумя причинами. Либо прочность металла имеет свойство падать вне зависимости от условий его эксплуатации (это стало бы настоящей катастрофой для активно развивающегося промышленного производства!), либо разрушение вызывается многократной сменой напряжений.
Чтобы решить, какая из догадок была верна, исследователи провели следующий опыт. Несколько чугунных стержней были нагружены до напряжений, еще не вызывающих разрушения, но уже очень близких к таковым (напомним, что чугун – достаточно хрупкий материал, который разрушается без остаточной деформации). В нагруженном состоянии стержни были оставлены на четыре года. По прошествии этого срока оказалось, что образцы не разрушены. Следовательно, первое предположение естествоиспытателей являлось ошибочным. Затем были поставлены опыты с изломом чугунных балок под действием падающего на них груза. При каждом ударе измерялся полученный балкой прогиб. Выяснилось, что при прогибе, равном половине того прогиба, который дает излом балки от однократного удара, образец ломался после 4 тыс. ударов. А вот при прогибе, равном одной трети прогиба излома, балка выдерживала значительно больше, чем 4 тыс. ударов.
Впервые термин «усталость металла» употребил в 1854 г. физик, английский ученый Фридрик Брейтуэйт в своем труде «Об усталости и последующем разрушении металлов».
Усталость металла в действии
Чтобы до конца понять, что такое усталость металла, и оценить всю серьезность этого свойства материала, нужно указать на одну характерную сторону прогресса в машиностроении. С каждым годом скорости машинрастут. Вместе с ними растет и число переменных напряжений, которые «суждено» испытать механизмам за весь срок ее эксплуатации. В свою очередь, вместе с ростом переменных напряжений чрезвычайно быстро возрастает и риск разрушения конструкции от усталости и негативных последствий возможной поломки.
Стоит вспомнить аварию на Саяно-Шушенской ГЭС, которую по социальным и экономическим последствиям сравнивали с аварией на Чернобыльской АЭС. Эта техногенная катастрофа на р. Енисей произошла в 2009 г. и до сих пор считается крупнейшей поломкой в истории гидроэнергетики, повлекшей за собой человеческие жертвы, инфраструктурный ущерб и серьезное загрязнение акватории реки. В результате аварии погибло 75 человек, здание станции и технологическое оборудование было затоплено и практически разрушено, а производство электроэнергии остановлено. Перебои со связью и отсутствие информации о состоянии плотины вызвали панику у местных жителей, которые начали спонтанную эвакуацию в населенные пункты выше по течению Енисея. Нормальная жизнь и энергетическая безопасность региона были серьезно нарушены. Для восстановления Саяно-Шушенской ГЭС потребовалось целых пять лет. В выводах Ростехнадзора о причинах аварии фигурируют именно усталостные повреждения узлов креплений, удерживающих крышку турбины гидроэлектростанции.
Как определить усталость металла?
Несмотря на то, что усталость – это свойство, присущее самой природе металла, подобные катастрофы, вызванные усталостным напряжением, сейчас случаются редко. Дело в том, что законы усталости уже хорошо изучены. Это позволяет вести с ней организованную борьбу в конструктивном, технологическом и металлургическом направлениях. Но для начала поговорим о том, как можно определить, что металл начинает уставать. Для этого существует несколько методов:
Как бороться с усталостью металла?
Конструктивные меры борьбы с усталостью заключаются в придании деталям таких форм, при которых отсутствуют острые или мало закругленные входящие углы, резкие переходы сечений, выточки малого радиуса и т.п. В противном случае возникает опасность резкой концентрации напряжений. Часто для устранения конструктивных ошибок достаточно просто увеличить размеры детали. Это снизит напряжение и будет препятствовать превышению предела усталости.
Технологические меры борьбы с усталостью зачастую сводятся к правильной технологической обработке деталей. К примеру, в деталях из высокопрочной стали в первую очередь обращается внимание на шлифовку поверхности. При этом неправильная сборка конструкций также способна создать опасные переменные напряжения.
Нельзя забывать и о металлургической линии борьбы с поломками от усталости. Центрами, из которых начинается усталостная трещина, могут являться посторонние включения, встречающиеся в металле из-за загрязнения при его отливке (например, шлаковые включения). Однако, отметим, что на современном этапе развития отрасли ведущие металлургические предприятия целенаправленно работают как над повышением чистоты металла, так и над усовершенствованием химического состава и процессов термообработки выпускаемых продуктов.
В результате инженеры и строители сейчас имеют дело с принципиально иными, более прочными сортами стали. Им все еще знакома усталость, но критические поломки металлических конструкций и деталей из-за усталостного напряжения практически сведены к минимуму.
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.
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.
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»
Усталость материалов
Полезное
Смотреть что такое «Усталость материалов» в других словарях:
Усталость материалов — – изменение механических и физических свойств материала под длительным воздействием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. [РД 22 01.97] Усталость материалов – изменение механических и физических свойств материала … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Усталость материалов — изменение механических и физических свойств материала под длительным действием циклических изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Источник: РД 03 380 00: Инструкция по обследованию шаровых р … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Усталость материалов — Усталость (усталостная долговечность): снижение прочности материала под воздействием повторяющейся нагрузки по сравнению с прочностью при единичном нагружении. Источник: ОДМ 218.3.018 2011. Отраслевой дорожный методический документ.… … Официальная терминология
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 материалов — Характерный усталостный излом Усталость материала (материаловедение) процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и… … Википедия
усталость материалов — изменение механических и физических свойств материала под воздействием в течение длительного времени циклически изменяющихся нагрузок. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается прежде всего на его механических свойствах.… … Энциклопедия техники
Усталость материалов — постепенное местное изменение структуры материала, не сопровождающееся заметной потерей массы. Изделия в процессе эксплуатации подвергаются действию небольших, но многократно повторяющихся деформаций растяжения, что приводит к постепенному… … Энциклопедия моды и одежды
Усталость — процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию и развитию трещин и к разрушению. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Усталость материала — Характерный усталостный излом Причины отказа механики Прогиб … Википедия
Усталость — – процесс образования и распространения трещин в элементах конструкции в результате воздействия переменных усилий. [EN 1993–1–9] Усталость изменение механических и физических свойств материалов при длительном воздействии циклически… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Усталость металлов
Усталость металлов. Физическая картина разрушения.
Разрушение металлов при действии переменных или повторных нагрузок называется усталостью металлов. В авиационных конструкциях, когда конструктивные элементы работают в условиях непрерывного воздействия переменных напряжений, усталостные разрушения — весьма распространенное явление. Разрушения от статических нагрузок встречаются крайне редко.
Усталостное разрушение характеризуется тем, что в его зоне практически отсутствуют видимые деформации, предшествующие разрушению. Это — наиболее опасная особенность усталостных разрушений, поскольку отсутствуют явные признаки предстоящей потери работоспособности какого-либо элемента конструкции из-за усталости. Процесс разрушения в этом случае начинается с появления микроскопических трещин, которые, быстро развиваясь, приводят к полному разрушению детали. Усталостные трещины зарождаются в зоне концентрации напряжений или резких структурных изменений материала. Исследованиями установлено, что при отсутствии указанных факторов усталостных разрушений не происходит. Все основные авиационные конструкции подвергаются усталостным испытаниям, испытаниям на ресурс. Эта работа продолжается в течение всего периода эксплуатации. Несмотря на это, в процессе эксплуатации появляются полные или частичные разрушения деталей вследствие возникновения трещин, предвидеть которые заранее невозможно. Выявление таких разрушений — задача технического диагностирования.
Здесь важно подчеркнуть, что появление усталостных разрушений не означает потери работоспособности конструкции, поскольку она обладает свойством живучести, т. е. способностью выполнять рабочие функции при наличии частичных разрушений. Это свойство закладывается конструкторами на стадии проектирования. Поэтому и говорят о безопасном разрушении. Темп развития трещины можно прогнозировать статистическими методами, уменьшив, таким образом, его влияние на ограничение ресурса. В то же время, если трещина не будет выявлена в начале ее возникновения, развитие усталостного разрушения может привести к перераспределению напряжений, перегрузке соседних конструктивных элементов и к общему снижению несущей способности.
Физический смысл механизма разрушения при усталости состоит в том, что в микрообъемах локальные напряжения при циклических нагрузках достигают значений, при которых нарушаются устойчивые межкристаллические и внутрикристаллические связи, образуются полосы скольжения, у различного рода неоднородностей концентрируются микродеформации, которые при достижении критических значений приводят к появлению микротрещин. С течением времени, при продолжающемся циклическом нагружении, микротрещины перерастают в видимые. Скорость развития трещины у разных металлов с разной кристаллической структурой может быть различной. Однако всегда после накопления повреждений развитие трещины происходит за достаточно короткий промежуток времени. Изломы деталей после усталостного разрушения имеют характерную структуру. Она может быть покрыта коррозией, если после образования некоторое время находилась в условиях, благоприятных для образования коррозии. При полной потере несущей способности она разрушается сразу или после достижения определенных размеров трещины. В этом случае образуется зона мгновенного разрушения (зона долома).