Усталость металла это простыми словами что значит
Усталость металла: что это и как можно ей противостоять
Содержание статьи
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.
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»
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»: 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.
Усталость металла. Что это?
Усталость металла – ослабленное состояние, вызываемое в металлических деталях машин, транспортных средств или конструкций, которые подвергаются напряжениям или нагрузкам, что в конечном итоге приводит к разрушению под напряжением.
Хотя этот термин восходит к 19-му веку, и хотя тогда и в первой половине 20-го века было проведено значительное наблюдение за этим явлением, только благодаря впечатляющему разрушению кабины под давлением на британских лайнерах «Comet» в 1954 году он получил широкое инженерное внимание.
В 1970-х годах многое еще предстояло узнать об усталости металла, но эмпирические методы оказались эффективными в его преодолении. Были разработаны устойчивые к усталости металлы, и их рабочие характеристики были улучшены за счет обработки поверхности, в то время, как усталостные напряжения были значительно снижены в самолетах и в других применениях, благодаря разработке, чтобы избежать концентрации напряжений. Масштабные испытания опытных образцов и новые методы испытаний, в том числе металлургический микроскоп, также были использованы.
Усталость в технике – это проявление прогрессирующего разрушения в твердом теле при циклической нагрузке, как в случае металлической полосы, которая разрывается после многократного изгиба назад и вперед. Усталостное разрушение начинается с одной или нескольких трещин на поверхности, которые распространяются внутрь в ходе многократного приложения усилий, пока внезапно не произойдет полный разрыв, когда маленькая незатронутая часть слишком слаба, чтобы выдержать нагрузку. Конструкционные и машинные детали, подверженные вибрации и другим циклическим нагрузкам, должны быть спроектированы так, чтобы избежать усталостного разрушения.
Термин «усталостная конструкция» является неправильным, что означает оценку существующей конструкции на предмет вероятности усталостного разрушения. Возможность выхода из строя из-за усталости металла является лишь одним из факторов, которые необходимо учитывать при проектировании инженерного компонента или конструкции. Обычно усталостное поведение проверяется только после принятия базовых проектных решений. Есть много успешных структур, которые были разработаны без какого-либо особого внимания к возможности усталостного разрушения. Оценка усталости иногда показывает, что первоначальный дизайн должен быть изменен, чтобы гарантировать, что продукт работает так, как требуется для его предполагаемого срока службы.
За последние полтора столетия было много изучено о проблеме усталости металла. Из нечастых катастрофических усталостных разрушений металлов в конструкциях и деталях можно утверждать, что проблема более не является серьезной. Обычно можно найти четкие объяснения основных сбоев, в том числе человеческие ошибки. Тем не менее, небольшие усталостные разрушения металла, часто не распознаваемые, если только специалист по усталости их не замечает, представляют собой обычную и дорогостоящую неприятность. Общее понимание опасностей усталости металла значительно возросло. По большому счету проблема может быть сдержана, если не решена, но цена – вечная бдительность.
Как обнаружить усталость металла?
Все металлы в конечном итоге деформируются, особенно когда они испытывают большие нагрузки, как при полёте самолёта. Эта деформация называется металлическим напряжением или усталостью и является важной частью технического обслуживания.
Вот несколько способов, с помощью которых специалисты должны определять усталость металла:
Визуальный осмотр: сегодня методы определения усталости металла являются гораздо более сложными и неразрушающими по большей части. Тем не менее, визуальный осмотр все еще может быть одним из инструментов для обнаружения трещин или других разрывов металла.
Слуховой осмотр: часто стук может дать подсказку, что усталость металла на горизонте. Однако требуется проницательный и опытный специалист, чтобы обнаружить потенциальную проблему таким образом.
Ультразвук: очень высокие частоты могут быть использованы для обнаружения трещин внутри материалов. Этот метод является неразрушающим методом диагностики металла, который получил свое начало в медицинской сфере.
Радиология: рентгеновские лучи и другие виды рентгенографии могут быть использованы для обнаружения подповерхностных трещин, не причиняя вреда. Используя этот неразрушающий метод, радиограф мог бы удерживать слабый источник излучения, прикрепленный к полюсу, в течение всего времени воздействия на части испытуемой плоскости.
Видимые красители: этот метод использует флуоресцентные красители для обнаружения поверхностных трещин.
Магнитные порошки: наконец, этот метод работает только на деталях на основе железа.
Наша компания «Стиллар» предлагает высококачественный металлопрокат по выгодным ценам в Киеве. Возможна доставка по всей Украине. Также удобный сервис для Вас: резка металла газом, отрезным кругом, гильотиной и плазменная резка на станках с ЧПУ. Приглашаем Вас к сотрудничеству.