Чаще всего трещины возникают у поверхности детали, но иногда и в толще материала. Этот процесс ослабляет сечение и по истечении некоторого времени, когда трещина достигает критической длины, происходит разрушение детали или конструкции. Как правило, они разрушаются без видимых остаточных деформаций даже в тех случаях, когда изготовлены из пластических материалов. Высказывалось предположение, что под влиянием переменных напряжений материал со временем постепенно перерождается, как бы «устает».
Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещины и разрушению, называется усталостью материала. Свойство материала противостоять усталости называется выносливостью. Физическая природа процесса усталостного разрушения изучалась различными методами.
Установлено, что материал нужно рассматривать неоднородным микро- и макроскопически. Для материалов микроскопическая неоднородность определяется кристаллическим строением, для неметаллических материалов – молекулярным строением, а для волокнистых и композитных материалов неоднородность носит макроскопический характер.
Механизм процесса усталостного разрушения металлов неразрывно связан со структурной неоднородностью, заключающейся в случайных вариациях размеров и очертаний отдельных зерен металла, их кристаллографической ориентации, в наличии различных включений, дефектов кристаллической решетки и т. п. Вследствие указанной неоднородности при переменных напряжениях, даже не превосходящих предела пропорциональности, в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах возникает пластическая деформация. Она связана с деформациями сдвига по некоторым кристаллографическим плоскостям (в некоторых зернах возникают линии скольжения). При определенном уровне напряжений прочность некоторых кристаллитов (зерен) нарушается, следствием чего является образование микротрещин по одной из плоскостей скольжения. Образование трещин связано с касательными напряжениями, а ее развитие в основном определяется нормальными напряжениями. Слияние возникших микротрещин создает благоприятные условия для появления и дальнейшего развития макротрещин, причем наличие начальных дефектов ускоряет данный процесс.
|
|
|
|
Рис. 42. Усталостное разрушения рельса |
Рис. 43. Усталостное разрушение вагонной оси |
После разрушения на поверхности излома, например, металлической детали обычно обнаруживаются две ярко выраженные области. В одной микроповерхность излома сглажена, а в другой проявляются признаки свежего хрупкого разрушения. Кристаллы имеют острую огранку и блестящую чистую поверхность (такую же, как и поверхность разрушения чугунного образца при одноосном статическом растяжении).
На рис. 42 показан излом рельса, происшедшего в результате развития трещины, образовавшейся внутри сечения в зоне местного дефекта. На рис. 43 представлено усталостное разрушение вагонной оси, где отчетливо видна более гладкая зона постепенного развития трещины. Рис. 44 иллюстрирует разрушение горячекатаной арматуры периодического профиля; на рис. 45 показано усталостное разрушение раскоса стального пролетного строения железнодорожного моста. Усталостная трещина начала развиваться в зоне концентрации напряжений у заклепочного отверстия.
Физическая теория прочности твердых тел в настоящее время находится еще не на такой стадии. чтобы на ее основе создать методы расчета на выносливость. В связи с этим теория усталостной прочности материалов строится пока путем накопления экспериментальных данных, на базе которых формулируются некоторые правила расчетов на выносливость.
|
|
|
|
Рис. 44. Усталостное разрушение горячекатаной арматуры периодического профиля при растяжении |
Рис. 45. Усталостное разрушение раскоса стального пролетного строения моста |
Усталостная прочность материалов при переменных напряжениях зависит от вида напряженного состояния и от характера изменения напряжений во времени.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
