Чтобы разъяснить понятнее, что такое усталостное разрушение, рассмотрим такую модель поведения металла. Любой материал способен выдерживать определенные нагрузки, испытывая переменное напряжение, однако долго при этом не разрушаясь. Если случится, что уровень напряжений превысит определённый предел, то в материале, из которого сделана деталь (изделие), начнётся процесс накопления повреждений.
Постепенно, под чрезмерным воздействием снова и снова, металл подвергнется образованию субмикроскопических трещин. Далее длина каждой из них неизбежно станет увеличиваться, что рано или поздно приведет к их объединению, откуда пойдет образование первой микроскопической усталостной трещины протяженностью до 0,5 мм. Возле её основания будет наблюдаться увеличение местного напряжения, способствующего её дальнейшему и ещё более активному развитию.
Со временем трещина ослабит сечение, а это уже грозит внезапным разрушением изделия/детали, так называемым усталостным изломом, вызывающим аварии, выход из строя оборудования, серьёзные последствия.
Описанный выше процесс постепенно накопившихся повреждений приводит к изменению изначальных характеристик и прочностных способностей материала (подверженности деформированию и разрушению), это и называется «усталостью» металла.
Понятие усталостного разрушения, факторы, способные спровоцировать развитие процесса и его особенности
Итак, усталостное разрушение — это разрушение, происходящее под воздействием регулярно повторяющихся повышенных напряжений. Внутренние микротрещины являются одной из основных и наиболее частых причин его развития. Однако не все факторы, которые могут привести к нему, изучены в полной мере и доказаны. В целом, это механизм обширный и сложный.
Прямая связь усталостного разрушения металла установлена с неоднородностью реальной структуры материала. Тут можно отмечать целый ряд причин:
- дефекты кристаллической решетки;
- поверхностные дефекты (возникшие под влиянием коррозии, механических воздействий (царапины и т.д.);
- наличие в металле шлаковых включений;
- ударные воздействия (могут приводить к усталостным разрушениям, особенно, если периодически наносимые удары обладают способностью вызвать резонансные колебания изделия/детали);
- неоднородность структуры, вызванная разными формами, размерами, ориентацией зёрен металла.
За счет наличия неоднородностей, концентрация напряжений вблизи микроскопических полостей становится ещё более высокой, а значит, неизбежны возникновения микропластичных деформаций сдвига зёрен металла (они, кстати, способны легко привести к образованию выступов и углублений).
Далее начинается этап возникновения сдвигов, сращивание микротрещин, края которых под действием нагрузок притираются друг к дружке, сглаживая поверхность. Но в ходе этого само поперечное сечение испытывает ослабевание своих свойств, образуется зона хрупкого излома (это часть грубозернистой кристаллической структуры), превращающаяся в слабое звено, и неожиданно приведет к непоправимому разрушению детали.
По сути, это и есть описание явления, называемого усталостностью металла.
Как предупредить усталостное разрушение?
Существуют разные виды борьбы с явлением, его предполагаемыми причинами, с целью повышения прочности и надежности металлического изделия:
- технологические заключаются в правильной отливке и обработке деталей;
- металлургические – в тщательном анализе структур, не допускающих, например, шлаковых включений и т.п.;
- конструктивные – в придании таких форм изделию, которые не включают острых входящих углов, исключают резкие переходы сечения.
