Что такое усталость металла
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Что такое усталость металла

Основные механические свойства сталей

Сталь имеет уникальные механические свойства. В ней сочетаются вязкость с прочностью и гибкостью. Сталь может “уставать” – даже не специалисту известно такое явление, как “усталость металла”. Чтобы установить технические характеристики стали, ее подвергают тестам и испытаниям. Механические свойства стали можно оценить, имея показатели предела прочности, удлинения и предела текучести.

Прочность материала

У стали есть одно важное свойство – прочность. Чтобы установить прочность материала, производятся испытания. Стержень из стали выбранной марки растягивают, а потом проверяют, как изменился образец после прикладываемых усилий. По итогам испытаний составляют график, где указывают приложенное усилие (напряжение) и уровень деформации.

У металла есть такой важный параметр, как предел текучести. Обнаружить предел текучести образца можно в результате тестирования. Если к заготовке были приложены незначительные нагрузки, то ее форма будет восстановлена. Когда напряжение, прикладываемое к заготовке, перейдет за предел текучести, образец получит необратимые изменения.

Цель испытаний – определить максимальное напряжение, которое может выдержать образец. Поэтому тесты продолжаются до тех пор, пока образец не разорвется. При этом испытатели узнают, какова у стали прочность на растяжение.

Твердость изделия

Сталь обладает твердостью, которую измеряют с помощью индентора. Индентор – это материал, который внедряют в сталь до тех пор, пока не останется отпечаток. Разумеется, он должен быть прочнее и тверже стали. Лучший материал для такого инструмента – алмаз. Твердость измеряют по шкале Роквелла, также можно определить твердость заготовки по Бриннелю и Викерсу. Измеряя твердость по Роквеллу, устанавливают глубину следа от индентора на заготовке. Между твердостью и прочностью есть соотношение в закаленных сталях при правильном отпуске.

Пластичность металла

Сталь отличается пластичностью, это свойство нельзя недооценивать. Благодаря пластичности из стали можно создавать любые заготовки и изделия. Не все стали являются пластичными. Если материал не пластичен, то он хрупок, а хрупкие стали уязвимы. Изделия из таких материалов могут разрушиться в результате механических воздействий. Если пластичная сталь при механическом воздействии сгибается, то хрупкая – ломается.

Проверить пластичность (или хрупкость) можно путем уже описанного выше теста на растяжение. Пластичная заготовка после достижения предела текучести начнет хорошо растягиваться. Хрупкий образец просто сломается. Аналогичным образом можно испытать материал на сужение, прикладывая усилие в обратном направлении.

Вязкость стали

Вязкость – еще одно важное свойство стали, которое связано с пластичностью и хрупкостью. Вязкость можно наглядно продемонстрировать на примере ферритных сталей. У этих сталей есть один интересный недостаток: при низких температурах они теряют вязкость и пластичность, а при высоких становятся пластичными и обретают вязкость. В результате при низких температурах ферритные стали разрушаются, как хрупкие.

Усталость металлов

Усталость металлов – свойство, которым описывают разрушение сталей под влиянием циклических нагрузок. Усталостное разрушение происходит следующим образом. Для примера можно взять деталь, которая подвергается растягивающим нагрузкам в одной части и сжимающим – в другой. Происходит циклическое напряжение, однако оно ниже предела текучести. Деталь будет работать долго, пока на ее поверхности не появится точка концентрации напряжений. Это может быть незначительная царапина или задир.

После появления задира напряжение в точке концентрации будет превышать предел текучести. Это приведет к появлению трещин и более серьезных дефектов. В результате деталь разрушится. Аналогичные нагрузки испытывают валы, пружины, колесные оси. Они подвержены циклическим нагрузкам.

Усталость металла свойственна и тем деталям, которые постоянно испытывают вибрирующие нагрузки. Например, это происходит с деталями на крыльях самолетов. Предотвратить разрушение практически невозможно, единственный способ – регулярная проверка и профилактика. Если на детали есть повреждение, то безопаснее ее заменить. Подвергаются усталости стали клапаны в автомобильных двигателях. При малейших повреждениях производится замена комплектующих.

Что такое усталость металла

Усталость металлов и сплавов и её влияние на надежность оборудования.

Усталость – это такое неравновесно-напряженное состояние материала, при котором он уже неспособен сопротивляется накоплению в нем отрицательных остаточных явлений и противодействовать разрушающей силе меньшей предела прочности это го материала.

F=const

F = 105дней

F1сопр F1прпр Основные виды усталсти.

Пороговая усталость – это такое состояние материала, при котором начинают появляться первые признаки необратимого неравномерно напряженного состояния.

Накопление усталости – это необратимый процесс (относительный) накопления неравновесно напряженного состояния, приводящего в дальнейшем к разрушению материала.

Накопленную усталость если она является не запредельной можно устранить с помощью термической обработки детали. Для этого детали нагревают до температуры 650-7500С, и выдерживают при этой температуре в течении часа. Затем медленно остужают вместе с печью в течении 5-6 часов. В результате такой термической обработке, называемой высокотемпературным отжигом, происходит рекристаллизация, то есть исчезновение старых кристаллов со следами деформации, и образование новых молодых кристаллов без всякой деформации.

Читать еще:  Как правильно клепать вытяжные заклепки

Для того чтобы вернуть детали сходную износостойкость, надежность и долговечность необходимо повысить её твердость, для чего деталь подвергается закалке, поверхностной или объемной. А именно её нагревают до температуры 8500С, выдерживают при этой температуре 15-20 минут и резко охлаждают в воде или масло и материал приобретает высокую твердость

Предельно допустимая усталость – такая степень неравновесно напряженного состояния, которая не является причиной его разрушения и которая может быть устранена при помощи термической обработки.

Критическая усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он неспособен противодействовать разрушающей силе гораздо меньшей предела прочности этого материала

Полная усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он способен к саморазрушению, или разрушается под воздействием незначительной внешней силы, то есть при полной 100% усталости материал разрушается даже безх видимых причин. В таком состоянии материал омолодить при помощи термообработки невозможно, его возможно только переплативть.

Частичная усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он еще способен оказывать значительное сопротивление внутренним напряжениям или внешней разрушающей силе. При частичной усталости материала может быть возвращен в исходное состояние путем термической обработки.

Локальная усталость – это усталость материалав отдельных локальных зонах.

Общая усталость – это уталость материала по всему объему детили.

Обратимая усталость – это такая величина неравновесно напряженного состояния, которая может быть уменьшена или полностью устранена за счет улучшающих обработок.

Остаточная усталость – это частично сохраненная напряженное состояние в материале после проведения термической обработки.

Поскольку старение и усталость металлов и сплавов существенно снижают их прочность, то это в свою очередь приводит к преждевременному разрушению детали за счет образования усталостных трещин, тем самым снижает надежность, долговечность и безотказность оборудования.

Для того чтобы повысить долговечность и срок эксплуатации оборудования необходимо повысить технический ресурс детали или снизить скорость, интенсивность падения технического ресурса деталей и оборудования.

Что такое усталость металла

Усталость металлов и сплавов и её влияние на надежность оборудования.

Усталость – это такое неравновесно-напряженное состояние материала, при котором он уже неспособен сопротивляется накоплению в нем отрицательных остаточных явлений и противодействовать разрушающей силе меньшей предела прочности это го материала.

F=const

F = 105дней

F1сопр F1прпр Основные виды усталсти.

Пороговая усталость – это такое состояние материала, при котором начинают появляться первые признаки необратимого неравномерно напряженного состояния.

Накопление усталости – это необратимый процесс (относительный) накопления неравновесно напряженного состояния, приводящего в дальнейшем к разрушению материала.

Накопленную усталость если она является не запредельной можно устранить с помощью термической обработки детали. Для этого детали нагревают до температуры 650-7500С, и выдерживают при этой температуре в течении часа. Затем медленно остужают вместе с печью в течении 5-6 часов. В результате такой термической обработке, называемой высокотемпературным отжигом, происходит рекристаллизация, то есть исчезновение старых кристаллов со следами деформации, и образование новых молодых кристаллов без всякой деформации.

Для того чтобы вернуть детали сходную износостойкость, надежность и долговечность необходимо повысить её твердость, для чего деталь подвергается закалке, поверхностной или объемной. А именно её нагревают до температуры 8500С, выдерживают при этой температуре 15-20 минут и резко охлаждают в воде или масло и материал приобретает высокую твердость

Предельно допустимая усталость – такая степень неравновесно напряженного состояния, которая не является причиной его разрушения и которая может быть устранена при помощи термической обработки.

Критическая усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он неспособен противодействовать разрушающей силе гораздо меньшей предела прочности этого материала

Полная усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он способен к саморазрушению, или разрушается под воздействием незначительной внешней силы, то есть при полной 100% усталости материал разрушается даже безх видимых причин. В таком состоянии материал омолодить при помощи термообработки невозможно, его возможно только переплативть.

Частичная усталость – это такое неравновесно напряженное состояние материала, при котором он еще способен оказывать значительное сопротивление внутренним напряжениям или внешней разрушающей силе. При частичной усталости материала может быть возвращен в исходное состояние путем термической обработки.

Локальная усталость – это усталость материалав отдельных локальных зонах.

Общая усталость – это уталость материала по всему объему детили.

Обратимая усталость – это такая величина неравновесно напряженного состояния, которая может быть уменьшена или полностью устранена за счет улучшающих обработок.

Остаточная усталость – это частично сохраненная напряженное состояние в материале после проведения термической обработки.

Поскольку старение и усталость металлов и сплавов существенно снижают их прочность, то это в свою очередь приводит к преждевременному разрушению детали за счет образования усталостных трещин, тем самым снижает надежность, долговечность и безотказность оборудования.

Читать еще:  Что такое лом черных металлов

Для того чтобы повысить долговечность и срок эксплуатации оборудования необходимо повысить технический ресурс детали или снизить скорость, интенсивность падения технического ресурса деталей и оборудования.

Основные механические свойства сталей

Сталь имеет уникальные механические свойства. В ней сочетаются вязкость с прочностью и гибкостью. Сталь может “уставать” – даже не специалисту известно такое явление, как “усталость металла”. Чтобы установить технические характеристики стали, ее подвергают тестам и испытаниям. Механические свойства стали можно оценить, имея показатели предела прочности, удлинения и предела текучести.

Прочность материала

У стали есть одно важное свойство – прочность. Чтобы установить прочность материала, производятся испытания. Стержень из стали выбранной марки растягивают, а потом проверяют, как изменился образец после прикладываемых усилий. По итогам испытаний составляют график, где указывают приложенное усилие (напряжение) и уровень деформации.

У металла есть такой важный параметр, как предел текучести. Обнаружить предел текучести образца можно в результате тестирования. Если к заготовке были приложены незначительные нагрузки, то ее форма будет восстановлена. Когда напряжение, прикладываемое к заготовке, перейдет за предел текучести, образец получит необратимые изменения.

Цель испытаний – определить максимальное напряжение, которое может выдержать образец. Поэтому тесты продолжаются до тех пор, пока образец не разорвется. При этом испытатели узнают, какова у стали прочность на растяжение.

Твердость изделия

Сталь обладает твердостью, которую измеряют с помощью индентора. Индентор – это материал, который внедряют в сталь до тех пор, пока не останется отпечаток. Разумеется, он должен быть прочнее и тверже стали. Лучший материал для такого инструмента – алмаз. Твердость измеряют по шкале Роквелла, также можно определить твердость заготовки по Бриннелю и Викерсу. Измеряя твердость по Роквеллу, устанавливают глубину следа от индентора на заготовке. Между твердостью и прочностью есть соотношение в закаленных сталях при правильном отпуске.

Пластичность металла

Сталь отличается пластичностью, это свойство нельзя недооценивать. Благодаря пластичности из стали можно создавать любые заготовки и изделия. Не все стали являются пластичными. Если материал не пластичен, то он хрупок, а хрупкие стали уязвимы. Изделия из таких материалов могут разрушиться в результате механических воздействий. Если пластичная сталь при механическом воздействии сгибается, то хрупкая – ломается.

Проверить пластичность (или хрупкость) можно путем уже описанного выше теста на растяжение. Пластичная заготовка после достижения предела текучести начнет хорошо растягиваться. Хрупкий образец просто сломается. Аналогичным образом можно испытать материал на сужение, прикладывая усилие в обратном направлении.

Вязкость стали

Вязкость – еще одно важное свойство стали, которое связано с пластичностью и хрупкостью. Вязкость можно наглядно продемонстрировать на примере ферритных сталей. У этих сталей есть один интересный недостаток: при низких температурах они теряют вязкость и пластичность, а при высоких становятся пластичными и обретают вязкость. В результате при низких температурах ферритные стали разрушаются, как хрупкие.

Усталость металлов

Усталость металлов – свойство, которым описывают разрушение сталей под влиянием циклических нагрузок. Усталостное разрушение происходит следующим образом. Для примера можно взять деталь, которая подвергается растягивающим нагрузкам в одной части и сжимающим – в другой. Происходит циклическое напряжение, однако оно ниже предела текучести. Деталь будет работать долго, пока на ее поверхности не появится точка концентрации напряжений. Это может быть незначительная царапина или задир.

После появления задира напряжение в точке концентрации будет превышать предел текучести. Это приведет к появлению трещин и более серьезных дефектов. В результате деталь разрушится. Аналогичные нагрузки испытывают валы, пружины, колесные оси. Они подвержены циклическим нагрузкам.

Усталость металла свойственна и тем деталям, которые постоянно испытывают вибрирующие нагрузки. Например, это происходит с деталями на крыльях самолетов. Предотвратить разрушение практически невозможно, единственный способ – регулярная проверка и профилактика. Если на детали есть повреждение, то безопаснее ее заменить. Подвергаются усталости стали клапаны в автомобильных двигателях. При малейших повреждениях производится замена комплектующих.

Что такое усталость металла

Для каждого материала существует предельное значение деформации Ɛ max, которую он может выдержать без повреждений (разлом, разрыв, трещины), и соответствующее значение напряжения ρ пр (предел прочности).

Сила, прилагаемая на материал, распределяется по нему в виде так называемых “силовых” линий.

Если проделать отверстие в материале, а затем подвергнуть его деформации, это вызовет концентрацию напряжения у границ отверстия, так как пустота не может нести нагрузку. Если в теле есть отверстие, то силовые линии обходят его и сгущаются у его краев, где материал оказывается перегруженным. При этом среднее напряжение в теле остается неизменным, иначе нарушилось бы равновесие тела.

Величина “концентрированного” напряжения зависит от формы отверстия, его размера и радиуса кривизны краев. Для примера возьмем тело с отверстием, имеющим в сечении форму эллипса. При попытке согнуть данное тело, возникнут силовые линии как на рисунке выше. Возникшее напряжение будет стремиться “разорвать” материал в точке наибольшей концентрации силовых линий. Ученые рассчитали максимальное значение данного напряжения (для отверстия, имеющего в сечение форму эллипса, подобные расчеты требуют владения сложным математическим аппаратом), при котором материал останется целым:

Читать еще:  Как нарезать резьбу

где σ – напряжение вдали от отверстия, α – коэффициент концентрации напряжения. Значение alfa определяется длиной отверстия и радиусом кривизны у края. Как показывают расчеты, для эллиптического отверстия формула будет следующей:

где с – половина длины отверстия, ρ – радиус кривизны у края.

Если отверстие будет иметь форму трещины, то положение резко ухудшится, так как вершина может быть очень острой. Предельный радиус кривизны в вершине “атомно острой” трещины равен межатомному расстоянию, то есть 10 -4 мкм. Трещина длинной в несколько микрон (ее с трудом можно увидеть в сильный оптический микроскоп) приводит к увеличению напряжения у ее края в сотни раз. Это вызывает снижение прочности.

Чем больше становится трещина, тем больше увеличивается напряжение, что в свою очередь еще сильнее увеличивает размер исходной трещины.

После преодоления критического значения, трещина начинает “расти” со скоростью равной половине скорости распространения звука в данном материале. Например, для стали это 2,5 км/с! Таким образом, запускается процесс, конечной стадией которого становится разрушение материала в месте, где была трещина.

Именно в этом заключается суть теории трещин Алана Гриффитса.

Основные выводы теории Гриффитса сводятся к следующему:

Во-первых, можно рассчитать размеры трещины, с которой материал еще может надежно работать при заданном напряжении. Во-вторых, после достижения критического соотношения между напряжением и длиной трещины процесс дальнейшего роста трещины становится неуправляемым, лавинным.

Как же возникают и как растут трещины до наступления критического момента? Чаще всего в появлении трещин виноват эффект, называемый усталостью металлов.

Усталость металла – это процесс постепенного накопления повреждений и роста трещин при периодической деформации материала. Например, если вы будете долго сгибать и разгибать провод в одном месте – он неизбежно разорвется.

В качестве иллюстрации усталости рассмотрим, деформации, возникающие на вращающемся изогнутом вале. Вал — деталь машины, предназначенная для передачи вращающего момента и восприятия действующих сил со стороны деталей и опор, которые располагаются на нем. Например, в машине вал соединяет колеса с двигателем.

В той точке вала, которая на данный момент находится внизу (точка А), материал растянут.

Но когда эта точка окажется наверху, она попадет в зону сжатия. Вращение приводит к многократному повторению этой ситуации: деформация и напряжение вокруг точки А будут со временем меняться так, как показано на рисунке ниже.

Подобных деталей вокруг нас огромное количество. Это и коленчатый вал двигателя, и оси железнодорожных вагонов, и маховики, и многие-многие другие детали. Усталость неизбежно возникает в “работе” любого моста: мост всегда деформирован в результате действия силы тяжести, а когда по нему проходит поезд (или машина), деформация возрастает, затем уменьшается до исходного уровня.

Появление усталостных трещин обусловлено процессами пластической деформации. Эти процессы охватывают не весь объем материала, а только самые “слабые” точки деталей, около которых создается концентрированное напряжение, – острые углы, отверстия, изгибы и т.д. Появление трещины и ее постепенный рост увеличивает концентрацию напряжения, за счет чего скорость роста этой трещины увеличивается. Рано или поздно длина трещины достигает критического значения, определяемого соотношением Гриффитса. После чего наступает быстрое разрушение.

Полный срок службы изделия можно разделить на две части: время до появления трещины (когда размер трещины позволяет обнаружить ее каким-либо методом), и время от момента обнаружения до окончательного разрушения. Соотношение между этими периодами времени долговечности изделия зависит от свойств самого материала и от многих внешних факторов. К счастью, второй период чаще всего растягивается на достаточно большой срок.

Способность материала работать, при наличии растущей в нем трещины, называется живучестью. Конечно, точность определения продолжительности периода живучести зависит от чувствительности метода, который применяют для обнаружения трещин.

На железной дороге воплощение этой ситуации может наблюдать любой пассажир из окна вагона. Многие, вероятно, видели стоящие на путях вагоны-дефектоскопы. Принцип их работы не сильно отличается от ручного варианта: вдоль пути движется рабочий в наушниках, толкая перед собой тележку на колесах, прибор на тележке – ультразвуковой дефектоскоп. Рабочий обходит свой участок дороги раз в 10 дней, и если в проверяемом рельсе имеется трещина размером больше монеты, в наушниках прозвучит предостерегающий сигнал. Рельс будет заменен новым, и угроза катастрофы минует.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector