Усталость материала

Характерный усталостный излом

Причины отказа механики
Прогиб
Коррозия
Пластическая деформация
Усталость материала
Удар
Трещина
Плавление
Износ

Усталость материала — в материаловедении — процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время^[1].

Обратное свойство материала называется выносливостью (свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения указанное время). Кроме того это понятие близко связано с прочностью, существует понятие усталостной прочности.

Выносливость измерима, существуют методики её измерения.

Выносливость, так же как и прочность, для многих материалов сильно зависит от температуры, это явление получило название хладноломкость.

История

Первооткрывателем явления стал Вильгельм Альберт (en:Wilhelm Albert), но термин «усталость» был введён в 1839 году французским ученым Ж.-В. Понселе, который обнаружил снижение прочности стальных конструкций при воздействии циклических напряжений.

Диаграмма Вёллера: по горизонтальной оси — количество циклов, по вертикальной — напряжение

Наибольший вклад в научную основу проектирования металлических конструкций, подвергающихся повторным напряжениям, внёс немецкий инженер Август Вёллер (en:August Wöhler) классическими опытами с железом и сталью в условиях повторного растяжения-сжатия, результаты которых были опубликованы в 1858—1870 годах. Л. Шпангенберг (de:Louis Spangenberg) в 1874 году впервые графически изобразил результаты исследований, опубликованных А. Вёллером в виде таблиц. С тех пор графическое представление полученной зависимости между амплитудами напряжения цикла и числом циклов до разрушения называют диаграммой (кривой) Вёллера.

Предотвращение

Основным методом предотвращения усталостного разрушения является модификация конструкции механизма с целью исключения циклических нагрузок, либо замена материалов на менее склонные к усталости. Значительное увеличение выносливости даёт химико-термическая обработка металлов, например азотирование.

Газотермическое напыление, особенно высокоскоростное газопламенное напыление, создаёт напряжение сжатия в покрытии материала и способствует защите деталей от разрушения.

Известные катастрофы, связанные с усталостью материала

• Версальская железнодорожная катастрофа — произошла 8 мая 1842 года. Изначальной причиной послужил излом оси паровоза. Погибло около 55 человек, в том числе и известный исследователь Жюль-Сезар Дюмон-Дюрвиль со своей семьёй. Одна из крупнейших железнодорожных катастроф XIX века. Последующее расследование показало всю важность исследований усталости материалов от постоянных циклических нагрузок.
• 1919 — затопление Бостона патокой
• Крушения самолётов De Havilland Comet.
• 1972 - авиакатострофа под Харьковом.
• 1992 — авиакатастрофа в Амстердаме.
• 1998 — железнодорожная катастрофа под Эшеде (крушение высокоскоростного поезда Intercity-Express).
• 2009 — Авария на Саяно-Шушенской ГЭС.

Смотрите также

• Усталостная прочность
• Алгоритм Любачевского-Стилинжера, который в ряде случаев позволяет моделировать микроструктуру усталостных дефектов

Примечание

1. ↑ Часто при определении срока службы используется не понятие времени, а понятие количества циклов (изгибов, изломов, сжатий-растяжений и пр.), а в некоторых отраслях, таких как автомобилестроение, количество циклов сводится к тысячам километров пробега

Источники

• БСЭ. Статья Выносливость (в сопротивлении материалов)
• БСЭ. Статья Усталость материалов