Усталостные разрушения

Усталость - накопление повреждений в материале, вследствие циклических нагрузок, которые проявляются в виде усталостных трещин.  Различают многоцикловую и малоцикловую усталость. Четко обозначенной границы между ними нет. Условно считается, что много цикловая усталость определяется числом циклов - NP до возникновения разрушения NP>104, если (1/4< NP<104), то это относится к малоцикловой.  При неправильных циклических нагрузках, под влиянием быстро меняющихся воздействий, например обусловленные вибрацией, критическое число циклов, т.е. число циклов до разрушения, составляет NP<106 (для МОД NP≈6-7 суток; СОД NP≈1,0-1,5 суток; газотурбокомпрессоры для наддува ДВС NP≈1,5-2,0 часа, паровые турбины NP≈3,0, часа газовые турбины NP≈2,5 часа). Долговечность, или число циклов до разрушения простых деталей можно определить, используя известные расчетные зависимости из теории прочности.  Предел усталости материала является его свойством, однако, на  интенсивность развития трещин оказывают влияние условия эксплуатации.  При разрушении деталей, вследствие усталости,  на поверхности излома наблюдаются две чётко разграниченные зоны. Одна представляет собой  гладкую (притертую) поверхность, которая образуется в результате трения поверхностей трещины при ее смыкании и размыкании, под действием циклических нагрузок - называется зоной разрушения вследствие усталости. Другая образуется в результате излома по границам зёрен - кристаллический излом, при этом поверхность имеет грубую, шероховатую поверхность и является зоной заключительного разрушения – называется зоной мгновенного действия.  Усталостные разрушения происходят без внешних признаков пластической деформации. Развитие трещины начинается с образования микротрещин, растрескивания по границам зерен, а также вокруг твердых включений. Развитие и распространение микротрещин идет от одного слабого места к другому, ослабляя сечение детали. Когда она охватывает значительную часть сечения, быстро разрушается  и остальная её часть. Микротрещины в отдельных разрозненных зернах неоднородны, аналогично неоднородности структуры - неметаллические включения, поры и др.  Наличие только микротрещин, недостаточно для возникновения усталостного разрушения. Для развития явления усталости необходимо, чтобы вблизи находилось несколько зерен с  усталостной трещиной. Вероятность усталостного разрушения зависит от вероятности нахождения рядом нескольких зерен, в которых напряжения могут достичь значения равного пределу хрупкой прочности. Подобная вероятность увеличивается с ростом размеров детали.  Чем крупнее и массивнее деталь, тем ниже предел усталости и  тем больше вероятность наличия слабых мест и дефектов. На предел усталости существенно влияет наличие концентраторов напряжений.  Концентраторами напряжений могут являться: - базовые формы деталей, такие как - уступы, выточки, отверстия, борозды, резьбы, углы, сварочные швы и др.  (обычная резьба снижает предел усталости стержня из мягкой стали до 25%);  - неисправности, в виде изменения геометрической формы - коррозия, усадочные раковины, царапины, риски от резца,  выемки образовавшиеся в результате износа и др. (царапина на поверхности цилиндрического стержня глубиной 0,1 мм снижает усталостную прочность на 40%); - обезуглероживание, при котором теряется углерод (например, вызванное связыванием с водородом) с поверхности сплавов железа при нахождении в нагретом  состоянии в активной среде, что значительно снижает сопротивление усталости;  - фреттинг-коррозия - возникает в местах плотного соединения двух деталей, подвергающихся переменному изгибу; - включения, являющиеся "инородными частицами", в структуре металла; - внутренние напряжения, возникающие в результате термической обработки, протяжки, прокатки, холодной обработки, некачественной сварки ослабляющей материал.         Следует отметить влияние температуры на предел усталости. При температурах от + 40°С до + 200°С, изменения предела усталости не наблюдается. Для углеродистых сталей, при температурах более +200°С, предел усталости повышается вследствие увеличения пластичности и уменьшения возможности появления трещин. При температурах +375°С предел усталости выше на 40%, чем при комнатной температуре. При низких температурах предел усталости падает.