Усталость материалов

Усталость материалов, изменение механических и физических свойств материала под длительным действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от исходных свойств, вида напряжённого состояния, истории нагружения и влияния среды. На определённой стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зёрна поликристаллического металла, волокна и матрица композитов, молекулярные цепи полимеров) образуются микротрещины, которые на дальнейших стадиях перерастают в макротрещины либо приводят к окончательному разрушению элемента конструкции или образца для механических испытаний.

  Количественно усталостный процесс описывается зависимостью между накопленным повреждением и числом циклов или длительностью нагружения по параметру величины циклических напряжений или деформаций. Соответствующая зависимость между числом циклов и стадией повреждения (в т. ч. возникновением трещины или окончательным повреждением) называется кривой усталости. Эта кривая – основная характеристика У. м. Накопление циклического повреждения отражает деформирование материала как макро- и микронеоднородной среды (для металлов – поликристаллический конгломерат, для полимеров – конгломерат молекулярных цепей, для композитов – регулярное строение из матрицы и волокон). Этот процесс в поле однородного напряжённого состояния (например, простого растяжения-сжатия) описывается механической моделью, звенья которой воспроизводят неоднородную напряжённость структурных составляющих материала; неоднородность характеризуется вероятностными распределениями величин микродеформаций и микронапряжений (включая остаточные). Циклическое нагружение таких неоднородных структур порождает в наиболее напряжённых структурных звеньях необратимые деформации (упругопластические, вязкоупругие), накапливающиеся с нарастанием числа циклов и длительности пребывания под циклической нагрузкой. Их увеличение до критических значений, свойственных материалу и среде, в которой он находится, приводит к зарождению макротрещины как предельного состояния на первой стадии усталостного разрушения. Кинетика изменения состояния материала на этой стадии проявляется субмикроскопически в изменении плотности дислокаций и концентрации вакансий, микроскопически – в образовании линий скольжения, экструзий и интрузий на свободной поверхности остаточных микронапряжений; механически – в изменении твёрдости, параметров петли упруго-пластического гистерезиса, циклического модуля упругости, а также макрофизических свойств (электрического, магнитного и акустического сопротивления, плотности). На второй стадии усталостного разрушения накопление повреждения оценивается скоростью прорастания макротрещины и уменьшением сопротивления материала статическому (квазихрупкому или хрупкому) разрушению, определяемому изменением статической прочности, в том числе характеристиками вязкости разрушения как критическими значениями интенсивностей напряжений у края усталостной трещины.

  Кривые усталости в области многоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов более 10⁵), за которые «ответственны» повторные упругие деформации, наносятся в амплитудах (или максимальных напряжениях) цикла в логарифмических (lgs, lgN) или полулогарифмических (s, lgN) координатах (рис. 1). В зависимости от особенностей материала, гомологических температур и физико-химической активности среды кривые усталости могут иметь либо асимптотический характер (кривая 1), либо непрерывно снижающийся с выпуклостью, обращенной к началу координат (кривая 2). Величину амплитуд напряжений s_-1, являющихся асимптотами кривых усталости 1-го типа, называется пределом выносливости материала, а величину амплитуд напряжений (s_-1) _Np, для которых разрушение достигается при числе циклов Np по кривым 2-го типа, – ограниченным (по числу циклов) пределом выносливости. Материалам более стабильных структур и для более низких температур свойственны кривые типа 1; материалам менее стабильных структур, для более высоких температур и активных сред – кривые типа 2.

  Кривые усталости в области малоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов в 10⁴ и менее), за которые «ответственны» повторные пластические деформации, наносятся в амплитудах этих деформаций в логарифмических координатах lg e_ap и lg N (рис. 2).

  Лит.: Конструкционные материалы, т. 3, М., 1965, с. 382–90; Форрест П., Усталость металлов, пер. с англ., М., 1968; Серенсен С. В., Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению, М., 1975.

  С. В. Серенсен.

Рис. 1. Кривые усталости в области многоцикловой усталости.

Рис. 2. Кривые усталости в области малоцикловой усталости.