Усталость материала

Усталость материала (англ. fatigue of materials) — деградация механических свойств материала в результате постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений с образованием и развитием трещин, что обуславливает его разрушение за определённое время. Такой вид разрушения называют усталостным разрушением.

Явление уменьшения прочности деталей машин под действием циклической нагрузки было обнаружено ещё в середине XIX века. Это послужило основанием создания нового направления науки о прочности материалов и конструкций, получившем название «физика усталости материалов».

Первым исследованием, где рассматривается вопрос усталости материала, считают работу Вильгельма Альберта^[англ.], опубликованную в 1838^[1][2]. Термин «усталость» явно принадлежит Ф. Брейтуэйту (англ. Frederick Braithwaite (1854)^[3], хотя Понселе ещё в 1839 году в своих лекциях в военной школе Меца характеризовал состояние металлов после циклических нагрузок как «усталость».

В 1858—1870-х годах немецкий инженер Август Вёлер^[англ.] начал систематические исследования усталости материалов, посвященные преимущественно изучению усталости осей железнодорожного транспорта^[2]. В частности он изучил условия эксплуатации этих деталей, создал оборудование, которое позволяло воспроизводить в лабораторных условиях эксплуатационные режим их работы, и построил кривые усталости исследованных материалов.

В 1880-х годах И. Баушингер (эффект Баушингера) установил изменение предела упругости материалов при повторно-переменной нагрузке и доказал отличие процессов деформирования при статических и циклических нагрузках, а также обнаружил петли гистерезиса на диаграмме деформирования в координатах «напряжение-деформация».

В 1903-м Джеймс Альфред Юинг и Д. Хэмфри обнаружили наличие на поверхности образцов, подвергавшихся воздействию переменных нагрузок, так называемых полос скольжения, и установили, что они являются предпосылкой появления трещин усталости в металлах^[4][5]. Дальнейшие исследования^[6] показали, что возникновение полос сдвига при напряжениях, значительно более низких, чем предел текучести, связано со структурной неоднородностью металлов, которая приводит к значительным деформациям отдельных локальных объёмов материала, а также — что при циклической нагрузке происходит локализация процесса пластического деформирования, на поверхности образца часто наблюдается возникновение выступающих (экструзия) и вдавленных (интрузия) участков материала. На субмикроструктурном уровне механизмы, приводящие к возникновению усталостных трещин, рассматривают с использованием представлений теории дислокаций.

В начале XX века опубликованы первые в Российской империи исследования по усталости материалов, авторами которых были ученые М. Воропаев^[7] и К. Симинский^[8].

В первой половине XX века изучены феноменологические закономерности накопления усталостного повреждения в материалах и сформулированы гипотезы суммирования повреждений, которые позволяют прогнозировать долговечность при переменных амплитудах, обоснованы методы повышения сопротивления усталостному разрушению за счет инициирования в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия, начато исследование кинетики развития усталостных трещин и работы по созданию методов оценки предельного состояния тел с трещинами^[8].

Интенсивное развитие исследования усталости материалов получили в 1945—1960-х годах в связи с усталостными поломками авиационных конструкций, прежде всего имевших катастрофические последствия (катастрофы первых реактивных гражданских самолётов «Комета», 1954). Тогда же были подробно исследованы закономерности рассеяния данных экспериментального определения предела выносливости и количества циклов до разрушения материалов и созданы методы их учёта при проектировании машин и конструкций, сформулированы основные представления о разрушении при малоцикловой нагрузке, развиты новые подходы к оценке долговечности материалов и конструкций, когда за основу прогноза разрушения брали не напряжение, а деформацию, в частности её пластическую составляющую^[8].

В 1961 году П. Перис^[англ.] предложил уравнение, которое связывает скорость развития усталостной трещины с величиной коэффициента интенсивности напряжений^[9][10]. На основе этих и других критериев механики разрушения выполнен значительный объём исследований, в результате чего установлены основные закономерности развития усталостных трещин с учётом всего комплекса факторов, имеющих место в условиях эксплуатации.

Термин «усталость» применяется для обозначения определяющего фактора вида разрушения в виде неожиданного внезапного разделения детали или элемента машины на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок или деформаций. Разрушение происходит путём зарождения и распространения трещины, которая становится его причиной по достижении некоторого критического размера и становится неустойчивой и быстро увеличивается. Количество циклов нагружения, при котором наступает разрушение, зависит от уровня действующего напряжения — с увеличением переменных напряжений уменьшается количество циклов, необходимых для зарождения и развития трещины. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Когда величины нагрузок и перемещений такие, что разрушение происходит более чем через 10 000 циклов, явление обычно называется многоцикловой усталостью. Когда же величины нагрузок и перемещений такие, что разрушение происходит меньше чем за 10 000 циклов, явление называется малоцикловой усталостью.

Когда циклические нагрузки и деформации возникают в деталях в результате действия циклически переменного температурного поля, явление обычно называется термической усталостью.

Разрушение, носящее название поверхностная усталость, обычно происходит при наличии вращающихся контактирующих поверхностей. Проявляется оно в виде питтинга, растрескивания и крошения контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине у поверхности возникают максимальные по величине циклические касательные напряжения. Эти напряжения приводят к возникновению трещин, выходящих на поверхность, при этом некоторые частицы материала отделяются. Это явление часто может рассматриваться как разновидность износа.

Фреттинг-усталость — процесс накопления повреждений и срабатывание материалов поверхностей, контактирующих и совершающих колебательные относительные перемещения с малой амплитудой под действием циклической нагрузки, которое вызывает переменные деформации сдвига поверхностных слоёв, схватывания и отделения частиц, появление оксидов, ускоренное образование трещин, и разрушения объекта^[11]. Поверхностные повреждения и микротрещины, появляющиеся в результате фреттинга играют роль зародышей усталостных трещин, в результате роста которых усталостное разрушение происходит при таких нагрузках, которые в других условиях не вызывали бы разрушения.

Ударная усталость наблюдается, когда разрушение происходит при повторном воздействии ударных нагрузок вследствие образования и распространения усталостных трещин.

Коррозионная усталость представляет собой сложный вид разрушения, при котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и знакопеременного нагрузки, приводящие к разрушению^[12]. В процессе коррозии на поверхности металла часто образуются ямки, которые становятся концентраторами напряжений. В результате концентрации напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того, трещины в хрупком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных трещин, распространяющихся в основной металл. С другой стороны, в результате действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и отслаивание продуктов коррозии, то есть открывается доступ коррозионной среды к новым слоям металла. Таким образом, оба процесса ускоряют друг друга, и опасность разрушения возрастает.

Номинальные значения максимальных напряжений в условиях переменного нагружения меньше предела прочности и в основном меньше предела текучести материала. Свойство материала работать в условиях циклических нагрузок характеризуется границей выносливости — максимальным по абсолютному значению напряжением цикла, при котором ещё не происходит разрушения от усталости в течение заданного количества циклов нагружения, которую называют базой испытаний (N₀)^[13]. Её величина зависит от структуры и дефектов материала, технологии изготовления и обработки, состояния поверхности, среды и температуры испытаний, концентрации напряжений, размеров образца, режима приложения нагрузки и так далее, и может изменяться (при самых неблагоприятных условиях уменьшаться в 5-10 раз по сравнению с пределом прочности материала). Эти особенности вызывают значительные сложности при проектировании машин и конструкций в связи с необходимостью исключения их усталостных поломок. Как показывает практика, 50-80 % поломок машин и конструкций связаны с усталостью материала^[8].

Способность материала противостоять разрушению при напряжениях, переменных во времени, называется выносливостью.

Основные характеристики сопротивления усталости определяют из кривой усталости, характеризующей зависимость между максимальными напряжениями или амплитудами цикла и циклической долговечностью образцов. Графическое представление полученной зависимости между амплитудами напряжений цикла и числом циклов до разрушения называют кривой усталости или диаграммой (кривой) Веллера (Август Веллер August Wöhler^[англ.] , немецкий инженер).

В общем кривую усталости, которая описывает зависимость между максимальными напряжениями и количеством циклов до разрушения N_р, можно разделить на три участка. На участке I разрушение происходит в результате направленной пластической деформации до величины предельной деформации, которая примерно равна предельной деформации при статической нагрузке. На участке II разрушение происходит после относительно небольшого количества циклов нагрузки (N _р ≤ 2⋅10 ⁴ циклов) и рост усталостной трещины сопровождается существенными пластическими деформациями. Такой вид разрушения называется разрушением от малоцикловой усталости. На участках II и III разрушение происходит вследствие зарождения и развития усталостной трещины. На изломе, как правило, можно выделить два участка: мелковолокнистого строения, которая характерна для роста усталостной трещины, и крупнозернистый участок окончательного разрушения.

На участке III материал разрушается после большого количества циклов нагрузки незначительной амплитуды. В связи с этим участок II называют участком малоцикловой усталости; III — участком многоцикловой усталости, или просто усталости.

При испытании некоторых материалов, в частности углеродных сталей при комнатной температуре, правый участок зависимости направляется к горизонтальной линии (N_р>10⁷ циклов).

Под циклической долговечностью понимают количество циклов напряжений или деформации, выдерживающих объектом при нагрузке до предельного состояния (образование усталостной трещины определённой длины или полного разрушения).

Если приложения нагрузок к материалу носит периодический характер, то совокупность всех значений напряжений, возникающих в материале, называют циклом напряжений. На сопротивление усталости в основном влияют минимальные (σ_min) и максимальные (σ_max) напряжения цикла и амплитуда цикла напряжений ${\displaystyle \left({\frac {|\sigma _{max}-\sigma _{min}|}{2}}\right)}$. Отношение минимального напряжения цикла к максимальному с учётом знаков напряжений называется коэффициентом асимметрии цикла и обозначается буквой r

${\displaystyle r={\frac {\sigma _{min}}{\sigma _{max}}}}$ .

Тогда при симметричном цикле коэффициент асимметрии будет равняться −1, а предел выносливости в условиях растяжения-сжатия будет называться σ₋₁, а в условиях кручения τ_−1.

Испытания на усталость — испытание на действие циклической нагрузки объекта для определения характеристик сопротивления усталости^[14] .

При испытании на усталость определяют предел выносливости. Для определения предела выносливости строят кривые усталости. При этом испытывают не менее десяти образцов для одного уровня нагрузки. Кривые усталости строят в полулогарифмических или логарифмических координатах^[15].

Существуют различные схемы испытаний: изгиб, кручение, растяжение, сжатие. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении цилиндрического образца, при котором один изгибающий цикл соответствует одному обороту.

Проблему усталости материалов изучают специалисты в области механики, физики, химии, инженерных наук и тому подобное. Их исследования направлены как на изучение природы усталостного разрушения материалов и построение соответствующих теорий, так и на создание методов проектирования машин и конструкций, исключающих появление их поломок от усталости в процессе эксплуатации^[8].

Науку об усталости материалов можно разделить по подходам к изучению на:

• Методы, основанные на напряжениях (многоцикловая усталость — усталость материала, при которой усталостное разрушение происходит без заметного накопления деформаций, главным образом за упругой деформации).
• Методы, основанные на деформациях (малоцикловая усталость — это усталость материала, при которой усталостное разрушение происходит в основном при упруго-пластическом деформировании).
• Методы, основанные на энергии деформации.
• Методы, основанные на коэффициенте интенсивности напряжений (механика разрушения).

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

Газотермическое напыление, особенно высокоскоростное газопламенное напыление, создаёт напряжение сжатия в покрытии материала и способствует снижению склонности деталей к усталостному разрушению^[].

• 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^[16].
• 1919 — Затопление Бостона патокой^[17].
• 1954 — Крушения самолётов De Havilland Comet^[18].
• 1972 — Катастрофа Ан-10 под Харьковом^[19].
• 1977 — Обрушение пешеходного моста на станции Пушкино^[20].
• 1988 — Происшествие с Boeing 737 над Кахулуи^[21].
• 1989 — Катастрофа DC-10 в Су-Сити^[21].
• 1992 — авиакатастрофа в Амстердаме^[22].
• 1998 — Крушение ICE у Эшеде^[23].
• 2009 — Авария на Саяно-Шушенской ГЭС^[24].
• 2018 — Авария Boeing 737 на маршруте Нью-Йорк—Даллас^[25].

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

• Выносливость (сопротивлении материалов) — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Усталость материалов — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Сопротивление материалов. Учебник / Г. С. Писаренко, А. Л. Цветок, Е. С. Уманский. Под ред. Г. С. Писаренко — М .: Высшая школа, 1993. — 655 с. ISBN 5-11-004083-4
• Механика разрушения сварных конструкций: Курс лекций. Для студентов специальности 7.092301 всех форм обучения / Составитель: Ясной П. В. — Тернополь : ТГТУ, 2006. — 100 с.
• Хейвуд Р. Проектирование с учётом усталости / Пер. с англ. М .: Машиностроение, 1969. — 504 с.
• Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. К .: Наукова думка, 1973. — 216 с.
• Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1974. — 344 с.
• Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Г. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. — М .: Машиностроение, 1975. — 488 с.
• Трощенко В. Т. деформирования и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. — К .: Наукова думка, 1981. — 344 с.
• Панасюк В. В. и др. Механика разрушения и прочность материалов. Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. — К.: Наукова думка, 1990. — 679 с. — ISBN 5-12-000489-X