86 / 397
Механики XXI веку. №16 2017 г.
86
Введение
. В наше время актуальна проблема усталостного разрушения металла, так
как это одна из причин разрушения деталей машин и элементов конструкции. Если уровень
переменных напряжений превышает некоторый предел, то в материале детали происходит
процесс постепенного накопления повреждений, который приводит к образованию
субмикроскопических трещин. По мере наработки длина этих трещин увеличивается, затем
они объединяются, образуя первую микроскопическую трещину, под которой понимается
трещина протяженностью 0,1…0,5 мм. У корня этой трещины возникает местное увеличение
напряжений, которое облегчает ее дальнейшее развитие. Трещина, постепенно развиваясь и
ослабляя сечение, вызывает в некоторый момент времени внезапное разрушение детали,
которое нередко связано с авариями и тяжелыми последствиями. Это часто происходит в
результате усталости материала. [1]
При малоцикловом изнашивании совместное действие нормальной и касательной
нагрузок при трении приводит к тому, что максимальное касательное напряжение возникает
не на поверхности, а под пятном контакта на небольшой глубине, где накапливаются
повреждения и образуются трещины. У хрупкого материала трещина возникает на
поверхности. Малоцикловое изнашивание наблюдается при пластическом деформировании
поверхностей (без резания) более мягкого материала выступами более твердого. В местах
такого деформирования нередко образуются боковые навалы, которые при последующих
проходах тоже могут отделяться в виде продуктов износа.
Основная часть
. Первоначально термин «усталость» означал, как поведет себя
твердое тело под взаимодействием переменных напряжений, вызванных различными
внешними нагрузками, то теперь «усталость» имеет более широкое значение.
Усталость металла бывает: термическая, коррозионная, повторно-статическая.
Термическая усталость – это воздействие переменной температуры на твердое тело.
Коррозионная усталость – это взаимодействие химически активных сред вместе с
нагрузками. Повторно-статическая усталость – это взаимодействие небольшом количестве
повторных статических нагружений, обычно превышающих предел текучести [1]. Для
изучения усталости вводятся такие понятия как: усталость при ударных нагрузках,
контактная усталость и т. д. так как усталостные разрушение металла не удается описать
физическими законами все расчеты строятся на критериях, характеристиках, полученные
опытным путем. Современные ученые считают, что усталостное разрушение зависит от
уровня переменных напряжений в опасном сечении, от величин деформации, удельной
энергии деформации, сообщаемой данной детали, времени нагружения в течение цикла,
температуры, микроструктуры материала, из которого изготовлена данная деталь, среды, в
которой она находится и т.п. На основе этих данных разработан ряд научных теорий
усталостного разрушения. [2-11]
Уже при изготовлении детали из металла появляются различные дефекты как внутри
этой детали, так и снаружи: мельчайшие включения, пустоты, межкристаллическое
вещество, дефекты поверхностных слоев металла, особенности формы детали. Такие
дефекты при нагрузке в ходе работы вызывают появление микротрещин, которые в
дальнейшем растут и ослабляют сечение. [2] в ходе исследования этой проблемы ученые
выявили, что разрушение происходить только из-за того что уже имеется микротрещина.
Были установлены и пластичные деформации, появлявшиеся уже после первых нескольких
тысяч циклов. Такие деформации проявляются в виде сдвигов. Причиной таких деформаций
и разрушений является в неоднородности металла, и в том, что состоит он из множества
кристаллических зерен разной величины и разной ориентации. Малые сдвиги, могут быть
уничтожены при сжатии в следующий полупериод переменного напряжения. Но так же
могут возникнуть новые сдвиги, в свою очередь уничтожаемые растяжением. такие сдвиги
очень малы, но по мере их повторения они постепенно выступают, потому что
сопровождаются разрушением. Таким образом, появляются первые микротрещины. [2]
Другие ученые считают, что из-за полученных сдвигов возможны упрочнения, усталостная
трещина зарождается там возрастающая величина местного напряжения достигнет уровня