Об усталости металлов и ее проявлениях

Металлы обладают микроструктурой, напоминающей решетку. Она крепка лишь после выпуска стальной продукции. Затем начинают деформироваться поверхностные слои. Моменты покоя сменяются циклами нагружения. На состояние металлов также влияют эксплуатационные условия. Сегодня ученые знают все про усталость металла.

Подобные знания помогают создавать прочные сплавы и прогнозировать их поведение в будущем. Далее эти материалы ложатся в основу зданий и механизмов, поведение которых будет вполне прогнозируемым. Текущий обзор расскажет все про усталость и выносливость металлов.

Определение термина

Сохранившийся рисунок от 1843 года отлично демонстрирует обеспокоенность инженеров того времени быстрым выходом из строя железнодорожных осей. Уже тогда они осознали, что металл устает, а его структура повреждается. Первые фундаментальные работы про усталость материала датируются 1858 годом и принадлежат немецкому железнодорожнику Августу Веллеру. Ученый дал старт новому направлению, начавшему стремительное развитие еще полтора века тому назад.

Сегодня под этим термином понимается процесс постепенного скопления повреждений в структуре металла. Обычно металл подвергается повторяющейся нагрузке, чуть реже - нагрузке повторно-переменного плана. Из-за деформации структуры меняются свойства стали, образуются и развиваются трещины, происходит полное разрушение.

Температурные воздействия, агрессивные среды, циклические нагрузки разные по величине и напряжению. Подобные нагрузки возникают в конструкциях зданий, деталях станков, машин и других узлах. Прочность и долговечность заметно снижаются, повторно-переменное напряжение разрушает устающий металл. Для иллюстрации нагрузок можно привести такие примеры:

• напряжения противоположные по знаку, появляются при вращении валов автомобиля;

• деформация рычагов шасси самолета при взлете и посадке;

• нагрузка на узлы строительной техники, движущейся по неровной дороге.

Подобное разрушение опасно, поскольку имеет скрытый характер. Пределы прочности, упругости или текучести не превышаются, поэтому причины стоит искать в многократно повторяющейся нагрузке.

Основные виды усталостной деформации

Деградация сталей происходит в три этапа - появление первоначальной микротрещины, ее распространение, полное разрушение структуры. Усталостные испытания производят с такими программами перемены амплитуд циклов:

• при постоянных амплитудных значениях;

• бигармонический цикл;

• использование переменных частот;

• полное воспроизведение эксплуатационного цикла;

• гармонический цикл с включенными в него одиночными перегрузками.

Схема нагружения должна отвечать реальной эксплуатации, чтобы воспроизвести в тестовом образце излом эксплуатационного характера. В ходе тестирования образцов прибегают к таким методам нагружения:

• чистый вращательный изгиб;

• тот же изгиб в одной плоскости;

• поперечный изгиб круглых образцов;

• тот же изгиб в одной плоскости для некруглых и круглых образцов;

• испытания для тех же образцов при вращении в силовой плоскости;

• цикл растяжение-сжатие;

• переменное кручение;

• нагружение гидростатическим давлением или внутренним давлением.

Также испытание металлов на усталость основано на мягких и жестких циклах нагружения. Все эти испытания помогают выявить следующие виды усталости материалов. Например, динамические нагрузки регламентированы ГОСТ 23207-78, усталость подразделяется здесь по количеству циклов:

• одноцикловая - предел прочности достигается или превышается одноразовым нагружением;

• малоцикловая - предел достигается при незначительном количестве циклов нагружения (до одной тысячи);

• многоцикловая - разрушение тестового образца производится путем воспроизведения циклов нагружения более одной тысячи раз.

Основные причины разрушения обычно находятся вне структуры металла. Так возникает физическая усталость, обладающая следующими подвидами. Усталость коррозионная встречается наиболее часто, возникает из-за знакопеременных напряжений и воздействия коррозионных сред. Тепловая (термическая) разновидность возникает из-за повторяющихся нагревов и охлаждений. Усталость контактная обусловлена выкрашиванием (износом) контактирующих поверхностей. Также существует механическая разновидность, обусловленная кинетическим напряжением (например, перетянутая гайка на шпильке). Также в научной литературе понятие обросло следующими видами, которые можно отнести к основной и самой важной классификации:

• пороговая - состояние возникновения первых проявлений усталости (неравномерно напряженное состояние);

• накопленная - состояние накопления напряжений, которое можно снять прогревом и дальнейшей закалкой, вернув элементу практически исходные характеристики;

• предельно допустимая - металл близок к началу деградации, но усталость пока не выступает причиной разрушения и ее можно снять термической обработкой;

• критическая - металл уже не способен на сопротивление, но нагрузка еще вне предела прочности;

• полная - металл устал на 100%, разрушается как под внешними нагрузками, так и без видимых причин, восстановление возможно исключительно методом переплавки;

• частичная - металл способен противостоять внутренним и внешним напряжениям, его можно восстановить термопрогревом;

• локальная - металл устал на отдельных локальных участках;

• общая - усталость наблюдается на всей поверхности изделия.

• обратимая - показатели неравномерно напряженного состояния можно уменьшить частично или полностью;

• остаточная - усталость, частично сохранившаяся после термической обработки.

Как выявляется усталость на практике?

Состояние стальных конструкций, несущих ответственные нагрузки, регулярно проверяется. Подобные проверки проводятся и на заводах, выпускающих стальную продукцию и периодически тестирующих собственное оборудование. Металлические конструкции и изделия, уже побывавшие в эксплуатации, на практике проверяются такими способами:

• на один из образцов оказывается динамическая нагрузка;

• крупные конструкции осматриваются визуально;

• если металл нельзя распилить, то проводится прослушивание (поврежденный участок издает специфический звук);

• взятие отдельных проб и проведение микроскопических исследований;

• применение рентгеновских лучей и ультразвуковых исследований (подобными методами исследуют человека);

• окрашивание пигментами с флуоресцентными свойствами, позволяющими проявить трещины;

• использование магнитных порошков.

На практике исследователям помогают признаки усталости металлов - трещины являются самыми очевидными из них, но не самыми опасными и распространенными. Взаимодействие с кислородом - основное свойство металлов, приводящее к коррозии. Именно она быстрее всего появляется на стали и приводит к истончению поверхностных слоев.

Также уставший металл меняет свойства - становится пластичным, хрупким, меняется магнитная память металлической структуры. Металлические детали механизмов могут иметь явные механические повреждения. Также уставшие элементы могут менять цвет, например, при перегреве металл окрашивается в цвета побежалости.

Через какое время устают разные металлы?

Важно, что предел усталости металла зависит от его химической формулы и вида обработки. Такие знания помогают промышленникам и машиностроителям решать задачи путем подбора определенных марок стали. Единой таблицы или нормативов, конкретно прописывающих сроки годности металлов и сплавов, не существует. Но ученые научились просчитывать этот параметр, опираясь на ряд свойств:

• твердость;

• временное сопротивление;

• вязкость;

• предел прочности;

• предельная равномерная деформация;

• выносливость при сжатии-растяжении и другие параметры.

Также уточнить срок службы помогают тестирования образцов и тесты, проводимые уже во время эксплуатации металлов. Например, экспертами производится расчет усталости металла. По результатам ресурсной экспертизы выдаются рекомендации экспертов по продлению срока службы конструкций и деталей. Также заключение показывает через сколько лет металл станет критически уставшим.

Как повышается выносливость металлов?

Процесс старения является скрытым и постепенным - в этом заключена основная опасность. Лучшие умы бьются над вопросами продления срока эксплуатации стальных металлоизделий. Повышать выносливость нужно на этапах проектирования и производства. Для этого нужно:

• избегать заостренных углов, увеличивать радиусы сгибов, поскольку закругление углов снимает напряжения;

• делать переходы между участками с разным поперечным сечением;

• повышать качество полировки поверхностей, шероховатости считаются концентраторами напряжений и кратно увеличивают потенциальные риски;

• контроль за качеством сварки - сварные швы отвечают за прочность конструкции, качественная приемка изделий исключает поры, включения шлака и червоточины;

• подбирать марки стали с подходящими усталостными характеристиками.

Также внимание уделять нужно не только металлам, поскольку они являются лишь частью проекта. Заранее можно минимизировать потенциальную усталость, помещая конструкции в условия, лишенные вибрационных нагрузок, резких перепадов температур и агрессивных сред. Даже относительно недорогой металл можно защитить, если произвести закалку с отпуском, азотирование или гальванизацию. Также циклическая усталость металла зависит от типа крепежа, момента затяжки, наличия стопорных шайб и квалификации работников, производящих монтаж ответственных участков стальных конструкций.

Если деталь уже находится в эксплуатации длительное время, то вернуть ей былые свойства также вполне возможно. Для этого можно применить дополнительную прокалку, обработать сталь антикоррозионным составом или краской, произвести локальный ремонт с помощью сварочного оборудования, вырезать деформированный участок и заменить его новым металлом.

Однако такие методы помогут лишь при локальной усталости или при ее начальных проявлениях, поскольку полностью уставший металл пригоден лишь для переплавки. Для выявления степени усталости рекомендуется вызвать экспертов-лаборантов. Они проведут экспертизу и предоставят свои выводы относительно целесообразности восстановления и поддержания стального изделия в нормальном рабочем состоянии.