Втома матеріалів

ВТО́МА МАТЕРІА́ЛІВ  — процес поступового нагромадження пошкоджень у матеріалі при циклічному навантаженні. Втомне руйнування матеріалів проходить дві стадії — зародження втомної тріщини та її розвиток аж до повного зруйнування зразка чи конструкції. Кількість циклів навантаження, при якому настає руйнування, залежить від рівня діючого напруження — зі збільшенням змінних напружень зменшується кількість циклів, необхідних для зародження та розвитку тріщини. Співвідношення напруження і кількості циклів до зруйнування називають кривою втоми, макс. напруження, при якому не відбувається втомного зруйнування протягом заданого часу (зазвичай 107 циклів при багатоцикл. втомі), — межею витривалості. Межа витривалості матеріалів, насамперед металів, суттєво нижча меж плинності і міцності. Її величина залежить від структури і дефектів матеріалу, технології виготовлення і обробки, стану поверхні, середовища і температури випробувань, концентрації напружень, розмірів зразка, режиму навантаження тощо і може змінюватись (при найнесприятливіших умовах зменшуватись у 5–10 разів у порівнянні з межею міцності матеріалу). Ці зміни викликають значні складнощі при проектуванні машин і конструкцій у зв’язку з необхідністю виключення їх втомних поломок. Як свідчить практика, 50–80 % поломок машин і конструкцій пов’язані із В. м. Розрізняють багатоциклову (руйнування відбувається при великій кількості циклів навантаження і порівняно низьких напруженнях), малоциклову (при високих напруженнях і невеликій кількості циклів навантаження — до 105) та термічну (малоцикл. втома ініціюється напруженнями, які виникають завдяки змінним т-рам) В. м. Проблему В. м. вивчають фахівці в галузі механіки, фізики, хімії, інж. наук тощо. Їхні дослідж. спрямовані як на вивчення природи втомного руйнування матеріалів і побудову відповід. теорій, так і на створення методів проектування машин і конструкцій, що унеможливлюють появу їх втомних поломок у процесі експлуатації. Першим дослідж., де розглядається В. м., вважають роботу В. Альберта, опубліковану 1838. Термін «втома» очевидно належить Ф. Брейтвейту (1854). У 1858– 70 нім. інж. А. Велер розпочав системат. дослідження В. м., присвячені переважно вивченню втоми вісей залізнич. транспорту. Зокрема він вивчив умови експлуатації цих деталей, створив обладнання, яке дозволяло відтворювати в лаборатор. умовах експлуатац. режим їх роботи і побудував криві втоми досліджених матеріалів (криві Велера). У 80-х рр. 19 ст. Д. Баушінґер встановив зміну межі пружності матеріалів при повторно-змінному навантаженні і довів відмінність процесів деформування при статич. і цикліч. навантаженнях, а також виявив петлі гістерезису в координатах напруження–деформація. 1903 Д. Юінґ і Д. Гемфрі виявили наявність на поверхні зразків, що зазнавали дії змінних напружень, т. зв. смуг ковзання і встановили, що вони є передумовою тріщин втоми в металах. Подальші дослідження довели, що виникнення смуг зсуву при напруженнях, значно нижчих, ніж межа плинності, пов’язане із структур. неоднорідністю металів, яка призводить до знач. деформацій окремих локал. об’ємів матеріалу, а також що при цикліч. навантаженні відбувається локалізація процесу пластич. деформування, на поверхні зразка часто спостерігається виникнення виступаючих (екструзія) і вдавлених (інтрузія) ділянок матеріалу. На субмікроструктур. рівні механізми, що призводять до виникнення втомних тріщин, розглядають з використанням уявлень теорії дислокацій. На поч. 20 ст. опубліковано перші в Рос. імперії дослідження з В. м., авторами яких були укр. науковці М. Воропаєв, К. Симінський. У 1-й пол. 20 ст. вивчено феноменолог. закономірності нагромадження втомного пошкодження в матеріалах і сформульовано гіпотези підсумовування пошкоджень, які дозволяють прогнозувати довговічність при змінних амплітудах, обґрунтовано методи підвищення опору втомному зруйнуванню за рахунок ініціювання у поверхневих шарах залишкових напружень стиснення, розпочато дослідж. кінетики розвитку втомних тріщин та роботи зі створення методів оцінки межового стану тіл з тріщинами тощо. Інтенсив. розвитку дослідж. В. м. набули 1945–60 у зв’язку з втомними поломками авіац. конструкцій, насамперед які мали катастроф. наслідки (катастрофи перших англ. реактив. цивіл. літаків «Комета» 1954). Тоді ж було детально досліджено закономірності розсіяння даних експерим. визначення межі витривалості і кількості циклів до зруйнування матеріалів і створ. методи їх урахування при проектуванні машин і конструкцій, сформульовано осн. уявлення про зруйнування при малоцикл. навантаженні, розвинуто нові підходи щодо оцінки довговічності матеріалів і конструкцій, коли за основу руйнування брали не напруження, а деформацію, зокрема її пластичну складову. 1962 П. Періс запропонував рівняння, яке пов’язує швидкість розвитку втомної тріщини з величиною коефіцієнта інтенсивності напружень. На основі цих та ін. критеріїв механіки руйнування виконано знач. обсяг дослідж., у результаті чого встановлено осн. закономірності розвитку втомних тріщин з урахуванням всього комплексу факторів, які присутні в умовах експлуатації.

В Україні найсуттєвіші результати в дослідженні В. м. і конструкцій досягнуто у Нац. тех. університеті України «Київ. політех. інститут», інститутах НАНУ (механіки, електрозварювання, фізико-механічному, проблем міцності) та ін. наук. центрах. Одні з перших дослідж. В. м. виконав 1914 у Київ. політех. інституті М. Воропаєв, який досліджував втому чавунів. Нині тут розвинуто дослідж. малоцикл. втоми і цикліч. пластичності матеріалів в умовах високих т-р і складного напруженого стану (Г. Писаренко, М. Можаровський, М. Бобир). В Інституті механіки (Київ) дослідж. В. м. започаткував 1924 К. Симінський, який досліджував втому металу мостів і буд. матеріалів. Вчені цього інституту розробили методи оцінки втомного пошкодження металів і створили методи розрахунку на міцність з урахуванням багатоосьового напруженого стану та ймовір. характеру навантаження (С. Серенсен та ін.), дослідили структурні особливості втомного пошкодження металів і побудували статист. теорію втомного руйнування (М. Афанасьєв та ін.), вивчили втому при контакт. взаємодії (Б. Грозін, Д. Драйгор), взаємозв’язок В. м. і цикліч. повзучості сплавів при високих т-рах (В. Голуб та ін.) та динаміку машин для випробування на В. м. і конструкцій (М. Гарф та ін.). В Інституті електрозварювання (Київ) системат. дослідження В. м. і зварних з’єднань розпочато в 30-х рр. 20 ст. (Є. Патон, Б. Горбунов). В останні роки осн. увагу приділено вивченню впливу на втому форми зварних з’єднань і швів, що призводить до концентрації напружень, впливу терміч. дії процесу зварювання на властивості осн. металу, наявності різних зон терміч. впливу, які зумовлюють неоднорідності, технол. дефекти і залишкові напруження, впливу знач. пластич. деформацій і двочастотності навантаження, характерного для експлуатації багатьох зварних конструкцій (В. Труфяков, В. Дворецький, П. Міхеєв). У Фіз.-мех. інституті (Львів) вивчено вплив поверхневоактив. середовищ на опір втомі і обґрунтовано критерії корозій. і адсорбцій. втоми металів (Г. Карпенко, В. Похмурський, М. Чаєвський), запропоновано і обґрунтовано заг. критерії, зокрема деформаційні, зруйнування твердих тіл з тріщинами при статич. та цикліч. навантаженні (М. Леонов, В. Панасюк, О. Андрейків), досліджено мікроструктурні ознаки втомного руйнування металів, фрактографію втомних зломів, залежність характеристик тріщиностійкості від окрихчуючих факторів і корозій. дії (О. Романів, Г. Никифорчин), розроблено методи дослідж. швидкості розповсюдження втомних тріщин, вивчено закономірності їх розвитку з урахуванням впливу експлуатац. факторів і обґрунтовано моделі їх опису (В. Панасюк та ін.). В Інституті проблем міцності (Київ) обґрунтовано деформац. критерії втомного руйнування металів при багатоцикл. навантаженні (В. Трощенко та ін.), досліджено закономірності розвитку втомних тріщин, фрактографію втомних зломів і визначено умови переходу від втомного до крихкого руйнування (В. Трощенко, А. Красовський, В. Покровський), вивчено розсіяння енергії в конструкц. матеріалах при коливаннях (Г. Писаренко, В. Матвєєв, А. Яковлєв), міцність металів в умовах малоцикл. навантаження, запропоновано критерій переходу від цикліч. повзучості до малоцикл. втоми (В. Стрижало та ін.), досліджено термічну втому жароміц. сплавів і конструкц. елементів з урахуванням градієнтів т-р і напружень, об’ємності напруженого стану впливу середовищ та ін. факторів (Г. Третьяченко, Л. Кравчук). Серед ін. відомих укр. вчених з вивчення В. м. — А. Вєтров, М. Голего, О. Пеньков, М. Олійник, Є. Переверзєв. Проблеми В. м. в Україні висвітлюють міжнар. журнали «Проблемы прочности», «Физико-химическая механика материалов», «Прикладная механика», «Автоматическая сварка». Фахівців з цієї галузі готують у політех. інститутах та тех. університетах України. В останні роки створ. досконалі сервогідравлічні випробувал. машини, що дозволяють з використанням комп’ютерів відтворювати досить складні режими навантаження (зокрема стохастичні) і проводити випробування при багатоосьовому навантаженні; впроваджено електронні і акуст. мікроскопи з високою розрізнювал. здатністю; розроблено програми розрахунку напружено-деформованого стану тіл тощо. Це сприяє створенню довговіч. і високонадій. конструкцій, чого неможливо досягнути без забезпечення високих характеристик їх опору втомі. Нині пріоритет. напрямами вивчення В. м. є дослідж. розвитку малих тріщин, метою яких є побудова повної теорії втоми (опис стадій зародження тріщин, їх розвитку і до остаточ. зруйнування), процесів руйнування матеріалів при комплекс. дії в умовах експлуатації таких пошкоджувальних факторів, як змінні мех. навантаження і фретинг-корозія, високочастотне мех. навантаження і низькочастотні термічні напруження тощо.

Завантажити статтю