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 звʼязку з необхідністю виключе­н­ня їх втомних поломок. Як свідчить практика, 50–80 % поломок машин і кон­струкцій повʼязані 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, повʼязане із структур. неоднорідністю металів, яка призводить до знач. деформацій окремих локал. обʼємів 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 звʼязку 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 повʼязує 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), взаємозвʼязок 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 зʼ­єд­нань роз­почато в 30-х рр. 20 ст. (Є. Патон, Б. Горбунов). В остан­ні роки осн. увагу приділено ви­вчен­ню впливу на втому форми зварних зʼ­єд­нань 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, обʼємності 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 компʼютерів 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