Усталость (выносливость) в сопротивлении материалов

— процесс постепенного возникновения и развития трещин в материале при многократном воздействии нагрузки. Усталостное разрушение материала может явиться причиной аварии, т. к. обычно оно происходит внезапно при многократном циклическом изменении нагрузки. Под циклом понимается изменение нагрузки от миним. до максим.

Для усталостного разрушения характерно то,что оно может наступать при напряжениях, значит, меньших предела прочности и даже предела текучести. При циклич.напряжениях определенной величины материал может работать неограниченно большое время. Наибольшая величина меняющегося напряжения, к-рому материал может противостоять не разрушаясь, при неограниченно большом числе циклов, называется пределом выносливости. Зависимость времени службы детали от величины действующего напряжения обычно устанавливается по данным испытаний спец. изготовленных образцов в определенных условиях на испытательных машинах.

Исследование усталости конструкций, а также образцов из хрупких материалов (напр., бетона) обычно проводят на спец. оборудовании (пульсаторы, вибраторы и др.). Для нек-рых материалов и условий испытаний кривая усталости не может быть получена с горизонтальным участком. В этом случае говорят о пределе выносливости при определенном количестве циклов

Т. к. такие испытания не всегда достаточно точно характеризуют возможное поведение детали в работе, иногда производят натурные испытания (напр., испытания самолетов, железобетонных балок). Симметричный цикл является наиболее опасным, а всякий несимметричный цикл всегда можно представить как симметричный, к к-рому прибавлена постоянная нагрузка, поэтому нагружение при испытаниях (особенно в машиностроении) чаще всего стараются производить по симметричному циклу. Предел выносливости в этом случае получается минимальным.

Разрушение от усталости обусловливается тем, что в материале возникают условия, способствующие образованию микротрещин. При переменном нагружении эти трещины интенсивно развиваются, их края сближаются, надавливая друг на друга, и расходятся. При сближении происходит взаимное сошлифовыванне стенок трещины, а при смене знака напряжения трещина развивается вглубь, уменьшая поперечное сечение элемента, и происходит разрушение. Излом обычно имеет две характерные зоны: зону постепенного развития трещины, к-рая сглажена взаимным надавливанием стенок, и шероховатую часть сечения, к-рая разрушилась вследствие резкого уменьшения размеров сечения.

Одной из задач испытаний на У. является установление зависимостей между пределом выносливости в определенных условиях и прочностными характеристиками материала. Исследования показывают, что в испытаниях на У. металлы, бетон и дерево ведут себя примерно одинаково.

Значительно снижают величину предела выносливости концентраторы напряжений, что учитывается в расчете соответствующими коэфф. Концентраторами напряжений могут являться резкие изменения сечений детали, металлургические пороки, грубая механическая обработка и т. д. Существенно снижает величину предела выносливости сталей нагружение в коррозионной среде. Напр., при iV = 107 значение предела выносливости снижается с 47 кг [мм2, в случае работы на воздухе, до 14 кг!мм2— в чистой воде и до 8 кг!мм2 — в соленой воде. При этом периодическое смачивание водой больше способствует возникновению и развитию трещин, чем постоянное нахождение в воде. Наклеп повышает предел выносливости. Изменение темп-ры в пределах от —40° до + 200° заметно не влияет на усталостную прочность, но наличие концентраторов напряжений уже при незначит, понижении темп-ры может вызвать разрушение. Увеличение размеров детали снижает предел выносливости. Периодическое снятие или уменьшение нагрузки способствует долговечности детали, а увеличение числа циклов в единицу времени (частоты) уменьшает предел выносливости.

Повышение выносливости достигается гл. обр. устранением причин усталости, способствующих возникновению трещин, путем улучшения качества материалов и обработки, рационального проектирования узлов с тем, чтобы по возможности избежать появления концентраторов напряжений. Если имеется вероятность усталостного разрушения, необходимо принять меры по контролю и своевременной замене опасно нагруженной детали.