Поняття про механізм явища втоми

Всі метали, застосовувані в техниці, є полікристалічними речовинами, що складаються з окремих зерен і не представляють того однорідного моноліту, яким вважають матеріал відповідно до основних гіпотез опору матеріалів. Зерна технічних металів являють собою сукупність кристалів, що мають неправильне огранювання, які звичайно називають кристалитами. Полікристаличність матеріалу й неминуча його неоднорідність приводять до того, що під дією тих або інших навантажень в окремих зернах виникають перенапруження й створюються можливості появи мікротріщин. При цьому у випадку напружень, викликаних статичними навантаженнями, подібні мікротріщини не небезпечні. Якщо ж напруження змінні в часі, то має місце тенденція до розвитку мікротріщин, що приводить в остаточному підсумку до усталостного зламу деталі.

Крім зазначеної гіпотези, існує й трохи інший підхід до пояснення фізичної природи явища втоми. Зокрема, виникнення втомленосних тріщин можна пояснити вичерпанням здатності кристалічних зерен пручатися зрушенню.

Зерна більшості металів складаються з ряду елементарних кубиків з розмірами сторін — . Кубики, у свою чергу, складаються із системи взаємодіючих між собою атомів, розташованих у строго певному для даного матеріалу порядку, образуя так звані просторові атомні ґрати. Форма й розміри елементів останньої залежать від сил взаємодії атомів і визначають характерні властивості даної речовини.

Деформація матеріалу звичайно пов'язана з перекручуванням кристалічних ґрат і зміною міжатомних відстаней. При цьому у випадку невеликих напружень взаємодія між атомами, не порушується, і при наступних розвантаженнях зазначені перекручування ґрат зникають. Якщо ж напруження більші, то в кристалічних зернах пластичних матеріалів по деяких площинах, які називаються площинами ковзання, або площинами слабини, кристаллита відбуваються необоротні зрушення. Зрушені відносно один одного групи атомів уже не утворять єдиних атомних ґрат. Получившееся при цьому нове утворення виявляється більш міцним у результаті посилення площин ковзання усередині окремих зерен. Тепер для його руйнування потрібне більше зусилля.

Однак зміцнення при зрушеннях супроводжує роззміцнення (розпушення). Тому процес зрушення обов'язково супроводжується появою зон, де атомні зв'язки порушуються, а нові не створюються. Проявляється це в тому, що утворюються дрібні мікротріщини, кожна з яких у певних умовах (наприклад, при сусідстві декількох зерен, ослаблених тріщиною) може з'явитися вогнищем розвитку втомленостної тріщини, що приводить в остаточному підсумку до руйнування від утоми.

Таким чином, зі сказаного видно, що механізм утворення тріщин при повторно-змінних навантаженнях досить складний і не може вважатися повністю вивченим.

З безсумнівних положень теорії втоми можна відзначити наступні:

1) процеси, що проходять при повторно-змінних навантаженнях у металі, носять різко виражений місцевий характер;

2) із двох видів напружень - нормальних і дотичних - вирішальний вплив на процеси утоми до утворення першої тріщини включно мають дотичні напруження, що викликають пластичні зсуви й руйнування шляхом зрізу.

Розвиток втомленостної тріщини, безсумнівно, може прискорюватися при наявності напружень, що розтягують, як у пластичних, так і, особливо, у малопластичних і крихких матеріалів типу чавуну, у яких поява тріщини відриву значно підвищує чутливість до напружень, що розтягують.

Утворення тріщин найчастіше спостерігається в зернах, що лежать ближче до поверхні деталі. Пояснюється це тим, що поверхневі шари матеріалу певною мірою мають сліди ушкоджень різними технологічними операціями при обробці деталі (внутрішні напруження, сліди механічної обробки), не говорячи вже про ті випадки, коли зовнішні шари при повторно-змінних навантаженнях випробовують найбільші напруження (при згинанні й крутінні).

1. Втомлене руйнування. Крива витривалості. Границя витривалості.