Усталость металла: как обнаружить, бороться и предотвратить

Уста́лость материа́ла — в материаловедении — процесс постепенного накопления повреждений в детали под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала детали за указанное время[1][источник не указан 77 дней].

Параметр, обратный к усталости материала называется выносливостью (свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения в указанное время либо за указанное число циклов нагружения)[источник не указан 77 дней].

Кроме того, это понятие близко связано с прочностью, существует также понятие усталостной прочности[источник не указан 77 дней].

Выносливость можно численно измерить, существуют методики её измерения[источник не указан 77 дней].

Выносливость, так же, как и прочность, для многих материалов сильно зависит от температуры, это явление получило название хладноломкость[источник не указан 77 дней].

Что такое металлическая деформация и усталость металла? 2020

Все металлы деформируются (растягиваются или сжимаются), когда они напряжены, в большей или меньшей степени. Эта деформация является видимым признаком деформации металла.

В металлургии деформация может быть определена как деформация металла из-за напряжения. Другими словами, это показатель того, насколько металл был растянут или сжат по сравнению с его первоначальной длиной. Если есть увеличение длины куска металла из-за напряжения, это называется растягивающей деформацией.

Но если есть сокращение длины, это сжимающая деформация.

Металлический штамм в ковких (изгибаемых) материалах

Некоторые металлы (например, нержавеющая сталь и многие другие сплавы) вызывают стресс. Это позволяет им изгибаться или деформироваться, не разбиваясь. Другие металлы, такие как чугун, перелом и быстро разрушаются при стрессе. Однако даже нержавеющая сталь, наконец, ослабляется и ломается при достаточном напряжении.

Металлы, такие как изгиб из низкоуглеродистой стали, а не разрушение под напряжением. Однако при определенном уровне стресса они достигают хорошо понятой «точки урожая». Одна из них достигает предела текучести, металл становится «напряженным».

Это означает, что для деформирования металла требуется большее напряжение. Металл становится менее пластичным или гибким. В некотором смысле это делает металл труднее. Но в то время как деформационное упрочнение затрудняет деформацию металла, это также делает металл более хрупким.

Хрупкий металл может сломаться или провалиться довольно легко.

Металлический штамм в хрупких материалах

Некоторые металлы являются ломкими, что означает, что они особенно подвержены разрушению. Хрупкие металлы включают среднечистые и высокоуглеродистые стали. В отличие от ковких материалов эти металлы не имеют четко определенного предела текучести. Вместо этого, когда они достигают определенного уровня стресса, они ломаются.

Хрупкие металлы очень похожи на другие хрупкие материалы, такие как стекло, камень и бетон. Как и эти материалы, они сильны определенными способами, но поскольку они не могут согнуть или растянуться, они не подходят для определенных целей.

Измерительный металлический штамм

Наиболее распространенным мерилом деформации в металлах называется инженерное напряжение. Инженерное напряжение может быть рассчитано как изменение длины, деленное на исходную длину. Например, 2-дюймовый титановый стержень, растянутый до 2,2 дюйма, как говорят, испытывал растягивающее напряжение 0,1 или 10 процентов.

Металлическая усталость, возникающая из металлического штамма

Когда вязкие металлы напряжены, они деформируются. Если напряжение удаляется до достижения предела текучести металла, металл возвращается к прежней форме. В то время как металл, похоже, вернулся в свое первоначальное состояние, однако на молекулярном уровне на самом деле появились крошечные недостатки.

Каждый раз, когда металл деформируется, а затем возвращается к своей первоначальной форме, происходят большие молекулярные разломы.После многих деформаций существует так много молекулярных разломов, что металл трещит. Когда это происходит, оно описывается как «усталость металла». Усталость металла необратима.

Металлическая усталость особенно проблематична в ситуациях, когда металл напрягается снова и снова.

Например, это было основной причиной отказа самолета, прежде чем он был полностью понят. Чтобы избежать усталости металла, важно регулярно проверять образцы металла под напряжением с помощью микроскопа.

Источник: https://ru.routestofinance.com/what-are-metal-strain-and-metal-fatigue

Статьи –

КАК РАССКАЗЫВАЕТ руководитель кузовной станции компании “Major Auto” Павел Соломкин, небольшая усталость металла обычно проявляет себя поскрипыванием деталей салона или протекающими уплотнителями дверей. Такие симптомы неприятны, но еще не критичны.

А вот более заметное снижение жесткости кузова может привести к ухудшению управляемости и устойчивости автомобиля. В частности, иногда не удается отрегулировать “сходразвал” – постаревший металл просто перестает держать нагрузку.

Поэтому через некоторое время после настройки углы установки колес выходят за дозволенные рамки.

В самых “запущенных” случаях на кузове от чрезмерных нагрузок образуются трещины (частенько этот дефект проявляется в районе опор стоек передней подвески). Если вовремя их не обнаружить, то со временем владелец автомобиля рискует попасть в аварию. Например, когда на очередной ямке уставший металл кронштейна какого-нибудь рычага подвески не выдержит и сломается. Ведь машина в этом случае станет неуправляемой.

Вдобавок ослабленный кузов не способен эффективно поглотить энергию удара, и при аварии защита пассажиров может оказаться недостаточной. А помимо всего прочего автомобиль с “уставшим” кузовом трудно обслуживать. Например, по словам сервисменов, бывало, что при подъеме машины на подъемнике у нее лопались боковые стекла и трескалось ветровое. Настолько кузов терял былую жесткость. С дряхлой машиной это может случиться и на дороге, скажем, при проезде “лежачих полицейских”.

Почему кузов слабеет?

ЭТО ПРОИСХОДИТ по многим причинам. Самая распространенная – повышенная нагрузка на автомобиль. Например, при буксировке прицепа. Им пользуются не только заядлые дачники, но и любители активного отдыха. Они таскают машиной платформы с мотовездеходами, мотоциклами, аквабайками, катерами и яхтами. Поэтому вероятность встретить на вторичном рынке бывший буксировщик достаточно велика.

У таких машин на кузов постоянно передаются толчки и удары от сцепного устройства, поскольку даже опытному водителю не всегда удается плавно тронуться с места и затормозить с тяжелым грузом позади. Причем фаркоп обычно крепят к силовым элементам кузова. Поэтому они и страдают в первую очередь.

Использование, казалось бы, безобидных дополнительных багажников тоже не идет машине на пользу. Не важно, какого они типа – с креплением на крыше или на задней двери универсала. В любом случае нетипичная нагрузка постепенно расшатывает кузов. Вредят автомобилю и поездки с открытой дверью багажника.

Ведь многие владельцы универсалов, хэтчбеков и минивэнов используют их для перевозки небольших грузов, среди которых нередко попадаются длинномеры, которые не помещаются в салон. Вот и приходится выставлять “хвост” поклажи в едва прикрытую дверь.

Если ездить так часто, это значительно уменьшает жесткость кузова.

Иногда подобное происходит из-за сложенного заднего дивана, который на некоторых автомобилях играет роль силовой распорки кузова. Если ее убрать, да к тому же загрузить багажник сверх меры, то корма машины подвергнется нешуточным деформациям.

Не в лучшей форме находятся кузова автомобилей, некогда побывавших в серьезных авариях. Поскольку после правки и вытягивания металл теряет первоначальные свойства.

Бытует заблуждение, что кузова внедорожников прочнее, чем у обычных легковых машин. Это не совсем так. Ведь даже у настоящих вездеходов вроде “Land Rover Defender” или “Jeep Wrangler” иногда встречаются признаки усталости. Такие машины изначально предназначены для эксплуатации в тяжелых условиях, и в основе их силовой структуры лежит прочная рама. Но при частых выездах на серьезное бездорожье она заметно деформируется, а из-за этого в той или иной степени страдает и кузов.

Даже если вы покупаете машину у образцового владельца, который ее берег, холил и лелеял, риск получить “уставший” экземпляр все равно есть. Дело в том, что российские скверные дороги сродни испытательному вибростенду, и даже при аккуратной эксплуатации через 5-7 лет на многих автомобилях появляются первые признаки старения металла.

А на спортивных моделях они могу т проявиться еще раньше. Ведь жесткая подвеска таких автомобилей передает большую часть толчков и ударов на кузов.

Проверка

ПЕРЕД покупкой подробно расспросите продавца, в каком режиме эксплуатировался автомобиль. Конечно, не каждый владелец расскажет все подробности, но кое-что можно узнать по внешнему виду машины. К примеру, сцепное устройство обычно навешивают не красоты ради, а для буксировки прицепа. Характерные следы на крыше скажут о том, что здесь стоял дополнительный багажник. Значит, осматривать такой экземпляр надо с особой тщательностью.

То же самое относится к джипам с большими нестандартными колесами и увеличенным клиренсом. Как правило, это первая ступень подготовки к внедорожным рейдам. Вряд ли владелец подобного вездехода использовал его только для езды по асфальту.

Осмотрите багажник. Потертая, грязная, порванная обивка или, того хуже, строительный мусор на полу – все это, с большой долей вероятности, признаки того, что машину использовали в качестве грузовика.

Попробуйте в действии все двери. Открываться и закрываться они должны с одинаковым звуком и усилием. Обратите внимание на то, чтобы в открытом положении двери не провисали, а крышка багажника не болталась в проеме. Если в крышу машины врезан люк – проверьте и его. В уставшем кузове он иногда подклинивает в направляющих.

В пробной поездке припаркуйтесь у тротуара, наехав на бордюр одним колесом. Бывает, что в этом положении открыть какую-либо дверь без применения специнструмента становится затруднительно. Значит, металл уже серьезно состарился.

Осмотрите шины – неравномерный износ укажет на неправильный “сход-развал”. Возможно, причиной этой неполадки стала чрезмерная усталость кузова.

Наконец, выясните – бывал ли приглянувшийся автомобиль в серьезных авариях, когда страдали силовые элементы кузова. Как уже говорилось выше, даже после качественного ремонта таких повреждений прочность “скелета” автомобиля заметно снижается. Поэтому, если у продавца нет подтверждающих документов о том, что машину восстанавливали в специализированной мастерской, есть резон отказаться от покупки.

Имейте в виду: даже профессионалу порой сложно учесть все эти нюансы. Поэтому, если у вас нет полной уверенности в собственных силах, советуем отправиться с автомобилем на фирменную кузовную станцию, где имеется необходимое для подобной проверки оборудование.

Источник: http://www.MotorPage.ru/infocenter/autoarticles/Stal_tozhe_ustaet.html

Особенности усталости металла

Если большую часть свойств мы можем худо-бедно предсказать, то усталость или выносливость предсказать крайне проблематично. Процесс сопротивления усталости для конкретного образца из конкретного материала определяется каждый раз заново.

Делается серия испытаний и параметры рассчитываются, исходя из результатов.

Данные по подобным испытаниям отмечаются на так называемой кривой Вёллера.

По оси y тут отмечено механическое напряжение, которое разрушает образец. По оси икс – количество циклов нагружения. Обратите внимание, что чем больше циклов отбегала деталька, тем меньшее напряжение (читай как меньшая сила) нужна для её разрушения.

Именно поэтому, в процессе эксплуатации детали нужно помнить про её выносливость и своевременно выполнять замену. Именно поэтому, операция технического обслуживания любого механизма предполагает эту процедуру. Так, те же автозапчасти следует менять в соответствии с обозначенным пробегом или согласно моточасам.

Если же не выполнять такие замены, а ожидать отказа оборудования, то это может стать причиной серьезнейших проблем. Например, известен ряд катастроф, при которых причиной являлась именно усталость детали.

Понятие выносливости

Свойство материалов, противоположное усталости, получило название выносливость. Она характеризует способность материала сопротивляться знакопеременным нагрузкам на протяжении определённого времени. Выносливость (то есть количество циклов, которое способен воспринять материал без разрушения), как было сказано выше, сильно зависит от характера нагружения, температуры и вида материала. Чем он прочнее, тем больше будет и его выносливость. Именно поэтому существует понятие «усталостной прочности» (см. ниже).

Динамическая нагрузка на материал характеризуется амплитудой внешней (результирующей) силы и характером её воздействия. При наиболее жёстком режиме – симметричной нагрузке – количество циклов до разрушения (то есть фактически – выносливость) будет минимальным. Если же снизить амплитуду, или изменить характер воздействия на более «мягкий» (к примеру, симметричную нагрузку на пульсирующую), выносливость того же образца значительно возрастёт. Именно для этого при проектировании изделий внимательно подходят к вопросу размещения точек крепежа (с целью убрать их из зоны интенсивной нагрузки) и уравновешиванию агрегатов.

Вид материала оказывает решающее влияние на выносливость. Чем выше его прочность, тем, соответственно, больше и выносливость. Именно поэтому для производства металлических крепёжных изделий применяют качественную углеродистую сталь (инструментальную, или легированную). А также используют термообработку металла – чаще всего отпуск (поскольку закалка делает тонкие части крепежа слишком хрупкими). Как ни странно, противокоррозионное покрытие также добавляет металлу выносливости: защитный слой цинка или хрома создаёт поверхностное напряжение, сжимая крепёжное изделие, которое чаще всего имеет цилиндрическую форму. Такой «преднатяг» способствует перераспределению внутренних напряжений и повышает прочность металла – эффект аналогичен ковке.

Какие вещи в доме являются источниками усталости

Безусловно, некоторые вещи в доме, значительно облегчают нам жизнь. Но есть и те, которые способствуют ухудшению настроения и возникновению усталости. «Рамблер» выяснил, что не так с предметами, окружающими нас в доме.

Любимый телевизор

В современном мире мы сталкиваемся с нескончаемым потоком информации. Каждый день нам пытаются рассказать какую-либо новость. Но длительный просмотр телешоу, новостных программ, сериалов и скандальных телепередач отнимает много времени. И это далеко не единственная причина, требующая сокращения просмотра телевизора.

Негативное влияние оказывает и неяркое свечение телеэкрана. Тусклый свет в вечерние часы провоцирует возникновение усталости, хандры и даже такого тяжелого заболевания, как депрессия. Что касается электромагнитного излучения, то от его воздействия страдает иммунная и эндокринная система человека.

Ослабевает защита организма от опасных инфекций, вырабатывается меньше гормонов счастья, что ухудшает общее состояние и настроение.

Электроника в спальне

Статистика показывает, около 37% человек перед сном предпочитают пролистать новости в социальных сетях, сыграть в игры на телефоне, уткнуться в электронную книгу.

Но мало кто помнит, что яркий свет, исходящий от гаджетов, приводит к раздражению глаз, нарушению работы ушного нерва и ухудшению кровообращения в мозге. Именно поэтому наш организм не может расслабиться должным образом и время засыпания откладывается.

Утром человек встает хмурым и разбитым, так как его организм совершенно не успевает отдохнуть.

Неубранная квартира

Несмотря на то, что все люди по-разному относятся к беспорядку в квартире, всем без исключения более комфортно находиться в чистой и убранной квартире. Только для одних уборка — скучная и тяжелая обязанность, а для других — способ порадовать себя и своих близких.

«Уборка способна отвлечь от негативных мыслей. Занять вас, если начинаете скучать. Это определенный способ медитации. Подумайте, какие эмоции вы испытываете, когда возвращаетесь поздно вечером с работы, а в вашем доме грязно. Естественно вы будете раздраженным и злым на самого себя», — объясняет Светлана Гордеева, психолог.

Низкая температура в комнате

Ученые Калифорнийского университета доказали, что для благоприятного существования человеку необходима умеренная температура окружающий среды.

Организм затрачивает слишком много энергии на борьбу с холодом, из-за этого возникает душевный дискомфорт и происходит снижение работоспособности. Человек быстро утомляется.

Если температура воздуха в квартире ниже 17 С°, то органы дыхания не в силах устоять перед острыми респираторными заболеваниями. Могут появиться насморк, кашель, головные боли и другие симптомы, которые совсем не вызывают положительных эмоций.

Синтетические ткани

Ткани, изготовленные из натурального материала, больше подходят для полноценного отдыха в ночное время, чем произведенные из синтетики. Искусственные ткани накапливают статическое электричество, которое не слишком благотворно действуют на кожу и волосы.

Вы скорее всего слышали фразу «тело не дышит». Именно из-за таких тканей, наш организм не может правильно определять температуру окружающей среды и «проветриваться». В результате человек мучается от бессонницы.

А недосыпание приводит к тому, что на протяжении всего дня вы чувствуете себя сонным и вялым.

Отсутствие теплых цветов в интерьере

Ремонт в квартире может стать еще одним фактором, влияющим на ваше эмоциональное состояние. Чтобы не впасть в депрессию, лучше остановиться на теплых тонах при выборе дизайна интерьера. Тогда они наполнят комнату сиянием, создадут ощущение близости к природе и успокоят. Советуем воздержаться от использования холодных и серых оттенков. При длительном нахождении в такой «прохладной» обстановке можно ощутить скуку, тоску, слабость и упадок сил.

Источник: https://weekend.rambler.ru/items/43488547-kakie-veschi-v-dome-yavlyayutsya-istochnikami-ustalosti/

Как определить усталость металла?

Несмотря на то, что усталость – это свойство, присущее самой природе металла, подобные катастрофы, вызванные усталостным напряжением, сейчас случаются редко. Дело в том, что законы усталости уже хорошо изучены. Это позволяет вести с ней организованную борьбу в конструктивном, технологическом и металлургическом направлениях. Но для начала поговорим о том, как можно определить, что металл начинает уставать. Для этого существует несколько методов:

• Визуальный контроль. Выявление трещин или других деформаций
• Прослушивание. Поврежденный металл издает специфический стук
• Ультразвуковой контроль и радиологическое исследование (рентген). В этом смысле диагностика металлической конструкции и человеческого тела очень схожи
• Флуоресцентные пигменты. Они делают трещины видимыми.
• Магнитные порошки. Применяются для деталей, изготовленных из железа.

Отдельно оговоримся, что если металл находится в среде, оказывающей вредное разъедающее действие или, иначе говоря, в коррозионной среде, он ведет себя особым образом. Коррозия значительно способствует распространению усталостной трещины, которая при этом может зарождаться при меньших напряжениях, а углубляться ускоренными темпами. Возникает так называемая коррозионная усталость металла. Защиту от нее дают всевозможные поверхностные покрытия – от окраски до гальванизации.

Некоторые известные катастрофы, связанные с усталостным разрушением

• Версальская железнодорожная катастрофа — произошла 8 мая 1842 года. Изначальной причиной послужил излом оси паровоза. Погибло около 55 человек, в том числе и известный исследователь Жюль-Сезар Дюмон-Дюрвиль со своей семьёй. Одна из крупнейших железнодорожных катастроф XIX века. Последующее расследование показало всю важность исследований усталости материалов от постоянных циклических нагрузок[2].
• 1919 — Затопление Бостона патокой[3].
• 1954 — Крушения самолётов De Havilland Comet[4].
• 1972 — Катастрофа Ан-10 под Харьковом[5].
• 1977 — Обрушение пешеходного моста на станции Пушкино[6].
• 1988 — Происшествие с Boeing 737 над Кахулуи[7].
• 1989 — Катастрофа DC-10 в Су-Сити[7].
• 1992 — авиакатастрофа в Амстердаме[8].
• 1998 — Крушение ICE у Эшеде[9].
• 2009 — Авария на Саяно-Шушенской ГЭС[10].
• 2018 — Авария авиалайнера Рейс 1380 Southwest Airlines[11].

Что влияет на усталость или выносливость детали

Мы помним, что трещины растут от поверхности в глубь образца. Именно поэтому, первый фактор, который оказывает влияние на выносливость – это чистота обработки поверхности. Чем она выше, тем выше выносливость. Ведь трещенке просто не за что зацепиться!

Дальше нужно обратить внимание на наличие концентраторов напряжения. При проектировании будущей детали избегать всех острых углов и перепадов. Каждый острый угол – это проблема. Там могу начать расти трещины.

На практике часто используется и химико-термические способы обработки поверхности. Логика здесь примерно такая же, как и с чистотой обработки. Трещенкам не должно быть удобно расти!

Важно выравнивать и структура образца. Ведь если структура не гомогенная, т.е. составлена не равномерными зернышками, то возникают внутренние моменты. Они способны разрушить образец. Это опять -таки, внутренние концентраторы напряжения.

Есть и косвенные методики, которые относятся больше уже к работе конструктора.

Само собой, что нужно использовать материалы, которые менее склонны к формированию усталостных разрушений. Сравните дерево, которое легко ломается по волокнам или любой металл.

Сами же конструкции нужно разрабатывать таким образом, чтобы максимально исключить появление знакопеременных нагрузок, а того хуже – резонанса. Если вы думаете, что деталь не испытывает циклические нагружения, то вы не правы. Любая деталь этому подвержена. Та же рама велосипеда. Ну и соответственно, нужно использовать какие-то демпфирующие муфты или технологические приемы, там где это возможно.

Эта страница в последний раз была отредактирована 9 января 2021 в 10:08.