Усталость (материал)
В материаловедении под усталостью понимается зарождение и распространение трещин в материале из-за циклической нагрузки. После образования усталостной трещины она немного увеличивается с каждым циклом нагружения, обычно образуя бороздки на некоторых участках поверхности излома. Трещина будет продолжать расти до тех пор, пока не достигнет критического размера, что происходит, когда коэффициент интенсивности напряжения трещины превышает вязкость разрушения материала, что приводит к быстрому распространению и обычно полному разрушению конструкции.
Усталость традиционно ассоциировалась с выходом из строя металлических компонентов, что привело к термину « усталость металла» . В девятнадцатом веке считалось, что внезапный выход из строя металлических железнодорожных осей вызван кристаллизацией металла из-за хрупкости поверхности излома, но с тех пор это было опровергнуто. [1] Похоже, что большинство материалов, таких как композиты, пластики и керамика, в той или иной степени разрушаются из-за усталости. [2]
Чтобы помочь в прогнозировании усталостной долговечности компонента, испытания на усталость проводятся с использованием образцов для измерения скорости роста трещины путем применения циклического нагружения с постоянной амплитудой и усреднения измеренного роста трещины за тысячи циклов. Однако существует также ряд особых случаев, которые необходимо учитывать, когда скорость роста трещины значительно отличается от скорости, полученной при испытании с постоянной амплитудой. Например, снижение скорости роста, возникающее при малых нагрузках вблизи порога или после приложения перегрузки ; и повышенная скорость роста трещин, связанная с короткими трещинами или после приложения недогрузки . [2]
Если нагрузки превышают определенный порог, микроскопические трещины начнут возникать при концентрациях напряжений , таких как отверстия, стойкие полосы скольжения (PSB), композитные границы раздела или границы зерен в металлах. [3] Значения напряжения , которые вызывают усталостное повреждение, обычно намного меньше, чем предел текучести материала.
Исторически усталость была разделена на области многоцикловой усталости , для которой требуется более 10 4 циклов до разрушения, где напряжение низкое и преимущественно упругое , и малоцикловая усталость , где имеется значительная пластичность. Эксперименты показали, что малоцикловая усталость также является ростом трещин. [4]
Усталостные разрушения, как для высоких, так и для малых циклов, проходят одни и те же основные этапы: зарождение трещины, стадии роста трещины I и II и, наконец, окончательное разрушение. Чтобы начать процесс, в материале должны зародиться трещины. Этот процесс может происходить либо в местах концентраций напряжений в металлических образцах, либо в областях с высокой плотностью пустот в полимерных образцах. Эти трещины сначала медленно распространяются на стадии I роста вдоль кристаллографических плоскостей, где касательные напряжения максимальны. Как только трещины достигают критического размера, они быстро распространяются во время роста трещины стадии II в направлении, перпендикулярном приложенной силе. Эти трещины могут в конечном итоге привести к полному выходу материала из строя, часто с катастрофической хрупкостью.
.jpg/440px-New_Guide_Available_for_Fractography_of_Ceramics_and_Glasses_(5941062316).jpg)
.jpg){kind=link}
