Очень часто причиной выхода из строя различной техники является усталость металла. Причем произойти это может не только после длительной эксплуатации, но и в самом начале работы оборудования или автомобиля. Причиной тому являются периодические динамические нагрузки, которые испытывает отдельный узел или деталь не только во время выполнения своей основной функции, но и в процессе изготовления. В результате материал начинает разрушаться, даже если величина напряжения не достигла значения предела прочности.
По сути, усталость – это изменение основных свойств металла (механических и физических) под воздействием циклических напряжений и деформаций. Это влечет структурные изменения в материале, протекающие на макро- и микроуровне, которые во многом определяются исходными свойствами и условием изготовления детали.
Для характеристики склонности металла к данному виду разрушения применяется такой термин, как предел выносливости. Этот параметр численно равен значению максимального напряжения, которому может сопротивляться материал в течение 10 000 000 и более циклов, то есть в течение установленного времени нагружения.
Усталость металла не проявляется сиюминутно, и в этом заключается ее основная опасность. Требуется некоторое время, чтобы в материале произошли необходимые изменения, которые, скорее всего, внешне никак не будут проявляться. Их характер во многом определяют исходные свойства металла, напряженное состояние, особенность нагружения и влияние внешней среды. До определенного момента все протекающие явления являются обратимыми. Однако с течением времени сопротивляемость разрушению постепенно начинает снижаться, и появляются так называемые усталостные повреждения.
На самой первой стадии усталость металла начинает проявляться на структурном уровне, когда по границам зерен и других составляющих начинают появляться микротрещины, которые при последующем нагружении конструкции превращаются в макротрещины. Это в свою очередь становится основной причиной окончательного разрушения элемента конструкции в процессе работы или образца во время проведения механических испытаний.
Наиболее наглядно усталость металлов характеризует одноименная кривая, которая отражает соответствующую зависимость между числом испытанных образцом циклов нагружения и стадиями повреждения, начиная от момента возникновения трещины и заканчивая окончательным разрушением объекта исследования. Учитывая, что усталостные явления первоначально проявляются в местах структурных несовершенств, распределение которых носит вероятностный характер, то и характеристики усталости подчиняются таким же закономерностям. Испытания проводятся чаще всего на вращающемся образце, к которому прикладывается постоянная изгибающая нагрузка.
Усталость металла во многом определяют условия эксплуатации той или иной конструкции. Наличие активной среды и достаточно высокой температуры может значительно ускорить протекающие в материале негативные процессы. Сопротивляемость материала существенно снижается при наличии различных структурных неоднородностей, присутствия неметаллических включений, неравномерного распределения легирующих элементов, а также при недостаточной чистоте поверхности. Чтобы этого не допустить, можно прибегнуть к различной поверхностной обработке, которая способна создать в верхнем слое материала остаточные напряжения сжатия. Чаще всего с этой целью выполняется диффузионное насыщение, производится наклёп или поверхностная закалка различными способами, например, путем лазерного упрочнения.
