УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ, изменение механич. и физич. свойств материала под длит. действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механич. свойствах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от исходных свойств, вида напряжённого состояния, истории на-гружения и влияния среды. На определённой стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зёрна по-ликристаллич. металла, волокна и матрица композитов, молекулярные цепи полимеров) образуются микротрещины, к-рые на дальнейших стадиях перерастают в макротрещины либо приводят к окончат. разрушению элемента конструкции или образца для механич. испытаний.

Количественно усталостный процесс описывается зависимостью между накопленным повреждением и числом циклов или длительностью нагружения по параметру величины циклич. напряжений или деформаций. Соответствующая зависимость между числом циклов и стадией повреждения (в т. ч. возникновением трещины или окончат. повреждением ) наз. кривой усталости. Эта кривая - осн. характеристика У. м. Накопление циклич. повреждения отражает деформирование материала как макро- и микронеоднородной среды (для металлов - поликристаллич. конгломерат, для полимеров - конгломерат молекулярных цепей, для композитов - регулярное строение из матрицы и волокон). Этот процесс в поле однородного напряжённого состояния (напр., простого растяжения-сжатия) описывается механич. моделью, звенья к-рой воспроизводят неоднородную напряжённость структурных составляющих материала; неоднородность характеризуется вероятностными распределениями величин микродеформаций и микронапряжений (включая остаточные). Циклич. нагружение таких неоднородных структур порождает в наиболее напряжённых структурных звеньях необратимые деформации (упру-гопластические, вязкоупругие), накапливающиеся с нарастанием числа циклов и длительности пребывания под циклич. нагрузкой. Их увеличение до критич. значений, свойственных материалу и среде, в к-рой он находится, приводит к зарождению макротрещины как предельного состояния на первой стадии усталостного разрушения. Кинетика изменения состояния материала на этой стадии проявляется субмикроскопически в изменении плотности дислокаций и концентрации вакансий; микроскопически - в образовании линий скольжения, экструзий и интрузий на свободной поверхности остаточных микронапряжений; механически - в изменении твёрдости, параметров петли упруго-пластического гистерезиса, циклич. модуля упругости, а также макрофизич. свойств (электрич., магнитного и аку-стич. сопротивления, плотности). На второй стадии усталостного разрушения накопление повреждения оценивается скоростью прорастания макротрещины и уменьшением сопротивления материала статич. (квазихрупкому или хрупкому) разрушению, определяемому изменением статич. прочности, в т. ч. характеристиками вязкости разрушения как критич. значениями интенсивностей напряжений у края усталостной трещины.

Кривые усталости в области многоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов более 10^s), за к-рые "ответственны" повторные упругие деформации, наносятся в амплитудах (или макс. напряжениях) цикла в логарифмических (Igс, IgN) или полулогарифмических (с, IgN) координатах (рис. 1). В зависимости от особенностей материала, гомо-логич. темп-р и физ.-химич. активности среды кривые усталости могут иметь либо асимптотич. характер (кривая 1), либо непрерывно снижающийся с выпуклостью, обращённой к началу координат (кривая 2). Величину амплитуд напряжений с_-1, являющихся асимпто

тами кривых усталости 1-го типа, наз. пределом выносливости материала, а величину амплитуд напряжений (с_-1)_Np для к-рых разрушение достигается при числе циклов N_P по кривым 2-го типа,- ограниченным (по числу циклов) пределом выносливости. Материалам более стабильных структур и для более низких темп-р свойственны кривые типа 1; материалам менее стабильных структур, для более высоких темп-р и активных сред - кривые типа 2.

Кривые усталости в области малоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов в 10⁴ и менее), за к-рые "ответственны" повторные пластич. деформации, наносятся в амплитудах этих деформаций в логарифмич. координатах lg e_ap и lg N (рис. 2).

Лит.: Конструкционные материалы, т. 3, М., 1965, с. 382-90; Форрест П., Усталость металлов, пер. с англ., М., 1968; Серенсен С. В., Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению, М., 1975. , С. В. Сервисен.