Втомність металу

Якщо метал піддавати дії багатократно повторного навантаження, то виникає явище стомленості, яке проявляється у зниженні міцності металу. Здатність металу чинити опір руйнуванню внаслідок стомленості називається витривалістю. Максимальні напруження, що виникають в стані стомленості, обмежуються вібраційною міцністю .

Вібраційна міцність залежить від кількості циклів навантажень та їх характеру.

Циклом називається зміна напружень в часі від -s_max до +s_max. Розрізняють (рис.2.10): 1) повний симетричний цикл (при зміні напружень від -s_max до +s_max); 2) повний асиметричний цикл (при зміні напружень від 0 до +s_max).

Рис.2.10. Графіки зміни напружень в часі при цикловому навантаженні

 

Залежно від того, в яких межах знаходяться напруження при циклічних навантаженнях, розрізняють два випадки:

Випадок 1 - .

Руйнування конструкції відбувається при малому числі циклів навантажень (в межах від одиниць до сотень) внаслідок нарощування залишкових деформацій , які призводять до крихкого руйнування конструкції. Таке руйнування називається малоцикловою стомленістю. Приклад – руйнування дроту, якщо його гнути декілька разів в різні сторони.

Випадок 2 – .

Це основний випадок для МК. Прикладом конструкції, що працює при симетричному циклі, є вісь колісної пари вагону (рис. 2.11).

Рис.2.11. Приклад повного симетричного циклу

 

При обертанні осі вагону точка “С” послідовно займає положення 1-2-3-4 і напруження в ній змінюються від +s до -s.

Прикладом конструкції з асиметричним циклом є поперечна балка моста. При наїзді на неї колісної пари напруження в її перерізі досягають максимуму, а при відсутності навантаження – падають до нуля (але знаку не змінюють).

Чим більше циклів навантажень, тим нижчою стає вібраційна міцність металу. Зі збільшенням циклів навантажень вібраційна міцність сталі знижується до певної величини, яка називається межею витривалості s_вт (це найменше значення s_вб).

Рис.2.12. Графік залежності s_вб від кількості циклів

 

Прийнято, що межі витривалості сталі відповідає приблизно 2 млн. циклів прикладання навантажень. Подальше збільшення циклів навантаження майже не позначається на межі витривалості.

На відміну від сталей, у алюмінієвих сплавів спостерігається неперервне зниження вібраційної міцності зі збільшенням числа циклів (див. графік, рис.2.12).

Стомлене руйнування відбувається раптово. При цьому воно починається з утворення невидимої мікротріщини, яка поступово розростається і відіграє роль різкого концентратора напружень. В місці тріщини поступово зменшується переріз, а коли він стає недостатнім для сприйняття навантаження – відбувається крихке руйнування.

Явище стомленості проявляється в конструкціях, які піддаються динамічним навантаженням (мости, естакади, підкранові балки та ін.), і повинно враховуватися при розрахунках.