А – знімання навантаження в області пружних деформацій; б – знімання навантаження в області пластичних деформацій; А0 – область залишкової деформації

Якщо навантаження зупинити в області пружної деформації, то деформація при зніманні навантаження зникає (рис. 2.11, а), якщо в області пластичного деформування – зникає тільки пружна складова і проявляється залишкова (пластична) деформація А 0 деталі (рис. 2.11, б).

Процес деформування металу при досягненні критичних напружень закінчується руйнуванням – в'язким або крихким. В'язке руйнування з'являється від тангенціальних (дотичних) напружень, крихке – при дії нормальних напружень. В'язкому руйнуванню передує значна пластична деформація матеріалу, при крихкому руйнуванні пластична деформація незначна (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Приклад діаграми деформації при крихкому і в'язкому руйнуванні: 1 – деформація при крихкому малопластичному руйнуванні; 2 – деформація при в'язкому пластичному руйнуванні

Є відмінності також у розташуванні площини руйнування – зламу. Для в'язкого руйнування характерним є розташування площини руйнування під кутом до напрямку прикладення навантаження. Злам збігається з напрямом дії тангенціальних напружень. Площина крихкого руйнування часто перпендикулярна напрямку прикладення навантаження. На практиці вид руйнування можна встановити за характером зламу. В'язкий злам має матовий відтінок, крихкий – блискучий.

Здатність матеріалів чинити опір деформації під впливом зовнішніх навантажень визначається механічними властивостями конструкційних матеріалів (межа пружності, текучості, міцності та ін.) і залежить від характеру прикладення зовнішнього навантаження (статичне, динамічне, циклічне тощо) та способу навантаження (розтягування, стискування, згинання, кручення).

При експлуатації сільськогосподарської техніки поява залишкової деформації та руйнування деталей часто є наслідком перевищення розрахункових навантажень, це може трапитись через порушення правил експлуатації або в аварійних, екстремальних ситуаціях. Але з практики відомо, що руйнування металів буває й при навантаженнях, значно менших за критичні. Явище руйнування матеріалів під час експлуатації при напруженнях, значно менших за їх механічні характеристики, називається утомою матеріалів. Під утомою розуміють процес поступового накопичення внутрішніх пошкоджень матеріалу під дією динамічних навантажень, що циклічно змінюються в часі, і в результаті приводять до раптового руйнування деталей.

Багаторазові навантаження обумовлюють руйнування деталей машин при напруженнях, значно менших за границею міцності, текучості, а інколи і пружності матеріалу.

Спостерігаються руйнування через утому в деталях, які підлягають дії розтягування – стискання, згинання і кручення (вали, осі, зуби шестерень, зварні з'єднання та ін.). Це явище притаманне і пошкодженням, які виникають у поверхневих шарах деталей при терті ковзання і кочення. У цих випадках руйнування через утому проявляється як розтріскування і викришування матеріалу з поверхні деталі.

За сучасними уявленнями природа утоми пов'язується з недосконалістю кристалічної будови матеріалів. Розрізняють наступні елементарні дефекти кристалічної структури: вакансії, дислокації, межі зерен, включення та ін.

Вакансія – це точкоподібний дефект, являє собою вільне (без атому) місце у вузлі кристалічної ґратки. У реальних кристалах вакансії постійно зароджуються і зникають під дією теплових флуктуацій.

Іншим видом недосконалості кристалічної будови є дислокація (лінійний дефект) – спотворення структурної ґратки. Дислокації – це джерела внутрішніх напружень у кристалічній гратці. Кількість дислокацій у чистих металах значна: у 1 см³ до 10⁶...10⁷. Поблизу дислокаційної лінії розвиваються великі спотворення і напруження. Ці області навколо дислокацій мають значну потенціальну енергію.

При пластичній деформації під дією зовнішніх сил, термічної активації, тобто при наданні додаткової енергії, можливий рух дислокацій, коли спотворення ґратки від дислокації передаються в інші області кристалу, так звана естафета. При цьому атоми (площини) переміщаються незначно з неврівноваженого положення у врівноважене, виводячи зі стану стійкості сусідні атоми до певного моменту, наприклад виходу дислокації на поверхню кристалу, перетину з іншою дислокацією або взаємодії з іншими дефектами кристалічної ґратки. Рух дислокацій супроводжується появою вакансій. Вони коагулюють, займають певний об'єм, а при першій можливості здатні перерости в мікро- і макроскопічні тріщини від утомленості.

У дислокаційних теоріях І.А. Одінга, В.С. Іванової, М.М. Афанасьєва та ін. запропоновано кілька схем утворення тріщин, але у всіх теоріях механізми зародження, розвитку тріщин і руйнування металу базуються на процесі руху й концентрації дислокацій біля перешкод– межами зерен, атомів, домішок та ін. Узагальнено хід процесу зародження тріщини від утомленості та руйнування металу характеризується кількома періодами.

У перший період основні субструктурні зміни відбуваються по межах зерен. При цьому накопичується пластична деформація, матеріал зміцнюється внаслідок скупчення дислокацій перед перешкодою та дифузії атомів домішок до меж кристалів. Усе це призводить до концентрації вакансій, у другому періоді здійснюється локальне послаблення зв’язків кристалічної ґратки, виникають субмікроскопічні тріщини. Третій період характеризується розвитком субмікроскопічних тріщин у мікроскопічні. Четвертий період настає з моменту досягнення мікроскопічною тріщиною критичних розмірів і триває до руйнування матеріалу.

Дослідами встановлено сумісність проходження пластичної деформації та руйнування металів незалежно від умов деформації й виду руйнування – в'язкого, крихкого чи від утомленості. Різниця лише в тому, що при циклічних навантаженнях генерування дислокацій, їх рух і коагуляція вакансій відбуваються інтенсивніше, ніж при статичному навантаженні.

На практиці закономірності змін циклічних напружень у часі найрізноманітніші. Періодичні закономірності циклічних напружень, що часто спостерігаються, наведено на рис. 2.13.

Коли фактичний закон зміни в часі циклічного напруження встановити складно, його умовно приймають за синусоїдний (рис.2.13, г). До основних характеристик циклічного напруження належать: цикл напружень, період (час) циклу, максимальне і мінімальне напруження (рис. 2.14), коефіцієнт асиметрії циклу R – відношення мінімального напруження до максимального.

Рис. 2.13. Графіки циклічних напружень: а – загальний випадок періодичної закономірності; б – прямокутний; в – пилоподібний; г – синусоїдний

Рис. 2.14. Цикли змінних напружень: а – симетричний; б, в – асиметричний; г – пульсуючий

Розрізняють симетричні й несиметричні цикли. У першому випадку максимальні та мінімальні напруження рівні за абсолютним значенням, але протилежні за знаком; коефіцієнт асиметрії R= –1 (рис. 2.14, а). При несиметричному циклі напруження різні за абсолютними значеннями і можуть мати знаки різні й однакові; коефіцієнт асиметрії R≠ 0 і R≠ –1. У випадку R= 0цикл називається пульсуючим (рис. 2.14, г).

Основним критерієм, який характеризує опір металу руйнуванню від утоми, є границя витривалості (границя утоми) s_R – значення максимального напруження циклу з асиметрією R, яке може витримати матеріал зразка без руйнування при необмеженій (на практиці – базовій N ₀) кількості циклів напруження (навантаження).

Другим критерієм, яким характеризується стійкість металу проти утоми, є довговічність. Під довговічністю розуміється кількість циклів напруження N, що витримує деталь до руйнування в даних умовах випробувань.

Величина змінних напружень і кількість циклів зміни цих напружень, що витримується деталлю до руйнування, пов'язані між собою залежністю, яка графічно зображається кривою утоми, або кривою Велера (рис. 2.15).

Рис. 2.15 Крива утоми

Рівняння цієї кривої, доведене експериментально, має вигляд:

, (2.5)

де s – максимальне значення змінного напруження, яке викликає руйнування через утомленість; N – кількість циклів змінного напруження до руйнування; m – показник степеня, який залежить від матеріалу деталі, виду деформації, концентрації напружень і коефіцієнта асиметрії.

Після досягнення базового значення кількості циклів (див. рис. 2.15) крива утоми асимптотично наближається до горизонтальної прямої, яка відповідає рівню напруження, що дорівнює границі витривалості s_R, тобто значення границі витривалості зі збільшенням кількості циклів змінюється дуже повільно. Для практичних розрахунків приймається, що значення границі витривалості залишається постійним. Оскільки відомі базова кількість циклів і границя витривалості, визначають будь-яке значення точки кривої утомленості при заданій кількості циклів. Для цього достатньо навести залежність (2.5) у вигляді:

, (2.6)

а після перетворень отримаємо:

, (2.7)

де s – границя витривалості при заданій кількості циклів N; s_R – границя витривалості при базовій кількості циклів N ₀; т – показник степеня (визначається за довідниками).

При визначенні границі витривалості реальної деталі необхідно враховувати значну кількість факторів, зокрема вид навантаження, концентрацію напружень у деталі, якість поверхні, вплив посадки з'єднання, дію робочого середовища, температуру.

Одна з формул, за допомогою якої приблизно визначають границю витривалості деталі з урахуванням більшості наведених факторів, така:

, (2.8)

де – границя витривалості деталі при коефіцієнті асиметрії R (R ≤1) та ефективному коефіцієнті концентрації K; – границя витривалості гладкого зразка K= 1при симетричному циклі R =–1, яка визначається за лабораторними випробуваннями або за довідковими даними; K – ефективний коефіцієнт концентрації, який враховує геометричну форму деталі, шорсткість поверхні, вплив посадок з натягом; С – коефіцієнт чутливості матеріалу до асиметрії циклу (для вуглецевих і низьколегованих сталей С =0,2; для легованих сталей С =0,3); K_M – масштабний коефіцієнт; R – коефіцієнт асиметрії руйнуючого циклу.

Теоретичними та експериментальними дослідженнями встановлено, що границі витривалості деталей в основному залежать від механічних характеристик матеріалу деталей, їх термічної обробки, якості поверхні, геометричної форми і розмірів.

Форма деталі в першу чергу обумовлює можливість існування місць з концентраторами напружень, які викликають локальну зміну (зростання) поля напружень. Концентратори напружень знижують витривалість з інтенсивністю, яка визначається величиною і розподілом напружень до перерізу деталі, а також структурною неоднорідністю металу. Різні матеріали неоднаково чутливі до концентрації напружень. Наприклад, малочутливими є чавуни (за винятком високоміцних), нержавіюча сталь, більшість кольорових металів і м'які пластичні сплави, а найчутливішими є гартовані сталі, при цьому їх чутливість зростає зі збільшенням границі міцності.

Опір утомі також пов'язаний з впливом металургійних факторів, технологій обробки деталей. Забрудненість металу заготовки, з якої виготовлена деталь включеннями, нерівномірність розподілення легуючих елементів, дефекти прокатки або кування знижують опір утомі.На практиці у більшості випадків руйнування від утоми є наслідком дефектів, допущених при обробці поверхні в процесі виготовлення або ремонту. До цих дефектів належать дефекти механічної обробки: підрізи, подряпини та ін.; гартувальні тріщини, залишкові напруження розтягу, перервність наклепаного шару та ін.

За результатами досліджень впливу якості поверхні на стійкість металів проти утоми механічна обробка, різноманітні види поверхневого зміцнення, за яких відбувається зниження шорсткості поверхні та зміна напруженого стану поверхневого шару металу (наклеп), значно впливають на границю витривалості й можуть підвищити її в 1,2...2,0 рази і більше.

Відомості про основні фактори, які впливають на утому матеріалів, дають змогу розробити необхідні для підвищення довговічності деталей машин конструкційні зміни або рекомендації щодо вдосконалення технології виготовлення і ремонту.