Деформація й руйнування, утома металів

Деталі машин, виготовлені з металів та їх сплавів, під дією прикладених до них зовнішніх навантажень, зазнають деформації.

Деформація – процес зміни взаємного розташування ліній, поверхонь, які визначають конфігурацію деталі (форму і розмір)

Деформація з'являється при виникненні напружень у матеріалі деталі.

Зміни конфігурації деталей можуть відбуватися і без прикладення зовнішніх навантажень. Наприклад, внаслідок старіння матеріалу, тобто поступових змін його фізико-механічних властивостей, пов'язаних зі структурними перетвореннями матеріалу чи релаксаційними процесами.

При відповідних умовах навантаження (досягнення граничних напружень) деформація закінчується руйнуванням – повним або частковим порушенням цілісності деталі.

Деформація може бути оборотною – якщо зникає після зняття навантаження, яке викликає її, і необоротною – якщо залишається після усунення сил, під дією яких вона виникла.

Оборотну деформацію ще називають пружною, її вплив на форму, структуру і властивості тіла повністю зникає після припинення дії навантаження і не викликає помітних залишкових змін у структурі й властивостях матеріалів. Під дією таких напружень виникає незначне зміщення атомів кристалічної ґратки, при якому порушується баланс міжатомних сил тяжіння та відштовхування. Після зняття навантаження ці сили повертають зміщені атоми до врівноваженого стану й у мікромасштабі (конфігурація деталі) деформація зникає. Деталь при цьому зберігає свою первісну форму і розміри.

Необоротну деформацію ще називають пластичною. Вона проявляється у вигляді вигину, скрученості, зміни лінійних розмірів деталей та елементів конструкцій. У кристалічних матеріалах пластична деформація найчастіше відбувається шляхом зміщення (ковзання) однієї частини кристалу відносно іншої під впливом тангенціальних (дотичних) критичних напружень, діючих у площині і напрямку ковзання. Ковзання здійснюється в певних кристалографічних площинах і напрямках з найбільшою атомною щільністю.

Наочно процес деформації наведено на діаграмі зміни деформації матеріалу під впливом зростаючого навантаження (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Залежність деформації від навантаження: 0А – область переваги пружних деформацій; АВ – область переваги пластичних деформацій; ВС – область руйнування; 1 – початок руйнування; 2 – повне руйнування

Процес деформації має три послідовні стадії: область переважання пружних деформацій; область переважання пластичних деформацій; область руйнування. Наведений поділ умовний, оскільки неможливо чітко розмежувати стадії прояву деформації на мікроскопічних рівнях, і як пружні, так і пластичні деформації.

Але такий поділ виправданий тим, що дає можливість розмежувати основні закономірності поведінки матеріалів деталей при механічному навантаженні. Зокрема, якщо розглянути хід деформації металу при зніманні навантаження на різних стадіях деформування, то можна помітити суттєві відмінності в ході процесу (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Деформація при зніманні навантаження на різних стадіях: