Втома металу: що це і як можна їй протистояти?

Дуже часто причиною виходу з ладу різної техніки є втома металу. Причому статися це може не тільки після тривалої експлуатації, але і на самому початку роботи обладнання або автомобіля. Причиною тому є періодичні динамічні навантаження, які відчуває окремий вузол або деталь не тільки під час виконання своєї основної функції, але і в процесі виготовлення. В результаті матеріал починає руйнуватися, навіть якщо величина напруги не досягнула значення межі міцності.

По суті, втома - це зміна основних властивостей металу (механічних і фізичних) під впливом циклічних напружень і деформацій. Це тягне структурні зміни в матеріалі, що протікають на макро- і мікрорівні, які багато в чому визначаються вихідними властивостями і умовою виготовлення деталі.

Для характеристики схильності металу до даного виду руйнування застосовується такий термін, як межа витривалості. Цей параметр чисельно дорівнює значенню максимальної напруги, якому може чинити опір матеріал протягом 10 000 000 і більше циклів, тобто протягом встановленого часу навантаження.

Втома металу не проявляється миттєво, і в цьому полягає її основна небезпека. Потрібен якийсь час, щоб в матеріалі відбулися необхідні зміни, які, швидше за все, зовні неможливо будуть проявлятися. Їх характер багато в чому визначають вихідні властивості металу, напружений стан, особливість навантаження і вплив зовнішнього середовища. До певного моменту всі що протікають явища є оборотними. Проте з плином часу опірність руйнуванню поступово починає знижуватися, і з`являються так звані втомні пошкодження.

На самій першій стадії втома металу починає проявлятися на структурному рівні, коли по межах зерен та інших складових починають з`являтися мікротріщини, які при подальшому навантаженні конструкції перетворюються в макротріщини. Це в свою чергу стає основною причиною остаточного руйнування елемента конструкції в процесі роботи або зразка під час проведення механічних випробувань.

Найбільш наочно втома металів характеризує однойменна крива, яка відображає відповідну залежність між числом випробуваних зразком циклів навантаження і стадіями пошкодження, починаючи від моменту виникнення тріщини і закінчуючи остаточним руйнуванням об`єкта дослідження. Враховуючи, що втомні явища спочатку проявляються в місцях структурних недосконалостей, розподіл яких носить імовірнісний характер, то і характеристики втоми підкоряються таким же закономірностям. Випробування проводяться найчастіше на обертовому зразку, до якого прикладається постійна згинального навантаження.

Втома металу в чому визначають умови експлуатації тієї чи іншої конструкції. Наявність активної середовища і досить високої температури може значно прискорити протікають в матеріалі негативні процеси. Опірність матеріалу істотно знижується при наявності різних структурних неоднорідностей, присутності неметалічних включень, нерівномірного розподілу легуючих елементів, а також при недостатній чистоті поверхні. Щоб цього не допустити, можна вдатися до різної поверхневої обробки, яка здатна створити у верхньому шарі матеріалу залишкові напруги стиску. Найчастіше з цією метою виконується диффузионное насичення, проводиться наклепання або поверхнева гарт різними способами, наприклад, шляхом лазерного зміцнення.