Усталость металла: что это и как можно ей противостоять

Усталостью металла называют процесс постепенного накопления под воздействием внешних факторов в металлической конструкции микроскопических повреждений, которые в дальнейшем прогрессируют во все более крупные. Это частое явление, могущее привести к весьма плачевным итогам.

Обнаружение и описание явления

Первооткрывателем явления стал немецкий горный инженер Вильгельм Альберт, в 1829 году описавший по результатам своих экспериментов износ металла на примере повторяющихся изгибов звеньев цепей рудничных подъемников на разработанной им опытной машине. Однако термин «усталость металла» был введен лишь в 1839 году французским ученым Жаном-Виктором Понселе, описавшим уменьшение прочности стальных конструкций под воздействием циклических напряжений.

Еще чуть позже вклад в теорию усталости металла, а также проектирования металлических конструкций, подвергающихся циклическим напряжениям, внес немецкий инженер Август Вёллер, опубликовав в 1858—1870 годах результаты опытов с железом и сталью в условиях повторного растяжения-сжатия. Результаты его исследований в 1874 году графически представил в виде таблиц немецкий архитектор Льюис Шпангенберг. С тех пор наглядное представление полученной зависимости между амплитудами напряжения цикла и числом циклов до разрушения металлической конструкции называют диаграммой Вёллера.

С тех пор явление усталости металла получило свое четкое определение, как процесс накопления с течением определенного времени повреждений металлической конструкции под действием переменных (обычно циклических) напряжений, которые приводят к изменению свойств конструкции, образованию в ней трещин, их прогрессивному развитию и последующему разрушению материала.

Последствия усталости металла

Прогрессирующая усталость металла может привести к разрушению металлических конструкций. Как правило это происходит во время их работы (когда осуществляется максимальная нагрузка на механизмы), что может привести к авариям и катастрофам, в том числе, с человеческими жертвами. Примеры некоторых известнейших происшествий:

- версальская железнодорожная катастрофа в 1842 году, в итоге которой погибло 55 человек (причиной послужил усталостной излом оси паровоза).
- крушение скоростного электропоезда ICE у коммуны Эшеде в Германии в 1998 году, по результатом которого погиб 101 человек и 88 ранены (на скорости 200 км/ч у поезда лопнул бандаж колеса).
- авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году (причиной стали усталостные повреждения узлов крепления гидроагрегата станции, в том числе и крышки турбины).

Профилактика усталости металла

Усталость металла обычно предотвращают путем модификации частей металлической конструкции, дабы исключить циклические нагрузки, либо путем замены используемых в ней материалов на менее склонные к усталости. Также ощутимое увеличение выносливости конструкции дают некоторые способы химико-термической обработки металлов (азотирование, нитроцементация и т.д.). Еще одним методом профилактики усталости металла является газотермическое напыление, которое создает напряжение сжатия на поверхности материала, что способствует защите металлических деталей от разрушения.