Що таке втома матеріалів. Історія виникнення поняття

Втома матеріалу - це фізичне явище руйнування в результаті накопичення в ньому пошкоджень, найчастіше, мікротріщин, які утворюються в процесі впливу навантажень на матеріал. Наприклад, щоб розламати мідний дріт вам доведеться його кілька разів зігнути. В даному випадку дріт ламається, тому що від ваших невеликих впливів на нього матеріал втомлюється.

Всі елементи будь-яких конструкцій і машин під час експлуатації піддаються впливу таких нерівномірних навантажень. І міцність кожного з матеріалів залежить не тільки від здатності витримати разове максимальне навантаження, але і від його вміння чинити опір багаторазово повторюваним малим навантаженням. Тобто, міцність матеріалу - це сукупність даних здібностей.

Історія виникнення поняття

Взагалі, про таке фізичне явище, як втома матеріалів, людство вперше задумалося десь в першій третині 19-го століття. Деякі інженери помітили, що осі коліс диліжансів періодично ламаються в моменти не найбільших навантажень на транспортний засіб. Вивчивши цей дивний казус, перший раз поняття «втома матеріалу» прозвучало в 1829 році в роботі французького професора-математика Жана-Віктора Понселе, до якого, зрозуміло, тоді ніхто особливо не прислухався. Все ж втома було поняттям, що застосовуються виключно до живого організму, тоді як металеві конструкції є неживими предметами.

Але з розвитком залізничного транспорту, який в 19 столітті був одним з головних способів перевезення вантажів і пасажирів, досить швидко стало ясно, що вагонні і паровозні осі піддаються постійному впливу навантажень, і їх вихід з ладу призводить до масштабних аварій і катастроф.

Перше серйозне вивчення втоми металів провів німецький хімік Фрідріх Веллер, в 1876 він опублікував свої результати досліджень. Саме він є автором кривої Веллера - графіка, що до сих пір використовується, як основний критерій визначення витривалості матеріалу.

Але перш ніж, явище втоми конструкцій міцно увійшло в побут інженерів-проектувальників, сталося безліч техногенних катастроф. За період з 1886 по 1937 роки по всьому світу відбулися страшні обвалення декількох мостів, катастрофи кораблів та інших клепаних конструкцій, в результаті яких гинули тисячі людей.

І лише десь у середині 20 століття інженери зрозуміли, що втома матеріалів - це одне з базових явищ, яке слід враховувати при проектуванні повітряних і морських суден, побудові машин, поїздів, мостових та кранових конструкцій. Тоді, щоб запобігти появі тріщин втоми на зміну клепаним з'єднанням прийшло зварювання. Однак, воно по суті, стало ще більшим «провокатором втоми» матеріалів, зробивши конструкції практично безперервними, а значить, що приймають на себе великі навантаження.

Одним з перших зареєстрованих руйнувань великої звареної конструкції було падіння суцільнозварного мосту через канал Принца Альберта в Бельгії в 1938 році. Під час другої світової війни фіксувалися масові руйнування корпусів військових судів. Наприклад, з 2710 побудованих американцями пароплавів типу «Ліберті», корпуси яких створювалися за допомогою зварювання, 145 були серйозно пошкоджені втомним руйнуванням, а кілька судів буквально переломилися надвоє в морі.

Регулярні аварії відбувалися і на нафтогазових підприємствах, на яких ушкоджувалися цистерни для зберігання. У 1962 році через втому матеріалів зруйнувався міст в Мельбурні, кілька зварних мостів впало в США, Росії і Канаді. А вже в 60-х роках минулого століття через неї сталися аварії англійських пасажирських літаків «Comet».

У 2002 році втома суднового корпусу стала причиною жахливої ​​катастрофи, що сталася з танкером "Prestige", який зламався надвоє в Біскайській затоці, виливши в море тонни нафти.

Особливо до втоми схильні метали. Спочатку в металевих конструкціях з'являються невидимі мікротріщини, які під дією навантажень з часом стають все більше. Така втома вже стає видною неозброєним оком, а значить, запобігти руйнуванню конструкції можливо шляхом простого обстеження.

Однак значення цих стадій в інженерній справі в різних галузях техніки різне. Так, наприклад, розвиток тріщини в оболонці фюзеляжу літака або колінчастого вала автомобільного двигуна може протікати дуже швидко, буквально миттєво привівши до аварії. А ось в конструкціях морських споруд часто навіть досить великі тріщини можуть не нести негайної загрози.

Тому процес втоми матеріалів інженери зазвичай ділять на дві фази:
- Інкубаційну - до появи макроскопічних тріщин;
- Фазу розвитку макротріщин, яка завжди завершується руйнуванням конструкції або деталі.