Замечено, что повторяющиеся операции приложения нагрузки и разгрузки со временем приводят к ослаблению объектов, даже если индуцированные напряжения намного меньше, чем допустимые ограничения нагрузки. Настоящее явление называется усталостью материалов. Каждый цикл колебания напряжений в некоторой степени ослабляет объект. После некоторого количества циклов объект становится таким непрочным, что он разрушается. Усталость является основной причиной выхода из строя многих объектов, особенно изготовленных из металлов. Примеры отказа вследствие усталости материалов включают: вращающееся машинное оборудование, болты, крылья самолетов, товары широкого потребления, морские платформы, суда, автомобильные валы, мосты и кости.
Линейные и нелинейные исследования конструкций не прогнозируют разрушение от усталости. Они вычисляют реакцию конструкции, подвергнутую воздействию заданных условий среды ограничений и нагрузок. Если соблюдаются допущения анализа и вычисленные напряжения находятся внутри допустимых пределов, они заключают, что конструкция является безопасной в этой среде вне зависимости от того, сколько раз прикладывается нагрузка.
Результаты статического, нелинейного или динамического исследования модальной временной диаграммы могут использоваться в качестве базиса для определения исследования усталости. Количество циклов, требуемое для усталостного разрушения в местоположении зависит от материала и колебаний напряжения. Настоящая информация для определенного материала обеспечивается кривой, называемой SN кривая.
Стадии отказа, вызванные усталостью
Разрушение от усталости происходит в три стадии:
| Стадия 1 |
В материале образуются одна или несколько трещин. Трещины могут образовываться в любом месте материала, но обычно появляются на граничных поверхностях вследствие больших колебаний напряжения. Трещины могут появиться вследствие многих причин. Несовершенство микроскопической структуры материалов и поверхностные царапины, вызванные инструментами или обращением – это некоторые из причин. |
| Стадия 2 |
Некоторые или все трещины образуются в результате продолжительных нагрузок. |
| Стадия 3 |
Способность конструкции выдерживать приложенные нагрузки продолжает ухудшаться до тех пор, пока не происходит разрушение. |
На поверхности материала появляются усталостные трещины. Упрочнение поверхности модели увеличивает срок службы модели при действии событий усталости материалов.