Втома при крученнях (або втома при крутильних навантаженнях) — це тип втоми матеріалу, який виникає при циклічному крутильному навантаженні, тобто коли об’єкт або зразок піддається постійним крутильним обертальним силам. Така втома проявляється через накопичення мікротріщин і пошкоджень у матеріалі, що зрештою призводить до його руйнування навіть при навантаженнях, які окремо не перевищують межу міцності матеріалу.

Механізм втоми при крученнях:

1. Циклічне кручення:
   • Під час циклічного кручення, матеріал зазнає змінних моментів кручення, тобто сила, що створює обертальний момент, змінюється з часом. У результаті цього одна частина матеріалу буде зазнавати розтягування, а інша — стиснення, що приводить до утворення внутрішніх зусиль у вигляді крутильних напруг.
2. Пошкодження на поверхні:
   • Як і в інших типах втоми, початкові тріщини зазвичай утворюються на поверхні зразка, де матеріал найбільше піддається змінам у навантаженні (пошкодження часто виникають на тому боці, де виникає розтягнення під час кручення).
   • Мікротріщини можуть поступово поширюватися по перетину матеріалу, що веде до його руйнування.
3. Накопичення пошкоджень:
   • Циклічні обертальні навантаження можуть спричиняти накопичення пошкоджень і мікротріщин на мікроскопічному рівні. Чим більше циклів кручення, тим більша ймовірність розвитку пошкоджень і їх подальше зростання до критичного рівня, коли матеріал ламається.
4. Розподіл напруг при крученні:
   • При крученні внутрішні напруги не рівномірно розподіляються по перетину матеріалу. На поверхні і в підповерхневих шарах матеріалу максимальні крутильні напруги, і саме в цих зонах найбільше ймовірне виникнення мікротріщин.

Характеристики втоми при крученнях:

1. Межа витривалості:
   • Як і для інших типів втоми, для втоми при крученнях існує межа витривалості. Це максимальна амплітуда крутильного навантаження, яку матеріал здатний витримати без виникнення пошкоджень впродовж великої кількості циклів.
2. Число циклів до руйнування:
   • В залежності від величини крутильного навантаження, матеріал може витримати певну кількість циклів до появи мікротріщин і, зрештою, до руйнування. Чим більше навантаження, тим менше циклів матеріал може витримати.
3. Напруга кручення:
   • Втома при крученнях залежить від величини крутильних напруг, які виникають під час циклічного навантаження. Напруга кручення — це момент кручення, поділений на полярний момент інерції перетину матеріалу.

Випробування на втомну міцність при крученнях:

1. Типи зразків для випробувань:
   • Для випробувань на втомну міцність при крученнях використовуються зразки, які можуть бути, наприклад, вали, трубки або інші компоненти, що зазнають обертальних навантажень.
   • Зразки мають геометрію, що дозволяє створювати крутильні моменти, які впливають на них під час випробувань.
2. Процес випробувань:
   • Підготовка зразка: Зразок виготовляється з певного матеріалу і встановлюється на випробувальну машину, де йому буде прикладено крутильний момент.
   • Циклічне навантаження: Під час випробувань на зразок прикладається циклічний обертальний момент, що створює змінні крутильні навантаження. Ці навантаження можуть бути постійними або змінюватися за амплітудою.
   • Спостереження за пошкодженнями: Під час випробувань спостерігається утворення тріщин на поверхні матеріалу, вимірюється зміна деформацій і напруг, а також реєструється момент, коли відбудеться руйнування зразка.
   • Завершення випробування: Випробування проводиться до тих пір, поки не виникне значне пошкодження матеріалу або його руйнування в результаті крутильних навантажень.
3. Типи випробувальних машин:
   • Для випробувань на втомну міцність при крученнях використовуються крутильні випробувальні машини, які дозволяють прикладати обертальні навантаження до зразка. Такі машини можуть мати різні механізми для регулювання крутильних моментів і вимірювання змін в деформаціях зразка.

Фактори, що впливають на втомну міцність при крученнях:

1. Тип матеріалу:
   • Метали: Метали, що піддаються циклічному кручению, можуть з часом розвивати тріщини внаслідок накопичення пластичних деформацій. Метали зазвичай мають високу витривалість до кручення в порівнянні з матеріалами з низькою пластичністю.
   • Пластики і композити: Пластики і композитні матеріали можуть мати нижчу втомну міцність при крученнях, оскільки їх структура може бути менш стійкою до обертальних навантажень.
   • Бетон: Для бетону, як і для інших крихких матеріалів, втома на кручення може призвести до більш швидкого руйнування через крихкість матеріалу.
2. Температурні умови:
   • При високих температурах металеві матеріали можуть ставати більш пластичними, що може збільшити їх стійкість до кручення. Водночас при низьких температурах метали можуть стати крихкими, що знижує їх здатність витримувати циклічне кручення.
   • Для пластиків і композитів температурні коливання можуть змінювати їх механічні властивості, зокрема втомну міцність.
3. Вологість:
   • Для матеріалів, таких як пластмаси, вологість може впливати на їх втомну міцність при крученнях. Залишкова волога в матеріалі може призвести до погіршення механічних властивостей.
4. Частота циклів:
   • Частота циклів кручення може вплинути на кількість циклів до руйнування. Вища частота циклів може привести до більш швидкого накопичення мікротріщин в матеріалі.

Діаграма втоми при крученнях:

Для втоми при крученнях також можна використовувати S-N діаграму, яка показує залежність між амплітудою крутильного навантаження (S) та кількістю циклів до руйнування (N).

• X-вісь — число циклів до руйнування (N).
• Y-вісь — величина амплітуди крутильного навантаження (S).

Ця діаграма допомагає визначити, за яких умов матеріал буде руйнуватися при циклічному крученні, залежно від величини прикладеного крутильного навантаження і числа циклів до руйнування.

Застосування втоми при крученнях:

1. Машинобудування:
   • Втома при крученнях є важливою для деталей механізмів, таких як вали, шестерні, підшипники, які зазнають циклічних крутильних навантажень.
2. Транспорт і авіація:
   • В транспортних засобах, таких як автомобілі, поїзди та літаки, компоненти, які піддаються циклічному кручення (наприклад, вал двигуна, карданні вал, шестерні), мають бути перевірені на стійкість до втоми при крученнях.
3. Будівництво:
   • Компоненти будівельних конструкцій, що піддаються крутильним навантаженням, також повинні бути перевірені на втомну міцність при крученнях.

Втома при крученнях є важливим аспектом оцінки надійності та довговічності матеріалів і конструкцій, які піддаються циклічним крутильним навантаженням. Випробування на втомну міцність при крученнях дозволяють визначити, скільки циклів матеріал може витримати, перш ніж він зазнає руйнування. Це є критично важливим для конструкцій у машинобудуванні, транспорті, будівництві і для розвитку нових матеріалів, що повинні витримувати обертальні навантаження.