Российские ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН вывели формулу, определяющую момент, когда сталь перестает накапливать повреждения после сотен растяжений. Инженеры, проектирующие самолеты, поезда и автомобили, сталкиваются с проблемой предсказания срока службы деталей, испытывающих переменные нагрузки. Ранее для надежности закладывали избыточный запас прочности, что утяжеляло конструкции и увеличивало расход топлива. Новая формула позволит точнее прогнозировать поведение металла под циклическими нагрузками.
Петербургские специалисты сделали важный шаг вперед. Они провели серию экспериментов со сталью марки 20, широко применяемой в машиностроении. Для испытаний использовались стальные стержни, напоминающие карандаши, а также образцы в форме гантелей, где средняя часть была специально сужена. В этих «гантелях» все изменения формы сосредоточивались в самом узком перешейке, что значительно облегчало наблюдение за происходящими в металле процессами.
Образцы стали циклически растягивали, меняя силу и частоту. Сначала сталь деформировалась как пластичный материал. При достижении 8005000 циклов деформация прекращалась и материал «успокаивался», возвращаясь в исходное состояние после каждого растяжения. Это означает, что деталь достигла «порога стабилизации» и разрушение теперь возможно только через медленные усталостные процессы, такие как микротрещины.
Ученые создали математическую модель для описания поведения материалов под давлением. Модель учитывает чувствительность материала к частоте и интенсивности нажатий, а также перераспределение напряжений изза движения микроскопических дефектов кристаллической решетки. Это позволяет точно предсказать момент перехода стали в «пружинное» состояние и заранее определить количество циклов до стабильной работы детали. Однако, несмотря на это, микротрещины со временем накапливаются, и деталь разрушается. Теперь можно заранее рассчитать этот момент и своевременно заменить деталь.
Математическая модель пока научный инструмент, но ее внедрение в промышленность экономит деньги. Для крупных заводов это снизит расход металла и вес конструкций, что даст колоссальную выгоду. Для владельцев автомобилей это повысит надежность и, возможно, снизит цену новых моделей. На запчасти в магазинах это пока не повлияет, так как разработка касается новых моделей, а не ремонта старых.
До этого исследования инженеры использовали эмпирические таблицы или сложные теории, плохо работающие на практике. Новое исследование заполняет пробел в теории упругости и пластичности, хотя пока это лабораторный результат, не готовый к промышленному применению. Однако он закладывает основу для будущих инженерных калькуляторов.
Участник проекта доктор физико-математических наук Нина Селютина так комментирует итоги работы: «Вместо того чтобы закладывать избыточный запас прочности, который приводит к утяжелению конструкции и трате лишнего металла, с помощью новой модели специалисты смогут заранее рассчитать реальный срок работы детали и вовремя ее заменить. Это означает меньше аварий и внезапных поломок техники, экономию материалов и в конечном счете сохранение здоровья и жизни людей, которые работают на транспорте или рядом с промышленным оборудованием. В дальнейшем мы планируем развить модель так, чтобы она учитывала взаимное влияние пластичности и роста трещин на всем сроке службы детали, а также расширить диапазон нагрузок – от малоцикловой до многоцикловой усталости. Наша цель – создать универсальный и простой инструмент для инженеров, работающий на нескольких фундаментальных постоянных».
Источник: innovanews.ru
распечатать статью
