Российские ученые создали систему точного расчета срока службы стальных деталей
Ученые создали модель, которая показывает, когда сталь после многих циклов нагрузки перестает необратимо деформироваться и переходит в стабильный режим. Это поможет точнее оценивать ресурс колес поездов, шасси самолетов, лопаток турбин и деталей подвески.
Источник: Пресс-служба РНФ
МОСКВА, 19 июня. /Новости науки/. Российские ученые выяснили, как сталь марки 20 ведет себя при многократных нагрузках, и создали математическую модель для расчета срока службы деталей. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Сталь марки 20 широко применяют в машиностроении. Из нее делают детали, которые часто работают под переменной нагрузкой. Это могут быть элементы автомобильных подвесок, колеса поездов, шасси самолетов и лопатки турбин на электростанциях.
При такой работе нагрузка на металл то растет, то падает. Материал постепенно меняет форму, в нем возникают внутренние напряжения. Со временем это может привести к трещинам и разрушению детали. Поэтому инженерам важно заранее понимать, как долго она прослужит.
До сих пор точных моделей для такого расчета не хватало. Из-за этого при проектировании деталей часто закладывали большой запас прочности. Это делало конструкции тяжелее и требовало больше металла.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН изучили поведение образцов стали марки 20 при циклическом растяжении. Они использовали стальные стержни и образцы в форме гантели. У таких образцов деформация сосредоточена в узкой средней части, поэтому ее проще измерять.
Исследователи нагружали образцы на прессе. Они меняли силу воздействия и частоту циклов. Оказалось, что в первые сотни циклов сталь пластически деформируется. Это значит, что после каждого растяжения ее форма и размер немного, но необратимо меняются.
Затем материал переходит в другое состояние. В зависимости от нагрузки это происходит после 800–5000 циклов. После этого сталь почти перестает накапливать пластические деформации и начинает вести себя как упругая пружина. При нагрузке она меняет форму, но после снятия воздействия возвращается в исходное состояние.
Для инженеров это важно, потому что после такого порога деталь работает более предсказуемо. Она уже не изнашивается за счет постоянной пластической деформации. Ее ресурс дальше ограничивают главным образом усталостные процессы, то есть постепенное развитие микротрещин.
Авторы описали это поведение с помощью математической модели. Она учитывает частоту и силу нагрузки, а также перераспределение внутренних напряжений в металле. По этим данным модель показывает, когда материал перейдет в стабильный режим.
«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», — рассказала участник проекта, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник СПбГУ Нина Селютина.
По словам исследователя, дальше ученые хотят развить модель. Она должна учитывать не только пластическую деформацию, но и рост трещин на всем сроке службы детали. Также авторы планируют расширить диапазон нагрузок — от малоцикловой до многоцикловой усталости.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале International Journal of Plasticity.
Сталь марки 20 широко применяют в машиностроении. Из нее делают детали, которые часто работают под переменной нагрузкой. Это могут быть элементы автомобильных подвесок, колеса поездов, шасси самолетов и лопатки турбин на электростанциях.
При такой работе нагрузка на металл то растет, то падает. Материал постепенно меняет форму, в нем возникают внутренние напряжения. Со временем это может привести к трещинам и разрушению детали. Поэтому инженерам важно заранее понимать, как долго она прослужит.
До сих пор точных моделей для такого расчета не хватало. Из-за этого при проектировании деталей часто закладывали большой запас прочности. Это делало конструкции тяжелее и требовало больше металла.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН изучили поведение образцов стали марки 20 при циклическом растяжении. Они использовали стальные стержни и образцы в форме гантели. У таких образцов деформация сосредоточена в узкой средней части, поэтому ее проще измерять.
Исследователи нагружали образцы на прессе. Они меняли силу воздействия и частоту циклов. Оказалось, что в первые сотни циклов сталь пластически деформируется. Это значит, что после каждого растяжения ее форма и размер немного, но необратимо меняются.
Затем материал переходит в другое состояние. В зависимости от нагрузки это происходит после 800–5000 циклов. После этого сталь почти перестает накапливать пластические деформации и начинает вести себя как упругая пружина. При нагрузке она меняет форму, но после снятия воздействия возвращается в исходное состояние.
Для инженеров это важно, потому что после такого порога деталь работает более предсказуемо. Она уже не изнашивается за счет постоянной пластической деформации. Ее ресурс дальше ограничивают главным образом усталостные процессы, то есть постепенное развитие микротрещин.
Авторы описали это поведение с помощью математической модели. Она учитывает частоту и силу нагрузки, а также перераспределение внутренних напряжений в металле. По этим данным модель показывает, когда материал перейдет в стабильный режим.
«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», — рассказала участник проекта, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник СПбГУ Нина Селютина.
По словам исследователя, дальше ученые хотят развить модель. Она должна учитывать не только пластическую деформацию, но и рост трещин на всем сроке службы детали. Также авторы планируют расширить диапазон нагрузок — от малоцикловой до многоцикловой усталости.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале International Journal of Plasticity.
