Разработка ученых ИПМаш РАН поможет легче рассчитать срок службы деталей с переменными нагрузками

Ученые Института проблем машиноведения РАН вместе с коллегами выяснили, что сталь марки 20, которую широко используют в промышленности, после определенного количества циклов растяжения с полным снятием нагрузки перестает необратимо деформироваться и начинает работать почти как упругая пружина — возвращаясь в исходное состояние после каждого нажатия. Авторы создали математическую модель, которая точно предсказывает, когда именно наступает этот переход.

Врезка: Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале International Journal of Plasticity.

Многие детали автомобилей, самолетов и другой техники работают в условиях циклического нагружения — когда воздействие на них то возрастает, то падает. Материал постепенно деформируется: в нем возникают избыточные напряжения, которые приводят к трещинам и последующему разрушению деталей. Поэтому при проектировании любой техники инженерам нужно иметь возможность заранее предсказать, как именно металл будет реагировать на циклические нагрузки. Однако до сих пор надежной модели, которая могла бы математически это описать, не было. Поэтому специалистам приходилось закладывать в детали дополнительный запас прочности, делая их более тяжелыми и тратя больше материала на изготовление.

Ученые ИПМаш РАН и СПбГУ определили, как образцы стали марки 20, широко используемой в машиностроении, реагируют на многократные нагрузки, и создали математическую модель, описывающую переход материала от режима деформации к стабильному состоянию.

Авторы исследования провели эксперименты со стальными стержнями, похожими на обычный карандаш, и образцами в форме гантели (с зауженной средней частью). В образцах-гантелях процессы деформации сосредотачивались в самом узком месте, а потому их было легче отследить.

Исследователи с помощью пресса подвергли образцы циклическим нагрузкам, меняя интенсивность воздействия и его частоту. Оказалось, что сначала — при первых сотнях циклов нагрузок — материал пластически деформируется, то есть при каждом последующем приложении растягивающей нагрузки его форма и размер, хоть немного, но необратимо меняются. Однако после 800–5000 циклов в зависимости от нагрузки сталь переходит в исключительно стабильное состояние, при котором в ней больше не возникают пластические деформации.

Это значит, что при последующем приложении растягивающей нагрузки металл, если и деформируется, то возвращается в исходное состояние (ровно как после предшествующих 800–5000 циклов нагружения), подобно пружине, которую сначала растянули, а затем отпустили. Для инженеров это означает, что после преодоления «порога стабилизации» деталь больше не изнашивается пластически — ее дальнейшая эксплуатация становится предсказуемой и безопасной, а ресурс ограничивается лишь усталостными процессами, которые развиваются значительно медленнее.

«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», — сказала старший научный сотрудник Лаборатории динамики экстремальных состояний и структурных переходов ИПМаш РАН Нина Селютина.