Ученые Санкт‑Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН выяснили необычное свойство распространенной в промышленности стали марки 20. Оказалось, что после определенного количества циклов растяжения с полным снятием нагрузки она перестает необратимо деформироваться. Материал начинает работать почти как упругая пружина, возвращаясь в исходное состояние после каждого нажатия.
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. Поэтому при проектировании любой техники инженерам нужно иметь возможность заранее предсказать, как именно металл будет реагировать на подобные нагрузки, что позволит предотвратить проблемы в эксплуатации. 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 СПбГУ и ИПМаш РАН 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 них процессы деформации сосредотачивались в самом узком месте, а потому их было легче отследить.
Исследователи с помощью пресса подвергли стержни 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 необратимо меняются, пусть и немного. Однако после 800–5000 циклов 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 изменяется, то возвращается в исходное состояние, подобно пружине, которую сначала растянули, а затем отпустили. Для инженеров это означает, что после преодоления «порога стабилизации» деталь больше не изнашивается пластически — ее дальнейшее использование предсказуемо и безопасно, 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.
Старший научный сотрудник кафедры теории упругости имени Н. Ф. Морозова СПбГУ, старший научный сотрудник лаборатории динамики экстремальных состояний и структурных переходов ИПМаш РАН Нина Селютина
Созданная модель отражает, насколько материал чувствителен к частоте и интенсивности нагрузки, а также показывает, как в нем перераспределяются внутренние напряжения за счет движения микроскопических дефектов. Учитывая эти параметры, модель точно предсказывает, когда именно наступит момент, после которого материал начинает вести себя как пружина. Поэтому с ее помощью специалисты смогут заранее рассчитать, при какой нагрузке и через сколько циклов деталь перестанет накапливать повреждения и войдет в стабильный режим работы. Однако это стабильное состояние не бесконечно. Чем меньше величина нагрузки, тем дольше оно длится, но рано или поздно накопленные микротрещины все равно приведут к разрушению. Математическая модель, созданная учеными, позволяет предсказывать этот момент и вовремя заменять детали на производстве.
