Как прогнозирование поведения стали поможет снизить вес техники

Ученые Санкт-Петербургского госуниверситета и Института проблем машиноведения РАН разработали математическую модель, позволяющую прогнозировать поведение стали при многократных нагрузках. Объектом исследования стала сталь 20 — сплав железа и углерода с содержанием последнего около 0,2%. Этот материал отличается хорошей свариваемостью, пластичностью и устойчивостью к разрушению.

Специалисты обратили внимание на особенность поведения деталей из такой стали при циклических нагрузках. На начальном этапе эксплуатации они постепенно накапливают деформации, однако затем переходят в стабильное состояние и перестают изменять форму после очередных воздействий. Разработанная матмодель позволяет с высокой точностью прогнозировать момент наступления этого режима.

— При проектировании любой техники инженерам важно заранее предсказать, как металл будет реагировать на циклические нагрузки. Однако до сих пор надежной модели, которая могла бы математически это описать, не было. Поэтому специалисты закладывают в детали дополнительный запас прочности, что делает их более тяжелыми и требует больше материала на изготовление, — рассказала «Известиям» старший научный сотрудник кафедры теории упругости имени Н.Ф. Морозова и лаборатории «Динамика и экстремальные характеристики перспективных наноструктурированных материалов» СПбГУ Нина Селютина.

В ходе исследования специалисты провели серию экспериментов, подвергая образцы циклическим нагрузкам различной интенсивности и частоты. Выяснилось, что на начальном этапе — в течение первых сотен циклов — материал испытывает пластическую деформацию. Иными словами, после каждого воздействия его форма пусть незначительно, но необратимо изменяется. Однако спустя 800–5000 циклов, в зависимости от режима нагружения, этот процесс прекращается: сталь переходит в стабильное состояние и начинает вести себя упруго, каждый раз возвращаясь к исходной форме после снятия нагрузки.

— Для инженеров это означает, что после прохождения так называемого порога стабилизации деталь переходит в предсказуемый режим работы. Ее дальнейшая эксплуатация становится более надежной и безопасной, а срок службы начинает определяться главным образом усталостными процессами, которые развиваются значительно медленнее, — пояснила ученый.

Как модель подскажет сроки ремонта и замены деталей

Созданная математическая модель отражает, насколько материал чувствителен к разным нагрузкам, и показывает, как в нем перераспределяются напряжения за счет перемещения микродефектов. Технология поможет точнее рассчитывать характеристики конструкций и избежать их избыточного утяжеления в автомобилях, самолетах и железнодорожной технике, что позволит снизить затраты на производство и эксплуатацию без ущерба для надежности изделий.

— 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, — добавила Нина Селютина.

При этом, подчеркнула специалист, стабильное состояние материала не сохраняется бесконечно. Со временем накопление микротрещин всё равно приводит к разрушению конструкции. Однако новая модель дает инженерам возможность заранее прогнозировать этот момент и своевременно заменять детали. Конечная цель проекта — создать простые и универсальные инструменты для расчета жизненного цикла стальных изделий, применимые к различным условиям эксплуатации.

— В машиностроении давно применяют модели для описания поведения материалов при усталостном нагружении. Преимущество разработки — в возможности учета скорости и частоты воздействий. Подобные работы проводили в 1960–1980-х, но многие данные либо потеряны, либо устарели. Важно, что ученые занялись исследованием распространенных и востребованных сталей, — пояснил «Известиям» начальник лаборатории прочности Московского авиационного института Константин Шрамко.

По его словам, запас прочности создают из-за большого разброса экспериментальных данных. Поэтому для внедрения разработки в практику необходимо накопить значительную статистику испытаний материалов.

— Модель уточняет теорию разрушения металлов. Она поможет правильно выбирать режимы обработки изделий, чтобы они не деформировались, например, в начале эксплуатации, когда детали только притираются друг к другу, — прокомментировал проректор по научной работе, заведующий кафедрой эксплуатации горного оборудования Уральского государственного горного университета Денис Симисинов.

Согласно модели, для достижения стабильного режима детали должны пройти многократные циклы нагрузки, отметил он. Если проводить их искусственно, себестоимость изделий вырастет. Разработчики же полагают, что стабилизация наступает естественно. Понимание этих процессов позволит точно планировать циклы капитального ремонта и замены деталей.