Ученые Тюменского индустриального университета выявили метод, позволяющий значительно ускорить определение предела выносливости стали. Показатель необходим для понимания срока службы детали в конструкции. Новый метод отличается быстротой и экономичностью и является важным шагом в материаловедении и машиностроении.
Сталь благодаря ее прочности, устойчивости к деформациям и долговечности является незаменимым материалом в строительстве, машиностроении, энергетике и в быту. Но при воздействии различных напряжений сталь, как и человек, имеет свойство уставать, особенно, если воздействия на материал постоянно повторяются. Деформируется структура, меняются свойства стали, образуются трещины или происходит полное разрушение. Усталость бывает разная: коррозионная, тепловая, контактная, механическая. Для того, чтобы понять, насколько долго прослужит материал и какие нагрузки сможет выдержать, необходимо определить предел выносливости стали или как долго сталь сможет сопротивляться усталости и не терять свои свойства. Зная значение данной величины, можно определить надежность и прочность детали в конструкции, предположить общее время нахождения в эксплуатации.
Предел выносливости не постоянная величина и зависит от множества факторов. При традиционном методе построения кривой усталости требуется испытать не менее 15 образцов, что занимает около 139 часов машинного времени. К тому же, партии стали могут отличаться по характеристикам, что усложняет задачу. Ученые ТИУ нашли способ ускорить этот процесс.
Сотрудники молодежной лаборатории вибрационного и гидродинамического моделирования Константин Кусков, Антон Хызов, Владислав Воронин (грант № FEWN - 2024-0005) сравнили несколько методов ускоренного определения предела выносливости (диапазона циклической долговечности):
- Метод Локати
- Расчетный метод с учетом микроструктуры стали
- Метод измерения электросопротивления
В ходе экспериментов были сделаны основные выводы:
Метод Локати, основанный на линейном характере накопления усталостных повреждений, хорош, когда уже известна левая ветвь кривой усталости для похожих образцов. В противном случае необходимо проводить дополнительные длительные испытания. Метод требует относительно много времени (порядка 28 часов).
Расчетный метод – самый быстрый, но не учитывает важные факторы, такие как шероховатость поверхности, концентраторы напряжений и воздействие агрессивной среды.
Метод измерения электросопротивления – оптимальный и наиболее эффективный. Он позволяет определить диапазон предела выносливости, что полезно для предварительных расчетов при проектировании деталей и конструкций, занимает всего 12 часов, то есть экономит ресурсы на тестирование, и показывает высокую точность для феррито-перлитных сталей.
«Несмотря на преимущества метода, его следует использовать с осторожностью для легированных сталей и сталей с неравновесной структурой, – рассказывает Константин Кусков. – Мы предлагаем комбинировать метод измерения электросопротивления и метод Локати, что позволит точнее определять предел выносливости».
Найденное решение значительно облегчит задачу исследователей и конструкторов-проектировщиков оборудования и изделий. Для исследователей – возможность в ускоренном режиме сравнивать методы повышения предела выносливости при обработке материалов: выглаживание роликом или алмазным индентором, нитроцементация, PVD покрытия, ультразвуковая обработка поверхности и др. Для конструкторов-проектировщиков это возможность быстро получить предварительные данные о пределе выносливости материала, который предполагается использовать в конструкции или объекте, чтобы максимально быстро приступить к его разработке. Таким образом, становится возможно вести полноценные испытания и одновременно проектирование, т.е. распараллелить процессы и выиграть драгоценное время.
Исследования продолжаются. В настоящее время ведется цикл исследований поведения аустенитных хромникелевых сталей. Попытка качественной и количественной оценки появляющейся магнитной фазы неразрушающими методами контроля, в т.ч. за счет использования микро- и нано- дисперсных металлических порошков.
Центр по внешним коммуникациям ТИУ
