Сталь после нескольких сотен растяжений может перестать накапливать повреждения, и петербургские ученые вывели формулу, которая считает этот переломный момент.
Инженеры, проектирующие самолеты, поезда или автомобили, всегда сталкиваются с одной и той же головной болью: как узнать, когда именно сломается деталь, которая постоянно испытывает переменные нагрузки. Колеса вагонов, шасси, лопатки турбин или элементы подвески работают в режиме «то туда-то сюда»: нагрузка на них то возрастает, то падает, и металл постепенно накапливает усталость. Раньше эту задачу решали просто — закладывали огромный запас прочности. Из-за этого детали получались тяжелыми, громоздкими, на их производство уходило больше стали, а машины расходовали лишнее топливо. Но, как часто бывает, надежного математического инструмента, который бы точно предсказал поведение металла под циклическими нагрузками, просто не существовало. Приходилось перестраховываться.
Российские ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН сделали важный шаг вперед. Они поставили серию экспериментов со сталью марки 20 — самой обычной, которую повсеместно используют в машиностроении. Для опытов взяли стальные стержни, похожие на карандаш, и образцы в форме гантели, у которых средняя часть была специально заужена. В таких «гантелях» все деформации собирались в одном месте — самом узком перешейке, поэтому исследователям было гораздо проще наблюдать за тем, что происходит с металлом.
Образцы поместили в пресс и начали их циклически растягивать, меняя силу и частоту воздействия. И вот что выяснилось. В самом начале, на протяжении первых сотен циклов, сталь вела себя как обычный пластичный материал: при каждом новом растяжении ее форма и размеры необратимо менялись, хоть и на микроскопическую величину. Однако, когда число циклов достигало определенной отметки — а это, в зависимости от нагрузки, происходило где-то между 800 и 5000 повторениями — материал вдруг переставал деформироваться насовсем. Он словно «успокаивался».
Дальше происходило удивительное. При последующих нажатиях пресса сталь начинала работать как упругая пружина: после каждого растяжения она полностью возвращалась в исходное состояние. То есть все накопления повреждений, которые могли бы привести к внезапной поломке, прекращались. Для инженеров это значит, что деталь достигает «порога стабилизации», после которого пластический износ больше не грозит, а разрушение теперь может быть вызвано только гораздо более медленными усталостными процессами — микротрещинами, которые копятся годами.
Чтобы это поведение описать, ученые создали математическую модель. Она учитывает, как сильно материал «чувствует» частоту и интенсивность нажатий, а также показывает, как внутри него перераспределяются напряжения за счет движения микроскопических дефектов кристаллической решетки. Модель довольно точно предсказывает тот самый момент, когда сталь перейдет в «пружинное» состояние. Теперь конструкторы смогут заранее высчитать, сколько циклов выдержит деталь до начала стабильной работы. Правда, это состояние не вечное. Чем меньше нагрузка, тем дольше оно длится, но рано или поздно микротрещины все равно накопятся до критической массы, и деталь разрушится. Но теперь этот момент можно рассчитать заранее и вовремя провести замену.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в издании International Journal of Plasticity.
Что касается практической ценности, тут ситуация двоякая. Сама математическая модель — это пока научный инструмент, а не готовая программа для завода. Однако ее внедрение в промышленность не требует гигантских вложений в новое оборудование: расчеты можно вести на обычных компьютерах, используя уже существующие данные о свойствах сталей. То есть для крупных заводов, выпускающих авиалайнеры или вагоны, экономия от точного расчета (за счет меньшего расхода металла и веса конструкций) будет колоссальной. А вот для обычного человека, владельца автомобиля, это выльется в косвенную выгоду: машины станут надежнее, легче и, возможно, дешевле в производстве. Непосредственно на цену запчастей в автомагазине эта разработка пока не повлияет, так как речь идет о высокотехнологичном проектировании новых моделей, а не о ремонте старых.
До этого исследования инженеры пользовались либо эмпирическими таблицами (данными, полученными опытным путем), либо сложными и громоздкими теориями, которые плохо работали в реальных условиях. Нынешняя работа закрывает конкретное белое пятно в теории упругости и пластичности. Пока это сугубо лабораторный результат, далекий от массового внедрения в цехах. Но он создает прочный фундамент для будущих инженерных калькуляторов.
Участник проекта, доктор физико-математических наук Нина Селютина, так комментирует итоги работы:
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.
Ранее ученые создали материал с программируемой жесткостью.