Новини

16.06.2017Руйнування елементів металоконструкцій при циклічних навантаженнях

На початку розвитку залізничного транспорту ставалася велика кількість аварій, спричинених руйнуванням від утомленості осей колісних пар, перш ніж інженерам-механікам удалося встановити причини руйнувань і об’єктивні закони, що описують подібні явища. Також у той час було покладено початок новому підходу до розрахунку конструкцій, які працюють в умовах циклічного навантаження, розроблено технічні умови та вимоги, виконання яких дало змогу зняти багаторічну проблему.
Із широким впровадженням зварних конструкцій, які також піддаються змінним навантаженням циклічного характеру, знадобилося вже менше часу, щоб пояснити причини руйнування таких конструкцій і виробити необхідні заходи щодо запобігання аваріям. Проте. як кажуть, гладко було на папері, а аварії через низку причин, пов’язаних з людським фактором, все одно стаються. Здавалося б, що заважає нинішнім фахівцям вивчити накопичений досвід, додержуватися технічних вимог і правил і відповідально підходити до своїх обов’язків? Алі ні: то лінь навчатися, то ніколи дійти суті справи, то ще щось...
А тому не зайвим буде нагадати положення, пов’язані з руйнуванням від утомленості матеріалу конструкцій. Тим більше, що його природа досить складна.
Утомленість (старіння) матеріалу конструкції – це зміна механічних і фізичних властивостей матеріалу вбік зниження його стійкості відносно до дії напружень, що циклічно змінюються в часі.
Елементи конструкції, що піддаються змінному навантаженню, можуть зазнати руйнування при напруженнях значно нижчих границі плинності. Опір утомленості матеріалу конструкції при цьому характеризується границею витривалості – найбільшим напруженням, яке може витримати матеріал без руйнування при заданому числі циклічних впливів.
Руйнування металу при циклічних навантаженнях відбувається не миттєво при досягненні напруженням граничних значень, а є відносно тривалим процесом народження й розвитку тріщин. В даний час  у руйнуванні від утомленості зазвичай виділяють три, а іноді чотири стадії, між якими немає чіткої межі. Такий поділ спричинений не лише зручністю викладання послідовності явищ утомленості, він розкриває властиві процесу якісні зміни.
У першій (інкубаційній) стадії руйнування відбувається пластична деформація шляхом ковзання, яке зосереджене в смугах, що виникають у приповерхневих шарах тіла, які мають високу технологічну  дефективність і знижений опір плинності. При цьому спочатку пластична деформація спричиняє зміцнення металу (наклеп). Ця стадія відбувається при атомному рівні кристалічної будови, тому про утворення тріщин або мікротріщин говорити ще рано.
У другій стадії – розпушення металу – починається процес зародження субмікро- і мікротріщин. У пластичних матеріалах, якими є сталі, що застосовуються в кранових металоконструкціях, вони утворюються на поверхнях у місцях концентрації напружень, спричинених різними дефектами (мікродефектами, дефектами зварювання, подряпинами і т.д.). При цьому порушується суцільність матеріалу на дуже малих ділянках, які можна порівняти з його структурою (діаметр зерен). Багато субмікро- і мікротріщин зупиняються в рості біля різних перешкод в результаті релаксії напружень.
Третя стадія розпочинається, коли мікротріщина, що перебуває в найбільш сприятливих для розвитку процесу умовах, перетинає (а це пов’язано  з подоланням значних енергетичних бар’єрів) межу зерна – одного, другого – і переходить у макротріщину. Таке накопичення енергії руйнування відбувається в результаті багатоциклового навантаження елементів конструкції. Після утворення макротріщини всі процеси тртьої стадії концентруються біля її фронту. При цьому тріщина розвивається шляхом її стабільного просування, для чого також витрачається багато енергії, що накопичується в результаті триваючого циклічного навантаження. Процес росту тріщини періодично призупиняється в результаті чергової релаксації напружень у зоні руйнування. Закінчується ця стадія, коли тріщина досягає критичного розміру.
Критична тріщина росте спонтанно (долом) за рахунок енергії деформації тіла (точніше, усієї механічної системи, до складу якої вона входить). Часто долом стається навіть за відсутності корисного навантаження.
Тривалість цієї, четвертої стадії зазвичай дуже мала порівняно з попередніми, тому її не беруть до уваги, наприклад, при визначенні росту тріщини від утомленості.
Тривалість періоду зародження макротріщини становить, за різними оцінками, від 20 до 90 % загальної її довговічності  залежно від матеріалу, розмірів і форми тіла, наявності концентраторів напружень, навантаження. Вважається, що для зварних конструкцій, а також для елементів з недосконалою поверхневою обробкою більша частина «життя» тріщини від утомленості припадає на її розвиток. А для елементів, що мають хорошу поверхневу обробку з малою концентрацією напружень, більша частина «життя» тріщини від утомленості проходить на стадії її ініціювання.