Определение усталостной прочности: 
насколько надежен ваш металл?

Определение усталостной прочности выясняет способность металла в течение длительного времени и без разрушения выдерживать циклические нагрузки, которые меняются по величине и направлению. Это свойство характеризует предел, при котором материал в состоянии “вынести” определенное количество циклов и не обнаружить процессов усталостного разрушения. 

Как устает металл?

Усталость человека имеет обыкновение накапливаться. И может привести к изменениям в его организме вплоть до ухудшения физического состояния. Примерно так же ведет себя и постепенно устающий металл  На первой стадии в нем появляются и начинают понемногу расти микротрещины. Они чаще всего возникают в местах, где концентрируются напряжения: например, у включений, пор, на поверхности материала. Такие зоны действуют как концентраторы напряжений.

Далее под воздействием циклических нагрузок эти микротрещины начинают расти, постепенно распространяясь через зерна металла. Они прогрессируют от цикла к циклу, так как увеличение размера трещины приводит к увеличению локальных напряжений на ее конце. Определение запаса усталостной прочности помогает предугадать эти процессы и минимизировать их. 

С течением времени и ростом микротрещин они могут объединяться. В результате чего формируется ощутимая макротрещина, намного ослабляющая структуру материала. В конечном итоге, когда она достигает критического размера, изделие разрушается. Этот момент наступает, когда оставшаяся неповрежденная часть больше не может выдерживать применяемую нагрузку, даже если она ниже предела текучести материала.

Знание усталостной прочности -
ключ к безопасности 

Таким образом, определить усталостную прочность важно из соображений безопасности. Особенно для конструкций и компонентов, подвергающихся в ходе эксплуатации циклическим нагрузкам. Мосты, каркасы зданий, техника - всё это рано или поздно поддается натиску времени, но разрушается постепенно. Своевременный мониторинг замечает эти процессы еще до того, как они начались.   

Правильное понимание усталостной характеристики материала помогает инженерам разрабатывать конструкции и детали, которые смогут выдерживать предполагаемые нагрузки на протяжении всего срока службы. В идеале эти элементы могут быть заменены только в результате естественного износа, но не от того, что “устали”. Если определить запас усталостной прочности, можно разработать графики профилактического обслуживания конструкций и механизмов, чтобы предотвратить возможные проблемы.

Тестирование продукции на усталостную прочность бывает и просто частью процесса качественного контроля. Специалисты проводят его, чтобы убедиться в соответствии изделий стандартам.  

Способы определить усталостную прочность

Методы определения усталостной прочности связаны с механической нагрузкой на испытуемый объект. К ним относятся:

• вращение с изгибом. Эта технология основана на вращении образца, обычно круглого поперечного сечения, при одновременно приложенной изгибающей нагрузке. Позволяет создать режим чистого изгиба без кручения;
• изгиб с реверсированием. Образец испытывают на изгиб с периодической сменой направления нагрузки. Этот способ подходит для испытания более сложных образцов и конструкций;
• аксиальное растяжение-сжатие. Объекты подвергают циклическому растяжению и сжатию вдоль оси. Таким образом исследуют материал в условиях, наиболее схожих с реальными;
• плоский изгиб. Образец загружается в плоскости своего наибольшего размера, имитируя условия, когда нагрузка приложена к широкой части поверхности;
• крутящие нагрузки (торсионные испытания). Применяются, когда необходимо изучить усталостные свойства при вращательной нагрузке;
• термоусталостные испытания. Чтобы определить усталостную прочность этим способом, опытные элементы подвергают циклическим температурным изменениям и механическим нагрузкам одновременно. Это помогает оценить изменения еще и в условиях тепловых циклов.

Компоненты, работающие в особо ответственных условиях (например, лопатки турбин), “экзаменуют” на специализированных стендах, имитирующих рабочие условия.

Полевые испытания: когда лаборатория недоступна

Определение запаса усталостной прочности возможно даже в том случае, когда лабораторные тесты не могут полностью воспроизвести рабочую среду и нагрузки. Или когда объект уже эксплуатируется и он слишком большой, чтобы поместиться в лаборатории. В этом случае специалисты выходят на место и проводят анализ в так называемых полевых условиях.    

С одной стороны, это не всегда удобно. Но с другой - объект оценивается уже на практике, а не в теории. Он работает в реальных условиях и испытывает реальные, а не лабораторные, нагрузки. Но как провести исследование, если в нем нельзя ничего крутить или изгибать? На помощь приходят современные методы мониторинга: датчики и системы для отслеживания параметров в реальном времени.  

Полевые испытания могут занимать немало времени. Это нужно для полного сбора данных, отражающих разные эксплуатационные сценарии.  

Способы профилактики усталостной прочности

Требуется определить запас усталостной прочности для деталей, элементов металлоконструкций и для других объектов? Специалисты наших предприятий проведут все процедуры, составят профессиональное экспертное заключение, а кроме того, порекомендуют один или несколько способов предотвращения циклических разрушений. Это могут быть:   

• оптимизация конструкции на этапе проектирования, если объект еще находится в разработке;
• улучшение поверхностного качества - шлифование, полировка, дробеструйная обработка или пластическое деформирование поверхности (например, накатка). Всё это снижает концентрацию напряжений и повышает усталостную прочность;
• термообработка - закаливание и отпуск;
• контроль нагрузок, их минимизация через конструктивные решения и корректную эксплуатацию;
• нанесение защитных покрытий или использование антикоррозийных материалов;
• регулярный мониторинг, в том числе с применением метода неразрушающего контроля.

Обращайтесь - и мы поможем продлить жизнь ваших металлоизделий! 

Тип исследования			Стоимость, тыс. руб.
Испытание на осевое растяжение-сжатие			от 5
Испытание на изгиб			от 6
Испытание на кручение			от 7
Испытание на многоосное нагружение			от 8
Испытание при повышенной температуре			от 9
Испытание в коррозионной среде			от 10
Металлографический анализ			от 2
Фрактографический анализ			от 3
Расчет усталостной прочности			от 4
Разработка программы испытаний			от 5