Эксплуатационные воздействия и причины отказов элементов конструкций
Подсчитано, что более 80% всех случаев эксплуатационного разрушения элементов машиностроительных конструкций происходит в результате циклического нагружения. Циклические нагрузки различной природы вызывают постепенное накопление повреждений в материале, приводящее к изменению его свойств, образованию трещин и к разрушению. Как было сказано ранее, данный процесс называют усталостью материалов, а свойство противостоять усталости – выносливостью.
В оболочечных конструкциях значительные по величине напряжения появляются при гидравлическом ударе жидкости, перевозимой, например, в цистернах автомобильного и железнодорожного транспорта, а также в зоне контакта оболочки с опорными элементами. Неизбежны динамические нагрузки в машинах с прерывистым или ударным рабочим процессом. Переменные по величине механические воздействия регулярного или случайного характера вызывают необратимые изменения в материале элементов конструкции, приводящие, в конечном счете, к усталостному разрушению.
Причиной появления в конструкции температурных напряжений являются технологические и климатические тепловые воздействия. Стационарное тепловое поле напряжений при температуре ниже 80-100ºС не влияет на работоспособность и долговечность конструкции. Часто технологические тепловые воздействия формируют в элементах конструкции динамическое температурное поле. Такое поле является причиной появления значительных местных напряжений и деформаций, трещин, коробления и выпучивания листовых элементов. Известно, что наиболее негативным климатическим фактором, снижающим долговечность металлических конструкций, является низкая температура.
Весьма разнообразно по своему проявлению действие на металлоконструкцию внешней среды. Такие явления как атмосферная коррозия, водородная и радиационная хрупкость металла существенно снижают ее долговечность. Коррозионный износ тонкостенных оболочечных конструкций резервуаров для хранения нефтепродуктов может привести к полной деградации отдельных элементов. Газоабразивная эрозия снижает ресурс авиационных двигателей и энергетических установок, работающих в условиях запыленного воздуха. Под действием нейтронного облучения аустенитные стали в воде склонны к коррозионному растрескиванию.
Состояние конструкции в эксплуатации определяется совокупностью внешних и внутренних факторов, вызывающих в ней процессы деградации разной природы и интенсивности. Отмеченные механические, температурные, физико-химические воздействия относят к внешним факторам. Группу внутренних факторов образуют производственные или технологические и эксплуатационные факторы, отражающие свойства материала и состояние поверхности, качество изготовления и сборки узлов, накопленные усталостные повреждения и пр. Существенное увеличение ресурса безопасной эксплуатации конструкций достигается использованием методов улучшения поверхности. Но затратные упрочняющие технологии существенно повышают сопротивление усталости элементов конструкций в том случае, если обеспечены их качество и надежность. Данные о нагруженности, получаемые при использовании в эксплуатации индивидуальных счетчиков циклов различных типов, являются весьма ценными для уточнения ресурса, особенно при эксплуатации конструкций по техническому состоянию.
Во многих случаях отказ, т.е. нарушение эксплуатационной пригодности конструкции, происходит в результате действия нескольких одновременно протекающих процессов. Но ресурсные показатели в основном определяет усталость - источник наиболее опасных и трудно предсказуемых разрушений большинства машиностроительных конструкций разных отраслей промышленности и транспорта. Поэтому модель развития усталостного повреждения несущей конструкции составляет основу нормирования режимов работы многих машин [84, 94]. Соответствующие методики расчета долговечности конструкций в каждой отрасли разнообразны по структуре и сложности, хотя все они базируются на положениях «классической» теории усталости. Еще большим разнообразием отличаются методики оценки остаточного ресурса, в основе которых лежат десятки независимых представительных параметров циклического состояния материала.