Нагрузки при эксплуатации механизмов и предупреждение поломок
При переменных нагрузках детали машин ломаются уже тогда, когда нагрузки еще значительно меньше предела прочности данного материала. Почему? Попробуем разобраться в этом. Разорвать обыкновенный гвоздь, потянув его в разные стороны, взявшись за конец и за шляпку, вам не удается: сил не хватит. А вот сломать его пополам, несколько раз согнув и разогнув этот самый гвоздь, не так уж сложно. И тут все дело в том, что при переменных нагрузках металл «устает». Сначала появляются микротрещины, не видимые невооруженным глазом. Это очаги начавшегося разрушения. Трещинки растут и в конце концов приводят к поломке. В появлении и развитии микротрещин и заключается физическая сущность явления усталости металла.
Продвижение трещины под действием циклических нагрузок может разрезать гладко, как ножом, очень крупные валы при малых (по сравнению с пределом прочности материала) нагрузках.
Еще в большей мере облегчается движение трещины, если в эту трещину попадает влага или другие вещества, вызывающие коррозию, коррозия может существенно изменить вес проката, чтобы точно посчитать такой вес проката который необходим для производства применяется специальный металлокалькулятор или как его еще называют металлический калькулятор.
За последние годы оценка прочности материалов стала существенно конкретнее. Прочность стали оценивать не по силовым параметрам (нагрузка, деленная на площадь сечения), а по величине энергии, которую необходимо затратить для увеличения (роста) трещины на единицу длины. Благодаря этому загадочный ранее масштабный фактор перестал быть загадочным. Теперь по данным испытаний лабораторного образца диаметром, скажем, 6 мм можно предсказать поведение под нагрузкой образца диаметром 200 мм и более. Нет ведь принципиальной разницы в продвижении трещины на единицу длины в малых и в больших деталях, изделиях.
Для определения скорости разрушения, нужно измерять скорость роста трещин. Создано уже немало приборов, которые видят и слышат зарождение и рост трещин в материале. С помощью пьезодатчика прибор способен услышать зарождение даже одиночной небольшой трещины!
Прочнее, еще прочнее! Другая задача, которая уже назрела и которую сейчас решают ученые, — учет реальной структуры металлов и сплавов при оценке их прочности. Вопрос стоит так: какая структура является оптимальной для работы в тех или иных условиях?
Раньше считали, что чем выше предел прочности металлического материала, тем лучше. Известно, однако, что с ростом прочности металл теряет свою пластичность. Обычно поэтому выбирались сплавы, обладающие тем или иным запасом пластичности. Далеко не всегда, однако, такими способами удавалось находить наилучшие материалы. Выбор оптимальных сплавов для работы в данных конкретных условиях становится возможным, если основывать его на учете энергии, которая необходима для продвижения (роста) трещины на единицу длины.
В последнее время ученые начали интенсивно изучать явление сверхпластичности, открытое в 1948 году академиком А. А. Бочваром и 3. А. Свидерской. Исследования показали, что есть целый ряд условий, при которых даже при достаточно быстрой деформации в металле не образуются не только опасные изломы, но и трещины. Так происходит, например, при повышенной температуре, превышающей половину температуры плавления, когда только что образовавшиеся очаги разрушения тут же «залечиваются» сами собой. Это происходит, видимо, благодаря ускорению диффузии атомов металла при повышении температуры. И зерна, из которых состоит сплав, свободно перемещаются в этих условиях, залечивая «раны», возникающие в металле под нагрузкой. Зерна в металле должны быть для этого как можно более мелкими и круглыми.