Испытания металла на усталость: малоцикловая или многоцикловая — что заказать после поломки детали

Вал насоса отработал полгода и сломался, хотя ни перегрузки, ни аварийного режима в журнале нет. Через месяц та же история со сварным кронштейном, затем лопнули шпильки фланца. Каждый такой отказ — это простой линии, аварийный ремонт и спор с поставщиком, который уверен, что металл в порядке, а виновата эксплуатация. Без доказательной базы претензию не выиграть, а новая партия деталей сломается так же, потому что причина не устранена.

Почти всегда в подобных случаях работает усталость металла: разрушение от многократно повторяющихся напряжений, которые сами по себе ниже предела текучести. Ответить, кто виноват — материал, конструкция или режим работы, — помогают испытания на усталость. Но их два принципиально разных вида, малоцикловые и многоцикловые, и выбор не того метода даёт дорогой и бесполезный протокол. Ниже — чем они отличаются, что даёт каждый для расследования отказа и для проектирования и как поставить задачу лаборатории.

Как понять, что деталь сломалась от усталости

Окончательный вывод делает фрактограф, но первые признаки видны ещё до лаборатории. Усталостный излом обычно состоит из двух зон: гладкой, иногда с концентрическими линиями-«пляжными метками», где трещина медленно росла цикл за циклом, и шероховатой зоны долома, где оставшееся сечение уже не выдержало нагрузку.

• Очаг у концентратора: галтель, шпоночный паз, резьба, отверстие, корень или край сварного шва.
• Нет заметной пластической деформации: деталь не согнута и не вытянута, излом почти плоский.
• Время до отказа: деталь работала месяцы или годы, а не сломалась при первом пуске.
• Повторяемость: одинаковые детали ломаются в одном и том же месте.

Сохраните обе половины излома сухими и без следов зачистки: попытка отмыть или подогнать обломки друг к другу стирает микрорельеф, по которому определяют механизм разрушения. Соберите паспорт детали, сертификат на металл, данные о режиме работы и ремонтах — без них лаборатория будет гадать.

Малоцикловая и многоцикловая усталость: в чём разница

Термины и обозначения в этой области задаёт ГОСТ 23207-78 «Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения». Граница между двумя видами усталости условная и проходит по уровню нагрузки и характеру деформации.

Многоцикловая усталость — напряжения в цикле ниже предела текучести, металл деформируется упруго, до разрушения проходят сотни тысяч и миллионы циклов. Так работают валы, оси, пружины, крепёж под вибрацией, узлы вращающегося оборудования. Главная характеристика — предел выносливости: наибольшее напряжение, которое металл выдерживает без разрушения на заданной базе испытаний.

Малоцикловая усталость — в каждом цикле металл деформируется упругопластически, разрушение наступает за сравнительно небольшое число циклов, обычно до десятков тысяч. Так нагружаются сосуды и трубопроводы при пусках, остановах и опрессовках, узлы с термоциклами, конструкции, испытывающие редкие, но тяжёлые нагрузки. Здесь испытания обычно ведут с управлением по деформации, а результат — кривая зависимости долговечности от размаха деформации.

Сравнение методов испытаний

Таблица помогает выбрать вид испытаний по тому, как деталь реально нагружена в эксплуатации.

Что говорят ГОСТы на испытания на усталость

Базовый документ — ГОСТ 25.502-79 «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость» (с Изменением № 1). Он охватывает и многоцикловую, и малоцикловую области и описывает образцы, виды нагружения (изгиб с вращением, растяжение-сжатие, кручение), требования к машинам и порядок построения кривой усталости. Методы обработки результатов и расчёта характеристик сопротивления усталости даёт ГОСТ 25.504-82.

Для малоцикловых испытаний при одновременном изменении температуры и нагрузки применяют ГОСТ 25.505-85 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении». Для сосудов и аппаратов расчёт на малоцикловые нагрузки ведут по ГОСТ 25859-83, и экспериментальные данные о металле позволяют проверить, насколько расчётные допущения близки к реальности.

База испытаний — число циклов, после которого образец считают неразрушившимся, — для сталей и для лёгких сплавов задаётся по-разному и должна быть прописана в задании. Если её не указать, лаборатория возьмёт привычную для себя, и результаты двух лабораторий окажутся несравнимыми.

Образцы: из детали, из партии металла или натурный узел

Выбор объекта испытаний зависит от вопроса, на который нужен ответ.

1. Стандартные образцы из той же плавки или партии отвечают на вопрос «соответствует ли металл ожиданиям». Это основной путь, если спор идёт с поставщиком материала.
2. Образцы, вырезанные из сломанной детали или её двойника, показывают свойства металла после реальной термообработки и обработки поверхности. Ограничение — размер детали: из тонкой стенки или мелкого болта стандартный образец не вырезать.
3. Натурные испытания детали или сварного узла учитывают концентраторы, остаточные напряжения и качество поверхности. Они ближе всего к эксплуатации и лучше всего доказывают, что виновата конструкция, но требуют оснастки под конкретную деталь.
4. Сравнительные испытания двух вариантов — старого и доработанного узла, двух поставщиков, двух технологий сварки — дают прямой ответ, помогла ли доработка.

Испытания на вибрацию, которые часто путают с усталостными, — это проверка изделия на воздействие вибрации по заданному спектру и времени. Они показывают, выдерживает ли изделие условия эксплуатации, но не дают характеристик металла. Если нужен предел выносливости, заказывать надо именно испытания на усталость.

Связь с фрактографией и металлографией

Циклические испытания металлов на усталость редко ставят изолированно. При расследовании отказа их собирают в цепочку, где каждый метод закрывает свой вопрос.

• Фрактография подтверждает усталостный механизм, находит очаг и направление роста трещины, оценивает долю зоны долома — по ней судят, был ли уровень напряжений высоким.
• Металлография показывает структуру, неметаллические включения, обезуглероживание, дефекты сварки и термообработки в зоне очага.
• Химический анализ и твёрдость проверяют соответствие марки и режима термообработки документам.
• Усталостные испытания отвечают на количественный вопрос: какой ресурс даёт этот металл при этом уровне нагрузки и хватает ли его.

Если металлография нашла крупные включения в очаге, а испытания образцов показали предел выносливости ниже ожидаемого, вывод о вине материала становится доказательным. Если металл в норме, а натурный узел ломается, проблема в конструкции или режиме, и дальше нужен расчёт напряжений и, при необходимости, тензометрия на работающем оборудовании.

Типичные ошибки при заказе испытаний

1. Заказ без вопроса. Задание «провести испытания на усталость» без цели исследования даёт протокол, который ничего не доказывает в споре.
2. Не тот вид усталости. Многоцикловые испытания для детали, которая разрушилась от пусков и остановов, покажут хороший запас и уведут расследование в сторону.
3. Не указаны коэффициент асимметрии цикла, вид нагружения и база. Результаты несравнимы с расчётом и с данными другой лаборатории.
4. Слишком мало образцов. Усталость имеет большой разброс, по двум-трём образцам статистически надёжный вывод не сделать.
5. Испытания без фрактографии излома детали. Нельзя проверить, совпадает ли механизм разрушения образцов и реальной детали.
6. Испорченные изломы. Зачищенные или подогнанные половинки уже не расскажут о причине.

Что определяет стоимость и сроки

Цену испытаний на усталость называют только после разбора задачи, и вот от чего она зависит:

• Число точек кривой и образцов: каждая точка — отдельный образец и машинное время.
• База испытаний и частота нагружения: многоцикловые испытания на большой базе занимают машину надолго.
• Изготовление образцов: вырезка из детали, механическая обработка, требования к шероховатости.
• Температура и среда: испытания при нагреве, в коррозионной среде или с термоциклами сложнее и дольше.
• Натурные испытания: разработка оснастки под конкретный узел.
• Сопутствующие исследования: фрактография, металлография, химический анализ, итоговое заключение о причинах отказа.

С чего начать: техническое задание для лаборатории

1. Сформулируйте вопрос: виноват ли материал, проверить доработанную конструкцию, получить данные для расчёта ресурса.
2. Опишите нагружение в эксплуатации: вид нагрузки, частота, число пусков и остановов, температура, среда.
3. Укажите вид усталости и метод: многоцикловая или малоцикловая, по какому ГОСТу, коэффициент асимметрии, база испытаний.
4. Определите объект: стандартные образцы из партии, вырезка из детали или натурный узел, количество образцов.
5. Добавьте сопутствующие исследования изломов и структуры, если цель — установить причину отказа.
6. Оговорите результат: протокол испытаний или заключение с выводом о причинах и рекомендациями.

Если после поломки детали нужно доказательно установить причину — вина материала, конструкции или режима работы, — испытания на усталость должна ставить лаборатория, которая работает и с изломами, и со структурой металла. Найти исполнителя можно на площадке-агрегаторе «Ресурс-Плюс»: разместите бесплатную заявку в разделе научно-исследовательских работ, лаборатории и исследовательские организации откликнутся сами с ценой и сроками, а договор вы заключите напрямую, без комиссии. Сама площадка испытания не проводит. Опишите деталь, характер отказа и режим работы в форме ниже.