Фрактодиагностика технических объектов, разрушившихся при эксплуатации на севере

Фрактодиагностика аварийных разрушений позволяет получить данные, имеющие экспертную значимость, а также необходимые для разработки рекомендации по предотвращению аварий, повышения надежности и работоспособности изделий машиностроения и металлоконструкций в различных условиях эксплуатации. Цель работы — выявление методами фрактодиагностики причин преждевременного разрушения технических объектов, эксплуатирующихся в природно-климатических условиях Севера и являющихся источниками повышенной техногенной опасности — автомобильного газового баллона и ветроэнергетической установки. Методами металлографии и фрактографии с использованием основных положений металловедения, физики металлов, физики прочности и разрушения установлена локализация начальных трещин, выявлены микромеханизмы их образования и последующего развития, описана общая картина разрушения. Показано, что основные физико-механические причины разрушения баллона связаны с огрублением и неоднородностью распределения интерметаллидной фазы в материале металлической оболочки (лейнере) и с повышенной шероховатостью ее внутренней поверхности, что создало на ней систему микроконцентраторов напряжений. Причиной обрушения ветрогенератора послужили непровары в сварных соединениях опорной конструкции, на которых зародились начальные трещины. Основной механизм разрушения в обоих случаях — развивающаяся во времени усталость металла, инициированная технологическими микро- и макродефектами. Стадия окончательного разрушения баллона носила динамический характер и включала образование в лейнере системы вязких трещин, их слияние и последующую фрагментацию лейнера. В башне ветрогенератора достижение критической длины усталостной трещины обусловило наступление предельного состояния конструкции и ее последующее хрупкое разрушение. Приведенные примеры разрушений относятся к постепенным отказам, так как обусловлены не внешними причинами, а проявлением заложенных технологических дефектов. Результаты работы могут быть использованы для повышения работоспособности исследованных объектов, обеспечения безопасности их эксплуатации и разработки компенсирующих мероприятий.

1. Ботвина Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука, 2008. — 334 с.

2. Гордеева Т. А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. — М.: Машиностроение, 1978. — 200 с.

3. McEvily A. Metal Failures: Mechanisms, Analysis, Prevention. — New-York: John Wiley & Sons, 2002. — 336 p.

4. McCullougha R. R., Jordona J. B., Allisona P. G., et al. Fatigue crack nucleation and small crack growth in an extruded 6061 aliminum alloy / International Journal of Fatigue. 2019. Vol. 119. P. 52 – 61.

5. Махутов Н. А., Матвиенко Ю. Г. Моделирование и критерии разрушения в современных проблемах прочности, живучести и безопасности машин / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2014. № 3. С. 80 – 89.

6. Лыглаев А. В., Большаков А. М. Хладостойкость (метод инженерной оценки). — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. — 195 с.

7. Чикишев Е. М. Экономические и экологические аспекты эксплуатации транспортных средств на компримированном природном газе и бензине в условиях низких температур воздуха / Автотранспортное предприятие. 2010. № 1. С. 43 – 45.

8. Khan M. I., Yasmin T., Shakoor A. International experience with compressed natural gas (CNG) as environmental friendly fuel / Energy Systems. 2015. N 6(4). P. 507 – 531. DOI: 10.1007/s12667-015-0152-x.

9. Ozturk F., Sisman A., Toros S., Kilic S., Picu R. C. Influence of aging treatment on mechanical properties of 6061 aluminum alloy / Materials and Design. 2010. N 31. P. 972 – 975.

10. Marioara M., Nordmark H., Andersen S. J., Holmestad R. Post-b phases and their influence on microstructure ad hardness in 6xxx Al – Mg – Si alloys / J. Mater Sci. 2006. N 41. P. 471 – 478.

11. Demir H., Gunduz S. The effects of aging on machinability of 6061 aluminum alloy / Mater Des. 2009. N 30. P. 1480 – 1483.

12. Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. — Oxford: Elsevier, 2002. — 369 p.

13. Bunsell A. R., Barbier F., Thionnet A., Zejli H., Besançon B. Damage Accumulation and Lifetime Prediction of Carbon Fiber Composite Pressure Vessels / Proc. of the ASME Conf. on Pressure Vessels & Piping Division. Vol. 6. Parts A and B. — Washington, USA, 2010. P. 303 – 310. DOI: 10.1115/PVP2010-25978.

14. РД 50-672–88. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. Государственный комитет СССР по стандартам. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 22 с.