Виды отказов металлических конструкций

Техническое состояние конструкции в процессе эксплуа­тации зависит от совокупности внешних и внутренних фак­торов. Внешними факторами являются механические и фи­зико-химические воздействия. К внутренним факторам от­носятся свойства материала, конфигурация и размеры кон­струкции, качество изготовления, накопленные повреждения и пр. Неблагоприятное сочетание внешних и внутренних фак­торов создает условия для возникновения отказов, т. е. для нарушения эксплуатационной пригодности конструкции. Эти отказы делятся на внезапные, возникающие в результате процессов, которые развиваются за время, пренебрежимо малое по сравнению со сроком службы изделия, и постепен­ные, которые обусловлены медленным изменением состояния объекта за время, сопоставимое со сроком службы.

В большинстве случаев отказ формируется в результате нескольких одновременно протекающих процессов, характер протекания и интенсивность которых зависит от совокупности воздействий и свойств изделия. Так, развитие усталостного повреждения интенсифицируется в коррозионной среде, механический износ ускоряется в условиях низких температур, хрупкому разрушению обычно предшествует усталостное повреждение. Далее кратко рассмотрены ха­рактерные особенности процессов и явлений, приводящих к отказам, и факторы, влияющие на их развитие.

Пластическая деформация возникает при местных или общих перегрузках конструкции, когда напряжения пре­вышают предел текучести, а материал находится в пла­стичном состоянии. Пластическая деформация в небольших объемах не опасна. Она обычно происходит в сварных швах и в зонах концентрации напряжений при первых нагружениях конструкции. Однако значительная пластичность приводит к искажению размеров и формы конструкции, снижению запаса пластичности материала, а при дальнейшем развитии переходит в вязкое разрушение элемента конструкции.

Для защиты от данного повреждения на основании про­ектировочного расчета на прочность выбирают такие размеры и материал конструкции, которые обеспечат невозник- новение чрезмерных пластических деформаций при заданном уровне эксплуатационных нагрузок (п. 7.2).

Хрупкое разрушение происходит в области максимальных растягивающих напряжений, если развитие пластических де­формаций материала затруднено. Факторами, затрудняющи­ми пластическое деформирование, являются низкая темпе­ратура, высокая скорость нагружения и большие толщины элементов конструкции. Опасность хрупкого разрушения связана с тем, что оно может происходить при номинальных напряжениях, меньших предела текучести, и приводить к внезапной потере несущей способности конструкции.

Для предупреждения возникновения хрупких трещин не­обходимо снижать концентрацию напряжений и выбирать стали, сохраняющие пластичность при наименьшей допу­стимой температуре эксплуатации (п. 7.3, 12.3).

Потеря устойчивости (общей и местной) представляет собой искажение плоской или прямолинейной формы де­формирования элемента конструкции под действием сжи­мающих напряжений, сопровождающееся существенным снижением его жесткости. Потере устойчивости подвержены сжатые стержни ферм, изгибаемые балки незамкнутого сечения и сжатые элементы тонкостенных конструкций. Этот вид отказа происходит при перегрузках, сопровождается снижением несущей способности элемента и конструкции в целом.

Устойчивость элементов конструкций обеспечивают вы­бором соответствующих геометрических параметров сечения или установкой ребер жесткости (гл. 9).

Усталостное повреждение постепенно накапливается в зонах концентрации напряжений в процессе циклического нагружения. Усталостное повреждение сначала про­ходит в скрытой форме вплоть до образования начальной трещины. При дальнейшем нагружении размер трещины увеличивается, что может привести к полному разрушению конструкции. Наибольшее влияние на скорость развития усталостного повреждения оказывают концентрация напряжений и амплитуда действующих напряжений.

Для защиты конструкции от усталостного повреждения следует, по возможности, снижать концентрацию напряже­ний, уменьшать амплитуду изменения номинальных напря­жений и обеспечивать качественное изготовление конструк­ции (гл. 10).

Коррозионное повреждение — явление разрушения по­верхности детали в результате химического или электрохи­мического взаимодействия материала со средой. Коррозия приводит к снижению несущей способности конструкции за счет уменьшения сечения конструктивного элемента и об­разования трещин, а также способствует ускорению развития усталостного повреждения. Скорость коррозии возрастает в области контакта двух разнородных металлов, обладающих разными электрическими потенциалами (например, сталь и алюминий), в области концентрации напряжений, в местах скопления грязи и влаги. Большую опасность представляет щелевая коррозия, которая происходит в местах постоянного контакта двух элементов конструкции, например при нарушении герметичности болтовых и заклепочных соединений. При этом продукты коррозии, имеющие больший объем, чем металл, из которого они образовались, распирают стык, что приводит к разрушению узла.

Основным способом защиты несущих конструкций от кор­розии является применение защитных лакокрасочных или металлических покрытий. Конструкции, предназначенные для работы на открытом воздухе, должны быть спроектиро­вана так, чтобы в них не было карманов и желобов, в которыхскапливаются вода, пыль и грязь. Защита от коррозии емкостей и трубопроводов, соприкасающихся с агрессивными жидкостями и газами, рассматривается в специальной литературе.

Изнашивание — постепенное изменение размеров и формы тела в результате удаления частиц материала с его по­верхности или его остаточной деформации при трении о другое тело. Изнашиванию подвержены рабочие органы строительных машин, ходовые части, шарнирные узлы кон­струкций, а также рельсы и направляющие. Изнашиваемые элементы, как правило, делают заменяемыми.

Снижению скорости износа способствуют рациональная конструкция узла трения, обоснованный выбор материалов, термообработка, повышение точности изготовления и монтажа и пр.

Чрезмерные (по величине или времени затухания) упругие деформации несущих конструкций могут приводить к на­рушению работы расположенных на них механизмов, сни­жению производительности машины, а также оказывать вредное воздействие на самочувствие оператора. Необходи­мая жесткость конструкции достигается увеличением мо­ментов инерции сечений.

Ползучесть— непрерывное возрастание деформаций под действием постоянных длительно действующих нагрузок. Скорость ползучести оказывается тем больше, чем выше действующие напряжения и температура конструкции. Другим проявлением ползучести является релаксация, которая заключается в уменьшении остаточных напряжений. Пол­зучесть, релаксация остаточных сварочных напряжений и ремонт с применением сварки приводят к необратимому изменению формы конструкции.

Пластическая деформация, хрупкое разрушение, потеря устойчивости становятся причинами внезапных отказов, а усталостное и коррозионное повреждения, износ и ползучесть —- постепенных. Чрезмерные упругие деформации кон­струкции нарушают процесс нормальной эксплуатации, но не являются повреждением. Они возникают в результате ошибки конструктора. При проектировании необходимо на основании накопленного опыта и анализа условий эксплуатации выбрать из представленного списка виды повреждений, возможные для данной конструкции, и предпринять меры защиты от них.