zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-6-40-47zldm-1223Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSФрактодиагностика технических объектов, разрушившихся при эксплуатации на севереFractographic diagnostics of technical objects fractured when operating in the NorthЯковлеваС. П.YakovlevaS. P.

Софья Петровна Яковлева

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Sofia P. Yakovleva

ul. Oktyabrskaya 1, Yakutsk, 677980

spyakovleva@yandex.ruМахароваС. Н.MakharovaS. N.

Сусанна Николаевна Махарова

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Susanna N. Makharova

ul. Oktyabrskaya 1, Yakutsk, 677980

Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАНРоссияV. P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation2020210620208664047Copyright © Яковлева С.П., Махарова С.Н., 20202020Яковлева С.П., Махарова С.Н.Yakovleva S.P., Makharova S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1223

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.

Fractographic diagnostics of accidental damage provides data of expert importance which can be used in developing recommendations regarding of accident prevention, improving the reliability and performance of mechanical engineering products and structures in various operating conditions. The goal of the study is fractographic diagnostics of the nature and causes of premature destruction of technical devices and facilities operating in climatic conditions of the North and being the sources of increased technogenic danger, i.e., an automobile gas cylinder and a wind power plant. Using the basic principles of metal science, metal physics, strength and fracture mechanics, the localization of initial cracks we revealed the micromechanisms of crack formation, localization and development and restored the general picture of the fracture. It is shown that the main physical and mechanical causes of the gas cylinder damage are associated with the coarsening and inhomogeneity of the intermetallide phase distribution in the material of the inner metal shell («liner») and with the increased roughness of the internal surface which formed a system of stress microconcentrators. The reason for the collapse of a wind generator was lack of penetration in welded joints of the support structure being the place of origin of the initial cracks. The main fracture mechanism in both cases is time-evolving process of the metal fatigue initiated by technological micro-and macro-defects. The stage of the final destruction of a gas cylinder exhibited a dynamic character realized through the formation of a system of viscous cracks in the liner with their subsequent merging and fragmentation of the liner. The attained critical level of the fatigue crack development caused the onset of the ultimate state of the structure of a wind generator tower resulted in subsequent brittle fracture. The described destructions relate to gradual failures as they are caused by inherent technological defects rather than by external impacts. The results of the study can be used to improve the performance of the considered objects, ensure their operational safety and promote developing of compensating measures.

газотопливный баллонветроэнергетическая установкаэксплуатационное разрушениефрактографиятехнологические дефектыусталостные трещиныgas fuel cylinderswind power plantoperational failurefractographytechnological defectsfatigue cracksReferencesБотвина Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука, 2008. — 334 с.Botvina L. R. Destruction: Kinetiics, Mechanisms, Common Pattern. — Moscow: Nauka, 2008. — 334 p. [in Russian].Гордеева Т. А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. — М.: Машиностроение, 1978. — 200 с.Gordeeva T. A., Zhegina I. P. Analysis of damages in estimating the materials reliability. — Moscow: Mashinostroenie, 1978. — 200 p. [in Russian].McEvily A. Metal Failures: Mechanisms, Analysis, Prevention. — New-York: John Wiley & Sons, 2002. — 336 p.McEvily A. Metal Failures: Mechanisms, Analysis, Prevention. — New-York: John Wiley & Sons, 2002. — 336 p.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.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.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.Makhutov N. A., Matvienko Yu. G. Modeling and fracture criteria in current problems of strength, survivability and machine safety / Probl. Mashinostr. Nadezhn. Mashin. 2014. N 3. P. 80 – 89 [in Russian].Лыглаев А. В., Большаков А. М. Хладостойкость (метод инженерной оценки). — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. — 195 с.Lyglaev A. V., Bolshakov A. M. Cold resistance (engineering assessment method). — Novosibirsk: Izd. SO RAN, 2011. — 195 p. [in Russian].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.Chikishev E. M. Economic and environmental aspects of the operation of compressed natural gas and gasoline vehicles at low air temperatures / Avtotransp. Predpr. 2010. N 1. P. 43 – 45 [in Russian].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.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.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.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.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.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.Demir H., Gunduz S. The effects of aging on machinability of 6061 aluminum alloy / Mater Des. 2009. N 30. P. 1480 – 1483.Demir H., Gunduz S. The effects of aging on machinability of 6061 aluminum alloy / Mater Des. 2009. N 30. P. 1480 – 1483.Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. — Oxford: Elsevier, 2002. — 369 p.Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. — Oxford: Elsevier, 2002. — 369 p.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.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.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.RD 50-672–88. Methodical instructions. Calculations and strength tests. Classification of metal fracture types. USSR State Committee for Standards. — Moscow: Izd. standartov, 1989. — 22 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.