Инициирование и распространение трещин при циклической нагрузке.

Введение

Начало и распространение трещин в материале вследствие циклической нагрузки.

В материаловедении усталость – это начало и распространение трещин в материале под воздействием циклической нагрузки. После возникновения усталостной трещины она увеличивается на небольшую величину с каждым циклом нагрузки, что обычно приводит к образованию полос на некоторых участках поверхности излома. Трещина продолжает расти до достижения критического размера, что происходит, когда интенсивность напряжения в вершине трещины превышает трещиностойкость материала, вызывая быстрое распространение и, как правило, полный разлом конструкции. Усталость традиционно связывают с разрушением металлических компонентов, что и дало название "усталость металла". В девятнадцатом веке внезапный выход из строя металлических железнодорожных осей объясняли кристаллизацией металла из-за хрупкого вида поверхности излома, однако впоследствии это было опровергнуто. Большинство материалов, таких как композиты, пластмассы и керамика, подвержены разрушению, связанному с усталостью. Для прогнозирования усталостной долговечности компонента проводят испытания на усталость с использованием образцов для измерения скорости роста трещины при приложении циклической нагрузки постоянной амплитуды и усреднения измеренного роста трещины по тысячам циклов. Однако существуют и особые случаи, которые необходимо учитывать, когда скорость роста трещины значительно отличается от полученной при испытаниях с постоянной амплитудой, например, замедленный рост при малых нагрузках вблизи порога или после приложения перегрузки, а также ускоренный рост, связанный с короткими трещинами или после приложения недонагрузки. Значения напряжений, вызывающих усталостное повреждение, обычно значительно ниже предела текучести материала.

Стадии усталости

Исторически усталость разделялась на высокоцикловую усталость, требующую более 10⁴ циклов до разрушения при низких напряжениях и преимущественно упругой деформации, и низкоцикловую усталость, характеризующуюся значительной пластической деформацией. Эксперименты показали, что низкоцикловая усталость также включает рост трещин. Механические разрушения при высокоцикловой и низкоцикловой усталости происходят по одним и тем же основным этапам: зарождение трещины, стадии I и II роста трещины и, наконец, окончательное разрушение. Для начала процесса трещины должны зарождаться внутри материала. Это может происходить либо в концентраторах напряжений в металлических образцах, либо в областях с высокой пористостью в полимерных образцах. Эти трещины сначала медленно распространяются на стадии I роста трещины вдоль кристаллографических плоскостей, где сдвиговые напряжения максимальны. Достигнув критического размера, трещины быстро распространяются на стадии II роста трещины в направлении, перпендикулярном приложенной силе. В конечном итоге эти трещины могут привести к полному разрушению материала, часто внезапному и хрупкому.

Начало трещины

Формирование первоначальных трещин, предшествующих усталочному разрушению, является отдельным процессом, состоящим из четырех дискретных этапов в металлических образцах. Материал развивает клеточные структуры и упрочняется в ответ на приложенную нагрузку. Это приводит к увеличению амплитуды приложенного напряжения из-за новых ограничений на деформацию. Эти вновь образованные клеточные структуры в конечном итоге разрушаются с образованием постоянных скользящих полос (PSB). Сдвиг в материале локализуется в этих PSB, и усиленный сдвиг теперь может служить концентратором напряжений для образования трещины. Зарождение и рост трещины до обнаруживаемого размера составляют основную часть процесса трещинообразования. Именно поэтому циклические усталостные разрушения кажутся такими внезапными, поскольку большая часть изменений в материале не видна без разрушающих испытаний. Даже в обычно пластичных материалах усталостные разрушения будут напоминать внезапные хрупкие разрушения. Скольжение, индуцированное PSB, приводит к образованию внедрений и выдавливаний на поверхности материала, часто возникающих парами. Это скольжение не является микроструктурным изменением внутри материала, а скорее распространением дислокаций в материале. Вместо гладкой поверхности внедрения и выдавливания приводят к тому, что поверхность материала напоминает край колоды карт, где не все карты идеально выровнены. Внедрения и выдавливания, вызванные скольжением, создают чрезвычайно тонкие поверхностные структуры на материале. Поскольку размер поверхностной структуры обратно пропорционален коэффициентам концентрации напряжений, скольжение поверхности, вызванное PSB, может инициировать образование трещин. Эти этапы также могут быть полностью пропущены, если трещины образуются в существующем концентраторе напряжений, например, из-за включения в материал или геометрического концентратора напряжений, вызванного острым внутренним углом или скруглением.

Разрыв

Большая часть ресурса усталости обычно расходуется на стадии роста трещины. Скорость роста в основном определяется размахом циклической нагрузки, хотя дополнительные факторы, такие как среднее напряжение, среда, перегрузки и недогрузки, также могут влиять на скорость роста. Рост трещины может остановиться, если нагрузки становятся достаточно малыми, чтобы опуститься ниже критического порога. Трещины усталости могут зарождаться из дефектов материала или производственных дефектов, начиная с размеров от 10 мкм. Когда скорость роста становится достаточно высокой, на поверхности излома можно увидеть признаки усталостного излома – стриации. Стриации отмечают положение вершины трещины, а ширина каждой стриации соответствует росту за один цикл нагрузки. Стриации являются результатом пластической деформации вблизи вершины трещины. Когда напряжение интенсивности превышает критическое значение, известное как трещиностойкость, происходит неустойчивое быстрое разрушение, обычно посредством процесса микровоидной коалесценции. Перед окончательным разрушением поверхность излома может содержать смесь областей усталостного и быстрого разрушения.

Временная линия истории исследований

1837: Вильгельм Альберт публикует первую статью об усталости. Он разработал испытательную машину для конвейерных цепей, используемых в шахтах Клаусталя. 1839: Жан Виктор Понселе описывает металлы как "уставшие" в своих лекциях в военной школе в Меце. 1842: Уильям Джон Маккворн Рэнкин признает важность концентрации напряжений в своем исследовании поломок железнодорожных осей. Крушение под Версалем было вызвано усталостным разрушением локомотивной оси. 1843: Джозеф Глинн сообщает об усталости оси локомотивного тендера. Он определяет шпоночный паз как источник трещины. 1848: Инспекция железных дорог сообщает об одном из первых случаев разрушения бандажа, предположительно из-за отверстия под заклепку в протекторе колеса железнодорожного вагона. Вероятно, это было усталостное разрушение. 1849: Итону Ходжкинсону выделена "небольшая сумма денег" для представления отчета парламенту Великобритании о его работе по "определению прямым экспериментом влияния многократных изменений нагрузки на железные конструкции и степени, до которой они могут быть нагружены без угрозы их окончательной безопасности". 1854: Ф. Брейтуэйт сообщает о типичных случаях усталостных разрушений при эксплуатации и вводит термин "усталость". 1860: Систематические испытания на усталость, проведенные сэром Уильямом Фэрберном и Августом Вёлером. 1870: А. Вёлер обобщает свои работы по железнодорожным осям. Он приходит к выводу, что диапазон циклических напряжений важнее максимального напряжения и вводит понятие предела выносливости. 1940: Сидни М. Кэдвелл публикует первое строгое исследование усталости резины. 1945: А. М. Майнер популяризирует линейную гипотезу повреждений Палмгрена (1924) как практический инструмент проектирования. 1952: В. Вейбулл. Модель кривой S-N. 1954: Первый в мире коммерческий реактивный авиалайнер, de Havilland Comet, терпит катастрофу: три самолета разрушаются в воздухе, что вынуждает de Havilland и всех других производителей перепроектировать высотные самолеты и, в частности, заменить квадратные проемы, такие как окна, на овальные. 1954: Л. Ф. Коффин и С. С. Мэнсон объясняют рост усталостных трещин с точки зрения пластической деформации в вершине трещины. 1961: П. С. Париж предлагает методы прогнозирования скорости роста отдельных усталостных трещин, сталкиваясь с первоначальным скептицизмом и активной защитой феноменологического подхода Майнера. 1968: Тацуо Эндо и М. Мацуиси разрабатывают алгоритм подсчета циклов "rainflow" и обеспечивают надежное применение правила Майнера к случайным нагрузкам. 1970: Смит, Уотсон и Топпер разрабатывают модель коррекции среднего напряжения, в которой усталостное повреждение в цикле определяется произведением максимального напряжения и амплитуды деформации. 1970: В. Элбер проясняет механизмы и важность закрытия трещин в замедлении роста усталостных трещин за счет клинового эффекта пластической деформации, оставшейся позади вершины трещины. 1973: М. В. Браун и К. Дж. Миллер отмечают, что усталостная долговечность в многоосных условиях определяется опытом плоскости, получающей наибольшее повреждение, и что необходимо учитывать как растягивающие, так и сдвиговые нагрузки на критической плоскости.

1837: Wilhelm Albert publishes the first article on fatigue. He devised a test machine for conveyor chains used in the Clausthal mines. 1839: Jean Victor Poncelet describes metals as being 'tired' in his lectures at the military school at Metz. 1842: William John Macquorn Rankine recognises the importance of stress concentrations in his investigation of railroad axle failures. The Versailles train wreck was caused by fatigue failure of a locomotive axle. 1843: Joseph Glynn reports on the fatigue of an axle on a locomotive tender. He identifies the keyway as the crack origin. 1848: The Railway Inspectorate reports one of the first tyre failures, probably from a rivet hole in tread of railway carriage wheel. It was likely a fatigue failure. 1849: Eaton Hodgkinson is granted a "small sum of money" to report to the UK Parliament on his work in "ascertaining by direct experiment, the effects of continued changes of load upon iron structures and to what extent they could be loaded without danger to their ultimate security". 1854: F. Braithwaite reports on common service fatigue failures and coins the term fatigue. 1860: Systematic fatigue testing undertaken by Sir William Fairbairn and August Wöhler. 1870: A. Wöhler summarises his work on railroad axles. He concludes that cyclic stress range is more important than peak stress and introduces the concept of endurance limit. 1940: Sidney M. Cadwell publishes first rigorous study of fatigue in rubber. 1945: A. M. Miner popularises Palmgren's (1924) linear damage hypothesis as a practical design tool. 1952: W. Weibull An S N curve model. 1954: The world's first commercial jetliner, the de Havilland Comet, suffers disaster as three planes break up in mid air, causing de Havilland and all other manufacturers to redesign high altitude aircraft and in particular replace square apertures like windows with oval ones. 1954: L. F. Coffin and S. S. Manson explain fatigue crack growth in terms of plastic strain in the tip of cracks. 1961: P. C. Paris proposes methods for predicting the rate of growth of individual fatigue cracks in the face of initial scepticism and popular defence of Miner's phenomenological approach. 1968: Tatsuo Endo and M. Matsuishi devise the rainflow counting algorithm and enable the reliable application of Miner's rule to random loadings. 1970: Smith, Watson, and Topper developed a mean stress correction model, where the fatigue damage in a cycle is determined by the product of the maximum stress and strain amplitude. 1970: W. Elber elucidates the mechanisms and importance of crack closure in slowing the growth of a fatigue crack due to the wedging effect of plastic deformation left behind the tip of the crack. 1973: M. W. Brown and K. J. Miller observe that fatigue life under multiaxial conditions is governed by the experience of the plane receiving the most damage, and that both tension and shear loads on the critical plane must be considered.

Правило шахтера

В 1945 году Милтон А. Майнер популяризировал правило, впервые предложенное Арвидом Палмгреном в 1924 году. Оно не учитывает влияние перегрузки или высоких напряжений, которые могут вызвать остаточные сжимающие напряжения, замедляющие рост трещин. Последовательность высокого и низкого напряжения может приводить к меньшим повреждениям благодаря наличию остаточных сжимающих напряжений (или локализованной пластической деформации вблизи вершины трещины).

Метод стрессовой жизни (S-N)

Утомляемость материалов обычно характеризуется кривой S-N, также известной как кривая Вёлера. Она часто строится в виде графика циклического напряжения (S) от числа циклов до разрушения (N) в логарифмическом масштабе. Кривые S-N получают на основе испытаний образцов материала, подлежащего характеризации (часто называемых образцами или купонами), при котором испытательная машина создает регулярное синусоидальное напряжение и подсчитывает количество циклов до разрушения. Этот процесс иногда называют испытанием образцов. Для повышения точности, но снижения обобщенности, используется испытание компонентов. Каждое испытание образца или компонента генерирует точку на графике, хотя в некоторых случаях наблюдается выживание, когда время до разрушения превышает доступное время испытания (см. цензурирование). Анализ данных об усталости требует применения статистических методов, особенно анализа выживаемости и линейной регрессии. На форму кривой S-N может влиять множество факторов, таких как коэффициент напряжений (среднее напряжение), частота нагружения, температура, коррозия, остаточные напряжения и наличие надрезов. Диаграмма постоянного срока службы (CFL) полезна для изучения влияния коэффициента напряжений. Линия Гудмана – это метод, используемый для оценки влияния среднего напряжения на предел усталости. Диаграмма постоянного срока службы (CFL) полезна для изучения влияния коэффициента напряжений на кривую S-N. Кроме того, при наличии постоянного напряжения, наложенного на циклическую нагрузку, соотношение Гудмана может быть использовано для оценки условий разрушения. На графике отображается амплитуда напряжения от среднего напряжения, при этом предел усталости и предел прочности на разрыв материала являются двумя крайними значениями. Альтернативные критерии разрушения включают критерии Содерберга и Гербера. Поскольку образцы, взятые из однородной партии, будут демонстрировать разброс по числу циклов до разрушения, кривая S-N должна быть скорее кривой вероятности цикла напряжения (S-N-P), чтобы отражать вероятность разрушения после заданного числа циклов при определенном напряжении. Для материалов с объемноцентрированной кубической решеткой (ОЦК) кривая Вёлера часто превращается в горизонтальную линию при уменьшении амплитуды напряжения, то есть этим материалам можно присвоить предел усталости. Для металлов с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) кривая Вёлера обычно непрерывно снижается, поэтому этим материалам можно присвоить только предел выносливости.

Materials fatigue performance is commonly characterized by an S N curve, also known as a Wöhler curve. This is often plotted with the cyclic stress (S) against the cycles to failure (N) on a logarithmic scale. S N curves are derived from tests on samples of the material to be characterized (often called coupons or specimens) where a regular sinusoidal stress is applied by a testing machine which also counts the number of cycles to failure. This process is sometimes known as coupon testing. For greater accuracy but lower generality component testing is used. Each coupon or component test generates a point on the plot though in some cases there is a runout where the time to failure exceeds that available for the test (see censoring). Analysis of fatigue data requires techniques from statistics, especially survival analysis and linear regression. The progression of the S N curve can be influenced by many factors such as stress ratio (mean stress), loading frequency, temperature, corrosion, residual stresses, and the presence of notches. A constant fatigue life (CFL) diagram is useful for the study of stress ratio effect. The Goodman line is a method used to estimate the influence of the mean stress on the fatigue strength. A Constant Fatigue Life (CFL) diagram is useful for stress ratio effect on S N curve. Also, in the presence of a steady stress superimposed on the cyclic loading, the Goodman relation can be used to estimate a failure condition. It plots stress amplitude against mean stress with the fatigue limit and the ultimate tensile strength of the material as the two extremes. Alternative failure criteria include Soderberg and Gerber. As coupons sampled from a homogeneous frame will display a variation in their number of cycles to failure, the S N curve should more properly be a Stress Cycle Probability (S N P) curve to capture the probability of failure after a given number of cycles of a certain stress. With body centered cubic materials (bcc), the Wöhler curve often becomes a horizontal line with decreasing stress amplitude, i. e. there is a fatigue strength that can be assigned to these materials. With face centered cubic metals (fcc), the Wöhler curve generally drops continuously, so that only a fatigue limit can be assigned to these materials.

Методы роста трещин

Оценка ресурса компонента при усталости может быть выполнена с использованием уравнения роста трещины путем суммирования приращения ширины трещины для каждого цикла нагружения. Коэффициенты запаса или рассеяния применяются к рассчитаемому ресурсу для учета неопределенности и вариабельности, связанных с усталостью. Скорость роста трещины, используемая в прогнозах роста трещин, обычно определяется путем приложения тысяч циклов постоянной амплитуды к образцу и измерения скорости роста по изменению податливости образца или по измерению роста трещины на его поверхности. Стандартные методы измерения скорости роста были разработаны организацией ASTM International. Уравнения роста трещин, такие как уравнение Париж-Эрдогана, используются для прогнозирования ресурса компонента. Они могут быть использованы для прогнозирования роста трещины от 10 мкм до разрушения. Для обычных производственных покрытий это может охватывать большую часть ресурса компонента, поскольку рост может начаться с первого цикла. Как правило, для выделения циклов из сложной последовательности нагружений используется метод подсчета циклов, например, метод дождевого потока. Этот метод, наряду с другими, показал свою эффективность при использовании с методами роста трещин. Методы роста трещин имеют преимущество в том, что они позволяют прогнозировать промежуточный размер трещин. Эта информация может быть использована для планирования проверок конструкции с целью обеспечения безопасности, в то время как методы на основе напряжений/ресурса дают только расчетный ресурс до разрушения.

Ремонт

Остановка развития трещины. Усталостные трещины, начавшие распространение, иногда можно остановить, просверлив отверстия, называемые стопорами трещины, на острие трещины. Остается вероятность возникновения новой трещины на стенке отверстия. Сглаживание. Небольшие трещины можно сгладить и подвергнуть поверхность холодной обработке давлением или дробеструйной обработке. Увеличение отверстий. Отверстия, из которых растут трещины, можно рассверлить до большего диаметра для удаления трещин и затем вставить в них втулку для восстановления первоначального размера отверстия. Втулки могут быть установлены с натяжением, используя интерференционную посадку, для создания полезных остаточных сжимающих напряжений. Рассверленное отверстие также можно подвергнуть холодной обработке, протягивая через него оправку большего размера. Накладка. Трещины можно отремонтировать путем установки накладки или ремонтной детали. Композитные накладки использовались для восстановления прочности крыльев самолетов после обнаружения трещин или для снижения напряжения перед образованием трещин с целью увеличения ресурса усталости. Накладки могут затруднять контроль усталостных трещин и, возможно, потребуют удаления и замены для проведения осмотров.

Улучшение жизни

Смена материала. Изменения в материалах, используемых для деталей, также могут повысить срок службы при усталости. Например, детали могут быть изготовлены из металлов с улучшенными характеристиками по усталостной прочности. Полная замена и перепроектирование деталей также могут уменьшить, а то и устранить проблемы, связанные с усталостью. Так, металлические лопасти вертолетов и воздушные винты заменяются на эквивалентные из композитных материалов. Они не только легче, но и гораздо более устойчивы к усталости. Они дороже, но дополнительная стоимость полностью окупается их большей надежностью, поскольку потеря лопасти ротора обычно приводит к полной потере летательного аппарата. Аналогичный аргумент приводится в пользу замены металлических фюзеляжей, крыльев и хвостовых оперений самолетов. Создание остаточных напряжений. Обработка поверхности может снизить растягивающие напряжения и создать сжимающие остаточные напряжения, предотвращающие возникновение трещин. Методы обработки включают: дробеструйную обработку с использованием высокоскоростных снарядов, высокочастотную ударную обработку (также называемую высокочастотным механическим воздействием) с помощью механического молотка и лазерную обработку, использующую высокоэнергетические лазерные импульсы. Низкопластичное упрочнение также может использоваться для создания сжимающих напряжений в зонах концентрации напряжений, а холодные оправки – для обработки отверстий. Увеличение срока службы и прочности пропорционально глубине создаваемых сжимающих остаточных напряжений. Дробеструйная обработка создает сжимающие остаточные напряжения глубиной примерно 0,1 мм, в то время как лазерная обработка может достигать глубины от 1 до 2,5 мм и более. Глубокая криогенная обработка. Показано, что применение глубокой криогенной обработки повышает устойчивость к усталостному разрушению. Пружины, используемые в промышленности, автоспорте и огнестрельном оружии, при обработке могут служить в шесть раз дольше. Замедляется тепловая усталость, являющаяся формой термической циклической усталости. Изменение профиля. Изменение формы концентратора напряжения, такого как отверстие или вырез, может быть использовано для увеличения срока службы компонента. Оптимизация формы с использованием алгоритмов численной оптимизации применялась для снижения концентрации напряжений в крыльях и увеличения их срока службы.

Change material. Changes in the materials used in parts can also improve fatigue life. For example, parts can be made from better fatigue rated metals. Complete replacement and redesign of parts can also reduce if not eliminate fatigue problems. Thus helicopter rotor blades and propellers in metal are being replaced by composite equivalents. They are not only lighter, but also much more resistant to fatigue. They are more expensive, but the extra cost is amply repaid by their greater integrity, since loss of a rotor blade usually leads to total loss of the aircraft. A similar argument has been made for replacement of metal fuselages, wings and tails of aircraft. Induce residual stresses Peening a surface can reduce such tensile stresses and create compressive residual stress, which prevents crack initiation. Forms of peening include: shot peening, using high speed projectiles, high frequency impact treatment (also called high frequency mechanical impact) using a mechanical hammer, and laser peening which uses high energy laser pulses. Low plasticity burnishing can also be used to induce compresses stress in fillets and cold work mandrels can be used for holes. Increases in fatigue life and strength are proportionally related to the depth of the compressive residual stresses imparted. Shot peening imparts compressive residual stresses approximately 0.005 inches (0.1 mm) deep, while laser peening can go 0.040 to 0.100 inches (1 to 2.5 mm) deep, or deeper. Deep cryogenic treatment. The use of Deep Cryogenic treatment has been shown to increase resistance to fatigue failure. Springs used in industry, auto racing and firearms have been shown to last up to six times longer when treated. Heat checking, which is a form of thermal cyclic fatigue has been greatly delayed. Re profiling. Changing the shape of a stress concentration such as a hole or cutout may be used to extend the life of a component. Shape optimisation using numerical optimisation algorithms have been used to lower the stress concentration in wings and increase their life.

Утомление композитов

Композитные материалы могут обеспечивать отличную устойчивость к усталостным нагрузкам. В целом, композиты демонстрируют хорошую трещиностойкость и, в отличие от металлов, увеличивают трещиностойкость с ростом прочности. Критический размер повреждения в композитах также больше, чем в металлах. Основным видом повреждения в металлической конструкции является образование трещин. В металлах трещины распространяются относительно предсказуемо в соответствии с приложенным напряжением, и критический размер трещины и скорость ее распространения могут быть определены на основе данных испытаний с использованием аналитической механики разрушения. Однако в композитных конструкциях нет единого доминирующего вида повреждения. Разрушение матрицы, расслоение, отслаивание, образование пустот, разрушение волокон и растрескивание композита могут возникать по отдельности и в комбинации, при этом преобладание того или иного вида в значительной степени зависит от ориентации слоев и условий нагружения. Кроме того, уникальные соединения и крепления, используемые в композитных конструкциях, часто приводят к новым видам разрушения, отличным от характерных для самого ламината. Повреждение композита распространяется менее упорядоченно, и виды повреждений могут изменяться. Практика работы с композитами показывает, что скорость развития повреждений не имеет двух четко выраженных стадий – зарождения и распространения, как это наблюдается в металлах. В металлах существует отчетливый диапазон зарождения трещины, сопровождающийся значительным количественным изменением скорости распространения, в то время как для композитов эта разница менее выражена.

Версальская железнодорожная катастрофа

После празднования короля Людовика Филиппа I во дворце Версаль, поезд, следовавший в Париж, потерпел крушение в мае 1842 года в Медоне из-за поломки оси ведущего локомотива. Вагоны, следовавшие за локомотивом, наехали на поврежденные двигатели и загорелись. По меньшей мере 55 пассажиров погибли, оказавшись в ловушке в запертых вагонах, среди них был исследователь Жюль Дюмон д’Урвиль. Эта катастрофа во Франции известна как "Железнодорожная катастрофа в Медоне". Свидетелем аварии стал британский инженер-локомотивостроитель Джозеф Локк, и о ней широко сообщалось в Великобритании. Инженеры активно обсуждали произошедшее и искали объяснения. Причиной схода с рельсов стала сломанная ось локомотива. Исследование Рэнкина случаев поломки осей в Великобритании выявило важность концентрации напряжений и механизм роста трещин при циклических нагрузках. Его и другие работы, предлагающие механизм роста трещин из-за повторяющихся напряжений, однако были проигнорированы, и количество усталостных разрушений продолжало расти на расширяющейся железнодорожной сети. Другие ошибочные теории казались более убедительными, например, предположение о том, что металл каким-то образом "кристаллизовался". Эта идея основывалась на кристаллическом внешнем виде зоны быстрого разрушения на поверхности трещины, но не учитывала, что металл уже обладал высокой кристаллической структурой.

Комета де Гавилленда

Два пассажирских самолета de Havilland Comet разрушились в воздухе и потерпели крушение с разницей в несколько месяцев в 1954 году. В результате были проведены систематические испытания фюзеляжа, погруженного в резервуар с водой и находящегося под давлением. После эквивалента 3000 полетов следователи из Королевского авиационного заведения (RAE) пришли к выводу, что причиной катастрофы стал отказ герметичной кабины в районе переднего окна автоматического радиопеленгатора на крыше. Это "окно" на самом деле являлось одним из двух отверстий для антенн электронной навигационной системы, в котором вместо оконного "стекла" использовались непрозрачные панели из стекловолокна. Отказ произошел из-за усталости металла, вызванной многократной герметизацией и разгерметизацией кабины самолета. Кроме того, опоры вокруг окон были приклепаны, а не склеены, как это предусматривалось в первоначальных спецификациях самолета. Проблема усугублялась применением технологии клепки высадкой. В отличие от сверлильной клепки, неидеальная форма отверстия, образованного клепкой высадкой, вызывала трещины, связанные с дефектами производства, которые могли стать началом трещин усталости вокруг заклепок. Герметичная кабина Comet была спроектирована с запасом прочности, значительно превышающим требования британских правил гражданской авиации (в 2,5 раза больше давления при испытаниях кабины по сравнению с требуемым значением в 1,33 раза и предельной нагрузкой в 2,0 раза больше давления в кабине), и эта катастрофа привела к пересмотру оценок требований к безопасной прочности герметичных кабин авиалайнеров. Кроме того, было обнаружено, что напряжения вокруг отверстий в герметичной кабине значительно выше, чем предполагалось, особенно вблизи острых углов вырезов, таких как окна. В результате, все будущие реактивные авиалайнеры стали оснащать окнами с закругленными углами, что значительно снижало концентрацию напряжений. Это стало заметной отличительной особенностью всех последующих моделей Comet. Следователи из RAE сообщили на публичном слушании, что острые углы вблизи оконных проемов Comet служили точками начала трещин. Обшивка самолета также была слишком тонкой, и в углах присутствовали трещины, вызванные производственными напряжениями.

Two de Havilland Comet passenger jets broke up in mid air and crashed within a few months of each other in 1954. As a result, systematic tests were conducted on a fuselage immersed and pressurised in a water tank. After the equivalent of 3,000 flights, investigators at the Royal Aircraft Establishment (RAE) were able to conclude that the crash had been due to failure of the pressure cabin at the forward Automatic Direction Finder window in the roof. This 'window' was in fact one of two apertures for the aerials of an electronic navigation system in which opaque fibreglass panels took the place of the window 'glass'. The failure was a result of metal fatigue caused by the repeated pressurisation and de pressurisation of the aircraft cabin. Also, the supports around the windows were riveted, not bonded, as the original specifications for the aircraft had called for. The problem was exacerbated by the punch rivet construction technique employed. Unlike drill riveting, the imperfect nature of the hole created by punch riveting caused manufacturing defect cracks which may have caused the start of fatigue cracks around the rivet. The Comet's pressure cabin had been designed to a safety factor comfortably in excess of that required by British Civil Airworthiness Requirements (2.5 times the cabin proof test pressure as opposed to the requirement of 1.33 times and an ultimate load of 2.0 times the cabin pressure) and the accident caused a revision in the estimates of the safe loading strength requirements of airliner pressure cabins. In addition, it was discovered that the stresses around pressure cabin apertures were considerably higher than had been anticipated, especially around sharp cornered cut outs, such as windows. As a result, all future jet airliners would feature windows with rounded corners, greatly reducing the stress concentration. This was a noticeable distinguishing feature of all later models of the Comet. Investigators from the RAE told a public inquiry that the sharp corners near the Comets' window openings acted as initiation sites for cracks. The skin of the aircraft was also too thin, and cracks from manufacturing stresses were present at the corners.

Перевернутое нефтяное сооружение на платформе Александра Л. Киелланда

Alexander L. Kielland – норвежская полупогружная буровая установка, которая опрокинулась во время работы на нефтяном месторождении Экофиск в марте 1980 года, что привело к гибели 123 человек. Это было крупнейшее бедствие в норвежских водах со времен Второй мировой войны. Установка, расположенная примерно в 320 км к востоку от Данди, Шотландия, принадлежала норвежской компании Stavanger Drilling Company и находилась в аренде у американской компании Phillips Petroleum на момент катастрофы. В проливной дождь и туман, ранним вечером 27 марта 1980 года более 200 человек находились вне смены в жилом отсеке Alexander L. Kielland. Ветер достигал 40 узлов, а высота волн – до 12 метров. Установка только что была отбуксирована от производственной платформы Эдда. За несколько минут до 18:30 находившиеся на борту услышали "резкий треск", за которым последовала "какая-то вибрация". Внезапно установка наклонилась на 30° и затем стабилизировалась. Пять из шести якорных канатов оборвались, а один оставшийся удерживал установку от опрокидывания. Крен продолжал увеличиваться, и в 18:53 последний якорный канат лопнул, и установка перевернулась. Год спустя, в марте 1981 года, отчет о расследовании пришел к выводу, что установка рухнула из-за усталостной трещины в одной из шести ее распорок (распорка D 6), соединявшей разрушенную ногу D с остальной частью установки. Причиной трещины оказался небольшой филе сварной шов толщиной 6 мм, соединявший фланцевую пластину, не воспринимающую нагрузку, с этой распоркой D 6. На этой фланцевой пластине было установлено сонарное устройство, используемое при бурении. Некачественный профиль филе сварного шва способствовал снижению ее усталостной прочности. Кроме того, в ходе расследования было обнаружено значительное количество слоистого разрушения в фланцевой пластине и холодных трещин в стыковом шве. Холодные трещины в сварных соединениях, повышенная концентрация напряжений из-за ослабленной фланцевой пластины, некачественный профиль сварки и циклические нагрузки (которые были обычным явлением в Северном море), по всей видимости, совместно привели к обрушению установки.