Понятие о процессе разрушения деталей

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ

СЕРВИСНЫХ ПОТРЕБНОСТЕЙ

Значительная часть отказов (60-75%) обусловлена закономерным изменением технического состояния элементов вследствие процессов изнашивания, усталости, коррозии, пластического деформирования. Поэтому для определения нормативов обеспечения работоспособности машин необходимо обосновать закономерности изнашивания, усталости, коррозии в процессе эксплуатации, под которыми понимаются физически обоснованные математические зависимости (модели), описывающие процесс увеличения износа, макрогеометрических отклонений, глубины (длины) трещины, площади выкрашивания, глубины и площади поражения деталей коррозией.

В области трения, изнашивания, усталости и коррозии деталей машин в настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал. В настоящей работе не ставится цели установления моделей изнашивания, усталости и коррозии, а предусмотрено лишь на основе анализа результатов исследований в этих областях обосновать характер зависимостей (математические модели) указанных показателей изнашивания, усталости, коррозии от пути трения, времени работы, числа циклов нагружения.

Характер зависимостей должен быть достаточно простым, пригодным для практического прогнозирования ресурса элементов автомобиля, и в то же время достаточно аргументированным, а не просто установлен по результатам аппроксимации экспериментальных данных. Поскольку указанные зависимости носят стохастический характер, то тип зависимостей устанавливается лишь для их детерминирующих составляющих.

 

Элементы механики разрушения деталей

 

В процессе эксплуатации машин происходит не только изменение геометрических размеров и формы деталей в результате изнашивания, изменяются физико-химические свойства материала (масла, антифрикционного слоя вкладышей, зубьев шестерен, полуоси, кузова, лакокрасочных покрытий), на поверхности образуются трещины. При отсутствии контроля над состоянием деталей их прочность нарушается и происходит отказ (разрушение), который часто называют внезапным. Однако такие отказы, возможно, прогнозировать во времени, так как известны закономерности и хрупкого и усталостного разрушений. Отрасль науки, изучающая процессы при хрупком и усталостном разрушении называется механикой разрушения.

Предметом механики разрушения является изучение закономерностей возникновения, роста и взаимодействия трещин. Как раздел науки о прочности механика разрушения возникла в начале ХХ века. Это отражено в трудах таких учёных как А.Ф. Иоффе, Г.В. Колосов, К. Инглис, А.А. Гриффитс и других.

Так как в процессе эксплуатации машины детали разрушаются из-за нарушения прочности в результате возникновения и развития трещин, коррозии, то необходимо знать сущность хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения деталей, способы их обнаружения и замедления. Для этого необходимо рассмотреть понятия о процессе разрушения детали, моделирование процесса разрушения металлических деталей, зависимость интенсивности усталостных разрушений от условий нагружения, коррозионное и эрозионное разрушение деталей машины.

 

Понятие о процессе разрушения деталей

 

Процессом принято называть совокупность последовательных изменений какого-либо свойства объекта, в данном случае прочности детали. Процессы изменения прочностных свойств деталей, как и все процессы в металлах, диэлектриках и полупроводниках в современных условиях описывают с помощью зонной теории, которая составляет основной раздел квантовой механики твердых тел.

Основой разрушительного процесса является физическая или химическая кинетика, знание образования и развития которой позволит построить модель процесса и находить пути управления им.

Кинетика разрушения деталей механизмов и машин (интенсивность процессов, протекающих при нарушении равновесного состояния) в значительной степени зависит от дефектов кристаллической решетки, диффузии старения и усталости материалов. Остановимся подробнее на этих факторах.

1. По современным представлениям причиной начала разрушений являются дефекты кристаллической решетки. Это - точечные дефекты - вакансии, одномерные (линейные) – дислокации, двухмерные (поверхностные) дефекты по границам зерен, трехмерные дефекты – пустоты, включения и т.д.

Вакансии (рис. 2.1) в реальных кристаллах непрерывно образуются и исчезают под действием тепловых флуктуаций, то есть случайных отклонений от средних значений.

Линейные дефекты кристаллов – дислокации (рис. 2.2) появляются при нарушении правильного чередования атомных плоскостей. Они снижают прочность кристаллов на несколько порядков. Процессы возникновения – развития дислокаций сложны, поэтому пока нет возможности точно предсказывать прочность твердых тел. Можно только охарактеризовать процессы деформации, разрушения и упрочнения твердых тел.

 

 

 

Рис. 2.1. Примеры вакансий: две элементарные ячейки решётки

NaCl (а); межузельный ион Na (катион) (б); вакантный узел Cl

(анионная вакансия) (в) [133]

 

Рис. 2.2. Образование краевой дислокации в кристалле [133]

 

В результате усталости наблюдаются структурные изменения на микроскопическом и субмикроскопическом уровнях. У линий скольжения при внутризёренном разрушении и у границ зерен при межзёренном разрушении возникает скопление дислокаций. Эти скопления способствуют возникновению микротрещин в зонах высокой концентрации дислокаций за счет перехода линий скольжения от зерна к зерну. Полосы скольжения, дислокационные изменения, субмикроскопические трещины возникают при напряжениях ниже предела выносливости, но в большем числе случаев не получают развития вследствие затухания процесса накопления повреждений и наступления равновесных состояний.

Дислокации обязательно или замыкаются сами на себя или выходят на поверхность кристалла. Это является источником внутренних напряжений. Вокруг дислокаций создается поле с определенной потенциальной энергией.

2. При тепловом движении частиц возникает диффузия твердых тел, самопроизвольное выравнивание концентрации в системе. Это процесс равновесного распределения концентраций внутри фаз. Количественно процесс диффузии характеризуют коэффициентом диффузии - количеством вещества, проходящего в единицу времени через единицу площади при наличии градиента концентрации, равного единице.

В настоящее время установлено, что и при напряжениях, меньше предела упругости происходит пластическая деформация, а разрушение металла – это не критическое событие, а постепенный кинетический термореактивный процесс. При деформировании твердого тела механическая энергия необратимо переходит в теплоту в процессе внутреннего трения, что порождает дефекты, снижающие прочность. Процесс этот необратимый, следовательно, его нельзя устранить.

3. Процесс механического разрушения тесно связан с процессами старения и усталости материалов. Старение материалов – это процесс изменения строения и свойств материалов, происходящих либо при длительной выдержке самопроизвольно при обычной температуре, либо при нагреве при искусственном старении. Старение это самопроизвольный процесс перехода материала из метастабильного состояния в стабильное, при этом происходит перемещение атомов в металле, изменяется кристаллическая структура. У материала в метастабильном состоянии имеется повышенный уровень внутренней энергии по сравнению со стабильным.

В общем виде по Р. Хивиленду старение может быть описано уравнением

, (2.1)

где σ - мгновенная прочность материала в данный момент; σ₀ - начальная прочность материала; - параметр, зависящий от материала; U - энергия активации; E - энергия реакции; τ – время (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Изменение прочности материала в процессе старения

 

Из этого уравнения видно, что в результате старения со временем прочность материала снижается по экспоненте

(2.2)

 

4. За характеристику прочности материала обычно принимают сопротивление разрыву или точнее напряжение σ_к, при котором наступает разрыв. Практически сопротивление разрыву при одновременном нарушении (разрыве) всех межатомных связей на поверхности разрыва составляет 0,1 Е (Е – модуль Юнга). Реальная же величина сопротивления разрыву на несколько порядков ниже из-за неравномерного распределения внутренних напряжений и других факторов.

Процесс разрушения в напряженном теле развивается под действием тепловых флуктуаций. Это завершающий этап постепенного развития и накопления субмикроскопических разрушений. Для описания процесса разрушения используется теория хрупкой прочности, которая причиной разрушения принимает микротрещину, возникающую при гармоническом типе нагружения.

Процесс усталостного разрушения металла связан с наличием и образованием вакансий и дислокацией в кристаллической решетке, скопление которых приводит к образованию субмикротрещин, а затем микро- и макротрещин.

Процесс усталости делят на три периода: упрочнение, разупрочнение, разрушения. В первый период трещин нет, во втором они развиваются. Причем, этот период значителен по величине (до 90% времени детали работают с видимыми трещинами).

Закономерности усталостного разрушения металлов связаны с циклическими деформациями и энергетическими критериями усталостного разрушения. Усталостное разрушение наступает при критическом значении суммарной необратимо рассеянной энергии. Величина энергии равна предельной работе деформации при статическом нагружении. Аналитически связь между величинами суммарной рассеянной энергии и амплитуды напряжения степенная

, (2.3)

где Д_∑ - суммарная рассеянная энергия; σ_к, - сопротивление разрушенного при одноразовом нагружении σ_а - амплитуда колебания напряжения при циклическом нагружении (рис. 2.4)

 

. (2.4)

Рис. 2.4. Циклические изменения напряжения во времени

 

Из зависимости (2.3) видно, что суммарная необратимо рассеянная энергия обратно пропорциональна четвертой степени амплитуды напряжения. Прочность детали зависит не только от нагрузки, но и от температуры, от вида нагружения, технологических и конструктивных факторов, от исходных механических свойств материала детали.

В современных расчетах на прочность основным является критерий прочности, который принимают в зависимости от типа материала и условий эксплуатации.

Теоретическая прочность, полученная на основании данных о силе сцепления атомов в твердом кристаллическом теле, в десятки и сотни раз больше технической прочности, полученной при испытании образцов. Объяснение этому дал А.Ф. Иоффе в 1920г. На примере кристалла каменной соли: до погружения в горячую воду прочность составляла несколько кг/мм², а после погружения – около 200 кг/мм², только в два раза меньше теоретической. Горячая вода сняла поверхностный слой, а с ним и многочисленные трещины, царапины и другие дефекты. Исправление дефектной структуры кристалла увеличивает его прочность на несколько порядков и приближает к теоретической. Исследование образования и развития трещин является одной из задач механики разрушения. Механика разрушения включает в себя ту часть науки о прочности, которая связана с изучением несущей способности тела, либо без учета, либо с учетом начального распределения трещин, а также с изучением различных закономерностей развития трещин.

Механические свойства материала характеризует в первую очередь диаграмма (рис. 2.5.) статического деформирования (зависимость деформации от приложенных напряжений), основой которой является закон Гука.

 

 

Рис. 2.5 Диаграмма растяжения образца

 

Пределу текучести σ_Т, пределу прочности σ_в и сопротивлению разрыва σ_к соответствуют деформации, е_в, и е_к (е_в - предельная деформация до образования шейки, е_к - местная наибольшая деформация в шейке при разрыве). Для материалов, которым не свойственно образование шейки (например, бронза) е_в = е_к. Продолжение прямолинейного участка диаграммы до пересечения с ординатой дает значение напряжения, близкое к σ_Т, а тангенс угла наклона линейного участка составляет

 

G _т = tan α = (σ_к-σ _т ) / е_к. (2.5)

 

Величина G_Т является модулем упрочнения, который для металлов на один-два порядка меньше модуля упругости Е, характеризующее сопротивление упругим деформациям (Е= tan β = σ _т / е _т).

Характеристикой пластичности ψ является уменьшение поперечного сечения F_к шейки перед разрушением к исходной площади F₀ (рис. 2.6). Основные этапы развития деформаций и разрушения образца при увеличении напряжений растяжения показаны на рис. 2.6. В пределах упругости отсутствует остаточная деформация, которая появляется после превышения предела текучести. При достижении предела прочности на образце образуется шейка, что является признаком безвозвратной потери работоспособности. При достижении сопротивления разрыву образец разрушается.

 

Рис. 2.6. Схема этапов нагружения образца при растяжении

 

Ψ = (F₀-F_к) / F₀. (2.6)

 

Чаще всего процесс разрушения не является внезапным. Внезапным (мгновенным) является факт разрушения (разрыва образца на рис. 2.6). Ему предшествует процесс микропластического или пластического деформирования, по изучению которого можно прогнозировать разрушение. Пластическая деформация при нагружении уменьшается, и вязкое разрушение становится хрупким (неуправляемым, внезапным) при следующих условиях:

1. По мере приближения напряженного состояния к всестороннему (объемному) нагружению (для получения хрупкого разрушения, связанного с эффектом объемного растяжения, применяют образцы с надрезом). На участках резких переходов, входящих углов, подрезов, вызывающих местную концентрацию напряжений, максимум которых в 2-5 раз превышают средний уровень напряжений, действующих в этом сечении. Степень повышения напряжения зависит от вида и формы ослабления сечения детали. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переходы и острее подрезы, тем выше максимальное напряжение (рис. 2.7, 1).

Рассмотрим схему возникновения концентрации напряжений. При растягивании бруса 2 силой P (рис. 2.7) нагрузка равномерно распределяется по сечению. В каждой точке сечения нагрузка передаётся силами внутренних связей материала с соседними точками. Траектории передачи нагрузки от точки к точке вдоль тела детали называют силовыми линиями, а совокупность последних – силовым потоком. Силовые линии непрерывны и не могут оборваться, что означало бы начало разрушения. Поэтому число силовых линий должно быть одинаковым в любом сечении детали.

 

 

Рис. 2.7. Схемы концентраций напряжений

 

Плотность силового потока (число линий на единицу площади поперечного сечения) определяет напряжение [129]. Если сечение детали 3 уменьшается, например отверстием, то плотность потока и напряжения увеличиваются. Наряду с этим силовые линии, обходя отверстие, искривляются и, стремясь замкнуться по кратчайшему пути, сгущаются вблизи отверстия. Растягиваемые волокна подвергаются изгибу, сходясь по направлению к центру отверстия и вызывая его овализацию. На стороне волокон, обращённой к отверстию, возникают напряжения растяжения, складывающиеся с общими напряжениями растяжения. Напряжения максимальны у стенок отверстия, где кривизна силовых линий наибольшая и изгиб волокон в наименьшей степени сдерживается смежными волокнами. По мере удаления от отверстия напряжения изгиба снижаются вследствие снижения изгибающего момента и тормозящего действия смежных волокон. Поэтому максимум напряжений возникает у стенок отверстия. По мере удаления от отверстия напряжения снижаются.

Максимальное напряжение и его градиент зависят от кривизны силовых линий. При увеличении диаметра отверстия в брусе неизменного сечения возрастают как средние, так и максимальные напряжения в опасном сечении. Концентрацию напряжений можно существенно снизить спрямлением силового потока за счёт отверстия эллиптической формы (рис. 2.7, 5).

Аналогично воздействуют и вырезы по сторонам бруса (рис. 2.7, 6-10), возле которых силовые линии искривляются и сгущаются, что вызывает скачок напряжений у вырезов. Концентрацию напряжений можно ослабить путём придания вырезам плавных очертаний (рис. 2.7, 7, 8, 10).

2. При понижении температуры (рис. 2.8), по результатам исследования А.Ф. Иоффе, это объясняется существенным возрастанием при понижении температуры сопротивления пластическим деформациям и приближением предела текучести σ_Т к сопротивлению разрыву σ_к, которое с понижением температуры можно считать постоянным.

Рис. 2.8. Изменение механических характеристик металла

при снижении температуры.

При критической температуре t_кр предел текучести σ_Т, предел прочности σ_в по величине равны сопротивлению разрыву σ_к, шейка не образуется (сужение шейки Ψ приближается к нулю) – хрупкое разрушение возникает в пределах упругих деформаций металла. Критерием такого разрушения является номинальное растягивающее напряжение.

3. При повышении скорости деформирования

(2.7)

где τ – время.

С ростом существенно повышается сопротивление пластическим деформациям (сопротивление упругим деформациям почти не зависит от ), разрушение становится более хрупким (рис. 2.9), .

Рис. 2.9. Влияние скорости деформирования на остаточную деформацию

 

4. При увеличении размера зерен и ослаблении прочности их границ уменьшается σ_к, следовательно, повышается критическая температура и снижается уровень критических напряжений при хрупком разрушении [3]. Повышение содержания углерода в стали, понижение температуры отпуска, а также легирование (повышенного отношения предела текучести σ_Т к пределу разрыва σ_к) увеличивают склонность к хрупкому разрушению. Аналогично и после деформационного старения при длительной работе металла в напряженном состоянии при повышенной температуре, накопления циклического и коррозионного повреждений. Эти факторы понижают пластичность, прочность границ зерен и сопротивление разрыву.

Для создания мелкозернистой структуры стали используют различные виды химико-термической обработки (цементация, нитроцементация, азотирование). При азотировании образуются нитриды, которые выделяются в виде дисперсной (очень мелкой) фазы, геометрический размер частиц которой сопоставим с размерами дислокаций. Это препятствует продвижению дислокаций при действии нагрузки и повышает прочность стали.

5. С увеличением размеров детали, так как увеличивается структурная неоднородность материала [129]. Влияние структурной неоднородности можно оценить количественно на основе гипотезы «слабого звена» В. Вейбулла. При этом повышается вероятность содержания в объеме металла V «слабых звеньев» (статистическая теория) по отношению к оптимальному V/V₀ (рис. 2.10). Технологическая теория объясняет снижение прочности с ростом размеров затруднительностью получения однородной структуры и равномерной прочности по сечению.

 

Рис. 2.10. Влияние размера детали на ее прочность

U – Прочность «слабого звена»

 

Это приводит к увеличению концентраторов напряжений. При этом снижается критическое напряжение хрупкого разрушения σ_к (рис. 2.10). Поэтому крупногабаритные элементы конструкций более склонны к хрупкому разрушению. Для больших сечений элемента конструкций разрушение может пройти при упругих деформациях. Поэтому кроме критической температуры и критической объемности напряженного состояния необходимо ввести понятие о критическом размере сечения. Влияние размеров характеризуют размерным коэффициентом или коэффициентом масштабного фактора, представляющим отношение предела выносливости образца данных размеров к пределу выносливости лабораторного образца малых размеров (5-10 мм) из того же материала. Средние значения коэффициента масштабного фактора для конструкционных сталей приведены на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Коэффициент масштабного фактора в зависимости от размера детали [129]

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: