Деформация и изломы

В результате приложения нагрузки происходит деформация материала, сопровождающаяся изменением формы и размеров детали. Различают упругие деформации, исчезающие после снятия нагрузки, и пластические, остающиеся после снятия нагрузки.

Изломом называют полное разрушение материала детали, приводящее к ее расчленению (при растяжении, сжатии, изгибе, кручении или сложном напряженном состоянии). Изломы разделяют по характеру нагружения (статический, усталостный) и по особенностям строения (хрупкий, вязкий).

Характер приложения нагрузки и, как следствие, механизм разрушения могут быть самыми разнообразными. При кратковременной однократной нагрузке возникают статические или динамические изломы. Эти изломы могут иметь различное строение в зависимости от скорости нагружения и исходной структуры материала. Под вязким изломом понимают излом, который происходит при наличии макропластической деформации. Хрупкий излом в отличии от пластического возникает при отсутствии или при незначительных размерах макропластической деформации.

При этом пластичность излома определяют не по средней деформации образца или детали, а по наличию и степени локальной деформации в прилегающем к излому объеме материала.

Часто хрупкими считают и такие изломы, которые образуются при наличии местного сужения гладких образцов менее 5%. Причиной хрупкого излома являются мгновенное приложение нагрузки, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении детали, хладноломкость материала.

Возникновение пластичного излома свидетельствует о том, что материал не выдержал расчетную нагрузку. Разрушение в данном случае происходит при значительных перегрузках, например в результате предварительного выхода из строя отдельных элементов конструкции.

На рисунке 1 представлены типичные хрупкий и вязкий изломы стержней периодического профиля из арматурной низколегированной стали. Причиной возникновения хрупкого излома явилось наличие концентратора напряжений в зоне термического влияния соединения, полученного методом кузнечной сварки. Излом имеет ярко выраженное кристаллическое строение, особенно крупное в районе концентратора напряжений с лучами (рубцами), веерообразно расходящимися из очага разрушения (рисунок 1, а). Вязкое разрушение второго стержня явилось результатом резкого увеличения действующей статической нагрузки. На поверхности излома отчетливо заметны следы пластической деформации, кристаллическое строение металла не выявляется (рисунок 1, б).

Таблица 1 – Примеры нарушения работоспособности деталей машин

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Окончание таблицы 1

Рисунок 1 – Хрупкий (а) и вязкий (б) изломы арматурной стали.

Детали с повышенным пределом прочности (например, закаленные болты) или с поверхностным упрочнением, находящиеся под статической нагрузкой, через некоторое время после первоначального нагружения часто разрушаются, несмотря на сравнительно низкие значения действующих напряжений. Здесь имеет место, так называемое «замедленное разрушение», причины которого заключаются в неравномерном развитии пластической деформации в микроструктуре стали.

Поверхность излома при замедленном разрушении имеет макрохрупкий характер и располагается перпендикулярно направлению максимальных растягивающих напряжений. Факторами, увеличивающими вероятность замедленного разрушения, являются дефекты конструкции и монтажа, некачественная термическая обработка, наличие концентраторов напряжений, наводороживание в процессе нанесения гальванических покрытий и др. Подобные изломы можно наблюдать при замедленном разрушении болтов в эксплуатации.

Длительное действие нагрузки при повышенной температуре материала детали обычно вызывает малопластичные изломы. При высоких температурах поверхность излома грубозернистая с крупными неровностями. Цвет поверхности темный, так как она покрыта окисной пленкой. Вблизи излома обычно наблюдается растрескивание металла.

Изломы при однократном или при постоянном длительном действии нагрузки в практике наблюдаются сравнительно редко. Чаще встречаются так называемые усталостные изломы. Около 80% поломок деталей быстроходных машин имеют усталостный характер.

Явление разрушения материала под действием переменных напряжений в течение некоторого срока службы называется усталостью. Способность материала сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью (циклической прочностью). Выносливость зависит от величины максимального напряжения и амплитуды цикла. При симметричном цикле величина максимальных напряжений совпадает с максимальной амплитудой, в связи, с чем этот вид нагружения наиболее неблагоприятен в отношении циклической прочности. Наибольшее по абсолютной величине напряжение цикла, при котором материал не разрушается при заданном числе циклов, именуемом базой, называется пределом выносливости. Наибольшее по абсолютной величине напряжение, которое материал выдерживает без разрушения при заданном числе циклов, меньшем базового числа, называется ограниченным пределом выносливости. К числу деталей, подвергающихся усталостному разрушению, относятся валы и оси автомобилей, тракторов, сельско-хозяйственных машин, железнодорожного подвижного состава и других машин.

Усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Зарождению усталостной трещины способствует наличие микродефектов и концентраторов напряжений в опасном сечении детали. Типичный усталостный излом характеризуется наличием очага разрушения, зоны усталостной трещины и зоны долома. Особенностью усталостного является то, что вне зависимости от вязкости материала излом имеет хрупкий характер. Процесс зарождения трещины усталости начинается в точке (фокус излома) в результате наличия на поверхности микродефекта (например риски или неметаллического включения). Возникнув в микрообъеме металла, усталостная трещина постепенно, под влиянием переменной нагрузки, распространяется в глубь тела детали. На поверхности излома наблюдаются концентрические волны, которые свидетельствуют о постепенном развитии трещины отдельными импульсами. По мере ослабления сечения шаг концентрических волн увеличивается, темп развития трещины усиливается, и при определенном остаточном сечении происходит полный долом детали.

Предел выносливости, симметричных знакопеременных циклов, составляет обычно 30 – 60% от предела прочности. Поэтому усталость материала часто является фактором, ограничивающим долговечность деталей. Предел выносливости при конструировании деталей устанавливают, исходя из безопасного уровня вероятности разрушения.

На рисунке 2 представлена фотография усталостного излома зуба шестерни из стали 30ХГТ. В изломе отчетливо виден очаг разрушения (светлая зона у поверхности).

Рисунок 2 – Усталостный излом зуба шестерни.

Внешние виды усталостных изломов могут существенно различаться, однако у них имеется много общего.

1. Зарождение трещины всегда начинается в месте концентрации напряжений (подрез, шлаковое включение, микротрещина, флокен, переходная зона микроструктуры, граница сварного шва, резкое изменение сечения детали и др.).

2. Развитие трещины протекает как бы с временными паузами или остановками.

3. Независимо от того, что уровень максимальных действующих напряжений обычно ниже предела текучести, в результате беспрепятственного развития трещины происходит полное разрушение детали.

Циклическая прочность конструкционных материалов характеризуется значительным рассеянием числа циклов до разрушения при одинаковых амплитудах напряжений. Это привело к необходимости оценки выносливости материалов статистическим путем. Работы В. В. Болотина, Н. Н. Афанасьева, С. Д. Волкова явились основой для разработки методов оценки критериев усталости.

Рассмотренные виды разрушения деталей машин являются следствием действия значительных нагрузок, превосходящих в определенный момент сопротивление детали разрушению. Однако во многих случаях циклическое действие контактных напряжений может вызвать остаточную деформацию, которая хотя и не приводит к полному разрушению детали, но может нарушить нормальные условия ее работы.

Влияние остаточной деформации на износ деталей подвижного состава исследовалось В. А. Кисликом. Установлено, что при длительном взаимодействии сопряженных деталей, например колес локомотива и рельса, происходит значительная деформация бандажа и головки рельса (рисунок 3, а, б). Аналогичная картина наблюдается при работе поршневого кольца (рисунок 3, в).

Рисунок 3 – Схема деформации бандажа (а), головки рельса (б) и ручьев поршня тепловозного двигателя (в).

Значительной макродеформации подвергаются подшипники скольжения, особенно залитые мягким антифрикционным сплавом.

Во всех случаях причиной возникновения остаточной деформации является пониженное сопротивление материала действию контактных напряжений, низкий предел прочности.

Для повышения долговечности деталей машин, работающих в аналогичных условиях, необходимо по возможности увеличивать предел прочности и твердость материала. Необходимо при этом помнить, что оптимальные механические характеристики материала должны устанавливаться экспериментально. При значительном повышении твердости материала развитие остаточной деформации может быть практически устранено, однако при этом возникает опасность появления в процессе работы деталей хрупкого разрушения.

В связи с этим при установлении оптимальных свойств сопряженных деталей задача сводится к определению таких механических характеристик материала, которые обеспечивают минимальную остаточную деформацию не нарушающую нормального режима работы деталей, и исключают возникновение усталостных разрушений.