Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






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

Виды разрушения материала Наименование деталей машин, подвергающихся данному разрушению Характер повреждения деталей машин Причины разрушения деталей машин
Остаточная деформация Поверхности катания бандажей, рельсов, напряженные болты, сосуды, подшипники скольжения Изменения геометрической формы детали (удлинение, изгиб, вмятины и т. д.) Длительное действие переменных контактных, растягивающих или сжимающих напряжений, повышение температуры металла
Вязкий излом Связи и анкерные болты, несущие элементы мостовых ферм и других пространственных конструкций, напряженные болты Разрушение, сопровождающееся значительной макропластической деформацией. Поверхность излома не имеет кристаллического блеска (матовая), на площадке разрушения имеются скосы, строчечные неровности, волокнистость Значительные перегрузки вследствие резкого нарушения условий нормальной эксплуатации
Хрупкий излом Сварные соединения, фасонные детали, болты, а также валики и пальцы, имеющие высокую твердость; чугунные отливки Разрушение при незначительной макропластической деформации (относительное сужение гладких образцов менее 5%). Поверхность излома перпендикулярна направлению максимальных растягивающих напряжений и имеет кристаллическое строение часто с рубцами, лучеобразно расходящимися из зоны начала разрушения Наличие значительных ударных нагрузок, дефекты термической обработки, низкое качество материала, повышенное содержание фосфора, водорода, наличие концентратов напряжений (трещин), хладноломкость стали

Продолжение таблицы 1

Виды разрушения материала Наименование деталей машин, подвергающихся данному разрушению Характер повреждения деталей машин Причины разрушения деталей машин
Усталостный излом Валы, оси, шатуны, болты, сварные соединения, подвергающиеся длительному действию многократно повторяющихся нагрузок Образование трещины или разрушение. Поверхность излома имеет зоны постепенного развития трещины, ускоренного развития излома и зону долома Пониженная прочность материала, длительное действие знакопеременной нагрузки, циклических температурных напряжений (надрезы, неметаллические включения, микротрещины)
Истирание металлических пар Подшипники скольжения, валы, оси, направляющие, крейцкопфы, кулисы, цепные передачи, поршневые кольца и втулки и другие детали Постепенное изменение геометрических размеров детали Длительное трение сопряженных поверхностей
Усталостное выкрашивание Зубчатые передачи, подшипники качения, рельсы и бандажи подвижного состава Возникновение на контактных поверхностях мелких осповидных выщербин, резкое ухудшение качества поверхности, нарушающее нормальную работу деталей Пониженная контактная прочность материала, высокие контактные напряжения

Продолжение таблицы 1

Виды разрушения материала Наименование деталей машин, подвергающихся данному разрушению Характер повреждения деталей машин Причины разрушения деталей машин
Абразивный износ Плужные лемеха, лапы культиваторов, детали гусениц тракторов, детали формовочных машин, пескометы, открытые зубчатые передачи, детали машин, подвергающиеся истиранию минеральными частицами Постепенное изменение геометрических размеров. На поверхностях трения наблюдаются характерные риски, направление которых соответствует направлению движения абразивных частиц Специфическое взаимодействие трущихся поверхностей с абразивными частицами
Заедание Шестерни зубчатых передач, подшипники скольжения Адгезия и вырывание частиц металла из контактирующих поверхностей Пониженная вязкость масла и выдавливание масляной пленки при высоких скоростях и больших удельных давлениях
Ползучесть Лопатки, диски паровых и газовых турбин, трубы паропроводов, пароперегревателей котлов Медленная и непрерывная пластическая деформация Нагрев выше температуры рекристаллизации, напряжения в материале выше предела упругости при данной температуре
Газовая эрозия Направляющие и рабочие лопатки газотурбинных установок, трубы экономайзеров, кипятильные трубы паровых котлов, лопатки дымососов Постепенное истирание поверхности твердыми частицами газового потока, волны, направленные перпендикулярно движению потока Недостаточное сопротивление материала коррозионному действию среды и пластическому деформированию поверхностных слоев

Продолжение таблицы 1

Виды разрушения материала Наименование деталей машин, подвергающихся данному разрушению Характер повреждения деталей машин Причины разрушения деталей машин
Жидкостная эрозия Запорные и регулирующие элементы аппаратуры трубопроводов, рабочие органы питательных насосов, судовые гребные винты, рабочие камеры гидротурбин Характер изношенной поверхности определяется условиями воздействия потока жидкости. Разрушение имеет вид пятен, полос, рубцов, зубчатых раковин, пустот, вымоин, кратеров Низкая коррозионная стойкость металла, высокие скорости потока, низкий предел текучести
Кавитация Гребные винты, детали гидротурбин, детали машин, подвергающиеся водяному охлаждению, трубопроводы Появление на поверхности металла мелких, но глубоких питтингов, которые местами сливаются и образуют сквозное отверстие Специфическое воздействие жидкости при высоких скоростях движения детали
Атмосферная коррозия Кабины и кузова, детали машин, подвергающиеся действию атмосферных осадков и влажного воздуха Образование рыхлых пленок окислов железа, с последующим шелушением и возникновением очагов точечной коррозии Неудовлетворительное нанесение защитных покрытий, плохой уход за машиной
Коррозия в электролитах Котельные установки, экономайзеры, сосуды химической водоочистки, подводные части морских судов, сосуды с жидкими удобрениями Коррозионные питтинги, рассеянные по всей поверхности деталей, местная коррозия вблизи соединений листов и рамных конструкций Развитие электрохимических процессов в результате неоднородности материала при наличии свободного доступа кислорода
Газовая коррозия Детали котельных топок газовых турбин, клапаны двигателей внутреннего сгорания Образование на поверхности детали плотного, хрупкого слоя окислов металлов Высокая температура нагрева и низкая окалиностойкость материала

Окончание таблицы 1

Виды разрушения материала Наименование деталей машин, подвергающихся данному разрушению Характер повреждения деталей машин Причины разрушения деталей машин
Коррозионная усталость Оси и штоки насосов, гребные валы, рули, металлические канаты, рессоры и другие детали, испытывающие знакопеременные нагрузки в коррозионных средах; детали автомобилей и самолетов, подверженные действию выхлопных газов Поверхность коррозионно-усталостного излома покрыта слоем продуктов коррозии Совместное действие переменных напряжений и коррозионно-активной среды
Коррозионное растрескивание Напряженные детали котлов, находящиеся под действием концентрированных щелочных растворов, сосуды из нержавеющей стали, детали, изготовленные из латуни, дуралюмина, магниевых сплавов Появление сетки трещин по границам зерен с резким снижением прочности материала Избирательное коррозионное разрушение границ зерен или одного из компонентов сплава под влиянием коррозионной среды и механических напряжений
Коррозия при трении (фреттинг-коррозия) Болтовые и заклепочные соединения, посадочные поверхности подшипников качения, шестерен, муфт, детали, находящиеся в подвижном контакте Возникновение на контактных поверхностях, особенно по границе контакта, коррозионные повреждения в виде отдельных пятен или полос небольшой глубины Непрерывное разрушение защитной окисной пенки в точках подвижного контакта

 


 

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.

 

Date: 2016-02-19; view: 8029; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.006 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию