Общие сведения. Одна из основных причин разрушения деталей, работающих при циклических напряжениях, состоит в развитии усталостного повреждения

Одна из основных причин разрушения деталей, работающих при циклических напряжениях, состоит в развитии усталостного повреждения, т.е. возникновении и росте трещин. Усталостная прочностьхарактеризуетсопротивление материала действию циклических и знакопеременных нагрузок. Разрушение металла под действием повтор­ных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла, а его свойство сопротивляться усталостному разрушению – выносливостью. Критерием усталостной прочности является предел выносливости [1].

Технология повышения выносливости состоит, главным образом, в повышении прочностных характеристик, поскольку между пределом выносливости и пределом текучести обычно существует почти линейная зависимость. Но более детальное изучение процесса усталости показывает, что формальная зависимость между σ_-1 и σ_т (при σ_-1<σ_т) носит лишь вероятностный характер.

В процессе накопления усталостного повреждения развиваются конкурирующие процессы – упрочнение вследствие наклепа (механического старения) в наиболее слабых микрообъемах металла и разупрочнение из-за образования ва­кансий, их коагуляции, увеличения плотности дислокаций и образования микротрещин (рисунок 5.1). В результате у некоторых металлов σ_-1> σ_т, и разрушение от усталости (рисунок 5.2) происходит при напряжениях, много меньших предела текучести и даже предела упругости [1, 2]. Высокая твердость и сопровождающие ее вы­сокие пределы текучести и прочности препятствуют зарождению устало­стных трещин, а потому способы повышения твердости широко применя­ются в машиностроении.

Однако при этом уменьшается пластичность, снижается энер­гоемкость материала и способность к наклепу в микрообъемах, а значит – и к упрочнению в процессе работы. Кроме того, зарождающиеся микротрещины могут начать быстрой рост уже при малой длине, поскольку критический размер трещины у высокопрочного материала невелик, так как:

(5.1)

где К_IС- коэффициент интенсивности напряжений.

Радикальный способ повышения выносливости состоит в повышении сопротивления микропластическим деформациям с помощью легирования, наклепа, термической и химико-термической обработками. Но это сопровождается падением пластичности и сопротивления росту возникших или спонтанно присутствующих в детали дефектов. К методам борьбы с усталостным изнашиванием относятся создание высокой твердости, повышение предела выносливости, исключение концентраторов напряжения, остановка трещины вязкими прослойками, а также создание оптимальных структур.

Рисунок 5.1. Возникновение и рас-пространение усталостной трещины	Рисунок 5.2. Усталостный излом (фотографическое изображение)

Усталостная прочность или выносливость значительно резче, чем другие прочностные свойства реагирует на условия и режимы эксплуатации: максимальное напряжение цикла, температуру и скорость (частота) приложения нагрузки, характер напряженного состояния, свойства окружающей среды [1, 2]. Чрезвычайно важную роль играют характеристики самих объектов – размеры, форма, состояние поверхности, конструктивные особенности (наличие концентраторов напряжений) и др.

Из-за сложности и многообразия процесса усталости трудно сформулировать основные принципы повышения выносливости материала, в частности, это относится к регулированию его структуры и выбору состава. Установлено, что положительное влияние будут оказывать структурные изменения, которые вызывают одновременное повыше­ние прочности и пластичности. Прежде всего – это измельчение зерна и образование развитой субструктуры. Такие изменения способствуют гомо­генизации направлений скольжения и уменьшению локальных пере­напряжений, связанных с мощными скоплениями дисло­каций.

Наличие внутренних концентраторов напряжений при циклическом нагружении играет большую роль, чем при статическом. В связи с этим должны быть более высокими и требования к чистоте стали по неметалличе­ским включениям и дефектам металлургического проис­хождения. Особое значение при усталости имеет состояние по­верхностных слоев изделия. Улучшением чистоты обра­ботки всегда можно добиться повышения усталостной прочности.

Однако наиболее эффективными оказывают­ся такие обработки, которые приводят к упрочнению поверхности и одновременно создают в поверхностных слоях остаточные сжимающие напряжения. В этом слу­чае увеличивается сопротивление за­рождению и распространению усталостных трещин; упрочнение затрудняет развитие скольжения, а сжимающие напряжения препятствуют раскрытию поверхност­ных трещин, ослабляя влияние растягивающей компо­ненты цикла.

В условиях одновременного воздействия циклических нагрузок и контактного трения (пары трения) требования к износостойкости материалов усиливаются.

Изнашивание относится поверхностному разрушению материалов и отличается от объемного следующими признаками:

1) Напряжения делокализованы по поверхности, поскольку все находящиеся в контакте участки с равной вероятностью могут участвовать в пластической деформации и разрушении.

2) Происходит непрерывное наложение циклов пластического деформирования и разрушения, когда вслед за уносом продуктов износа наступает следующий цикл.

3)Процесс относится к динамическим и, соответственно, имеет место динамический характер структурных изменений в поверхностном слое, материал при каждом цикле переходит в резко новое состояние.

Эти изменения строения и структуры тонкого поверхностного слоя обусловлены:

– исходным несовершенством структуры поверхностных слоев (в связи с общим искажением атомно-кристаллического строения на поверхности металла – межатомные связи не скомпенсированы);

– активным взаимодействием этого искаженного слоя с внешней средой и образованием при этом в зоне контакта продуктов в виде пленок с различной коррозионной активностью;

– высокой концентрацией напряжений при сложной схеме их воздействия на тонкие поверхностные слои металла, что сопровождается в ряде случаев повышением температуры.

В результате воздействия всех этих факторов комплекс объемно зависимых прочностных свойств материала, не характеризует его способности сопротивляться износу.

К характеристикам поверхностного разрушения относятся:

1) изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации;

2) износ – результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала;

3) линейный износ – износ, определяемый по уменьшению размера образца (тела) по нормали к поверхности трения;

4) скорость изнашивания – отношение величин износа ко времени, в течение которого он возник;

5) интенсивность изнашивания – отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.

Одна из классификаций механизмов изнашивания представлена ниже в виде схемы.

Рисунок 6.1. Классификация механизмов изнашивания

В общем виде износ определяется действием следующих факторов:

• сочетанием свойств трущихся материалов;

• качеством контактирующих поверхностей (классом чистоты, наличием смазки);

• характером движения (скольжение, качение, удары, течение);

• скоростью взаимного перемещения;

• уровнем нагрузки;

• отводом отделяющихся частиц (продуктов износа) или присутствием какого-то другого материала, осложняющего трение;

• развитием коррозионных процессов.

Совокупность этих факторов, которые часто невозможно разделить, усложняет теоретическое описание процессов изнашивания и вынуждает прибегать многочисленным упрощениям. В результате сделанные выводы и рекомендации не имеют всеобщего характера. Так как обычно изнашивание происходит при сочетании нескольких механизмов одновременно с преобладанием одного из них, то в соответствии с этим приходится выбирать те или иные способы повышения износостойкости.

Традиционным методом борьбы с абразивным износом является повышение твердости, что возможно как за счет выбора материала, так и упрочняющей обработкой: термической и химико-термической обработками, поверхностно-пластическим деформированием, а также нанесением твердых покрытий и регулярного рельефа. Как известно, усталостное изнашивание является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей.

Так как усталостный износ – результат циклического воздействия поверхности одного тела на гребешки другого, то очевидно, что величина износа должна расти при увеличении удельных давлений. Однако рассчитывать это давление, как отношение действующих усилий к геометрическим размерам деталей, нельзя, поскольку площадь фактического контакта всегда значительно меньше, чем номинальная площадь поверхности. При скольжении друг по другу циклические нажатия (и сдвиги, сопровождающиеся периодическими растяжениями и сжатиями) приводят к накоплению усталостного повреждения вследствие скоплений дислокаций у препятствий.

Возникающие субмикротрещины перерастают в микротрещины и ведут к локальному разрушению поверхности (питтингу). Радикальное средство повышения усталостной износостойкости заключается в создании на поверхности сжимающих остаточных напряжений, а также в повышении поверхностной твердости. При этом ускоренное разрушение происходит не на поверхности, а на некоторой глубине. Обычно это объясняют тем, что максимальные сдвигающие напряжения возникают именно там, но при этом решается статическая задача и не рассматривается характер асимметрии цикла напряжений.

Следует отметить и другое противоречие: при росте твердости обычно растет сопротивление износу, но по этой причине уменьшается площадь фактического контакта, а значит растет удельное давление, ухудшается прирабатываемость и, казалось бы, должен ускоряться процесс изнашивания. К методам борьбы с усталостным изнашиванием относятся создание высокой твердости, повышение предела выносливости, исключение концентраторов напряжения, остановка трещины вязкими прослойками, а также создание оптимальных структур.

Как известно, изнашивание в условиях избирательного переноса характеризуется атомарными явлениями в зоне контакта, когда атомы более мягкого металла переносятся на поверхность более твердого, а при достижении некоторой толщины слой начинает разрушаться с обратным переносом. А так как атомы почти не выносятся за зоны контакта, износ оказывается минимальным. Повышение стойкости в данном случае достигается правильным выбором трущихся материалов и состава смазки.

5.4 Пример выполнения практической работы ( решение задачи)

5.4.1 Задача: Выбрать сталь для изготовления вала диаметром 70 мм для работы с большими циклическими нагрузками [3].

Требования:

1) σ_т – не ниже 750 МПа;

2) σ_-1– не ниже 450 МПа;

3) КС – не ниже 900 кДж/м².

Найти:

• выбратьмарку стали, удовлетворяющую требованиям;

• определить необходимость термической обработки и ее режим;

• описать результирующую микроструктуру;

• указать механические свойства после окончательной термообработки.

Дополнительные сведения:

Для выбора предлагаются следующие марки сталей: Ст.4, 45, и 20ХН3А.

5.4.2 Решение:

Сведения о составе и механических свойствах сталей в состоянии поставки приведены в таблицах 5.1-5.2.

Таблица 5.1 Составы предлагаемых для выбора сталей

Таблица 5.2 Механические свойства предлагаемых для выбора сталей

5.5 Порядок выполнения работы (пример)

5.5.1 Данные по пределу текучести (240-400 МПа вместо 750 МПа) показывают необходимость проведения упрочняющей термообработки.

Для низкоуглеродистой стали Ст.4 улучшающее влияние термо-обработки незначительно, так как она не воспринимает закалку. Кроме того, она относится к сталям обыкновенного качества и содержит повышенное содержание серы и фосфора, которые понижают механические свойства и особенно сопротивление ударным нагрузкам. Для ответственных изделий, таких как вал двигателя, поломка которого выводит из строя машину, применение Ст.4, несмотря на ее низкую стоимость, не рационально.

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХН3А – к классу высококачественной легированной стали. Они содержат 0,42-0,50 и 0,17-0,23% С, соответственно, и закаливаются. Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском. Второй вариант термообработки сложнее, но он позволяет получить не только более высокие характеристики прочностных свойств (σ_т и σ_в), но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости – КСU после нормализации составляют 200-300кДж/м², а после закалки и отпуска при 500°С достигают 600-700 кДж/м².

Вывод 1: Следовательно, в условиях работы вала при динамическом нагружении и вибрациях, целесообразно применять закалку и отпуск.

После закалки в воде в углеродистой стали 45 образуется мартенсит, но из-за низкой прокаливаемости в изделиях диаметром больше 20-25 мм, глубина закаленного слоя не превышает 2-4 мм. Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита в сорбит только в приповерхностном слое и не может повлиять на структуру и свойства всего изделия (вала), которое целиком воспринимает динамические нагрузки.

Вывод 2: Углеродистая сталь 45 не будет иметь требуемый уровень свойств по сечению вала диаметром 70 мм.

Сталь 20ХН3А для улучшения прокаливаемости легирована хромом и никелем. После закалки в ней формируется достаточно однородная структура и механические свойства в сечении заготовки или изделия (вала) диаметром до 75 мм, что даже несколько превышает требуемые размеры. Для стали 20ХН3А, согласно [4], рекомендуется стандартная термообработка по режиму:

• Закалка с 820-850°С в масле.

При закалке в масле, а не в воде как для стали Ст.4 возникают меньшие напряжения и, следовательно, меньшая деформация. После закалки струк-. тура стали – мартенсит с твердостью не ниже 50 HRC.

• Отпуск при 520-530°С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (или марганцем) и никелем, вал после нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства стали 20ХН3А в изделии диаметром до 75 мм после термообработки равны:

– временное сопротивление σ_в, МПа ……….900-1000;

– предел текучести σ_0,2, МПа …………………750-800;

– предел выносливости σ_-1, МПа …………… 400-430;

– ударная вязкость КСU, кДж/м²……………..900;

– относительное удлинение δ, %........................8-10;

– относительное сужение Ψ, % ………………….45-50.

Вывод 3: Сталь 20ХН3Апосле термообработки удовлетворяет требо-ваниям задачи выбора и может использоваться для изготовления вала диаметром 70 мм.