15.3. Повышение циклической прочности деталей машин

Одна из основных причин разрушения деталей, работающих при циклических напряжениях, состоит в развитии усталостного повреждения, т.е. возникновении и росте трещин. Радикальный способ повышения выносливости состоит в повышении сопротивления микропластическим деформациям средствами легирования, наклепа, термической и химико-термической обработками. Но это сопровождается падением пластичности и сопротивления росту возникших или спонтанно присутствующих в детали дефектов.

С проблемой усталостной прочности тесно связана и проблема контактной выносливости, то есть сопротивление питтингу. Известно, что при больших контактных напряжениях, имеющих циклический характер, в подповерхностном слое возникают усталостные микротрещины. Их рост и слияние сопровождается выкрашиванием частиц с поверхности, вызывающим возникновение питтинга. Зарождение трещин в подповерхностном слое связывают с тем, что именно там возникают максимальные касательные напряжения.

Исследование истинной природы питтинга и способов его предотвращения поможет разработать технологию повышения контактной выносливости. 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 носит лишь вероятностный характер.

В процессе накопления усталостного повреждения идет борьба между упрочнением вследствие наклепа и механического старения в наиболее слабых микрообъемах металла и разупрочнением из-за образования вакансий, их коагуляции, увеличения плотности дислокаций и образования микротрещин. Именно такой конкуренцией и объясняется тот факт, что у некоторых металлов σ_-1 > σ_Т. Высокая твердость и сопровождающие ее высокие пределы текучести и прочности препятствуют зарождению усталостных трещин, а потому способы повышения твердости широко применяются в машиностроении. Однако твердость у обычных материалов достигается за счет уменьшения пластичности. Этим снижается не только энергоемкость материала, но также и способность его 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:

,

где - коэффициент интенсивности напряжений.

Снижения чувствительности к концентрациям напряжений можно добиться созданием регулярно расположенных пластичных участков, выступающих в роли разгружающих надрезов. Зародившиеся в хрупких участках трещины будут вязнуть в мягких прослойках в результате снижения напряжений у их вершин вследствие микропластической деформации, что, возможно, приведет к существенному увеличению усталостной прочности материала.

Повышенным сопротивлением усталостному разрушению, особенно при возникновении резонансных колебаний в процессе эксплуатации, обладают материалы с высоким внутренним трением. Большая способность гасить колебания обычно обусловлена сильной структурной неоднородностью. Стали с гетерогенной структурой обладают большим внутренним трением, так как их структура закономерно меняется от феррита до мартенсита с карбидами, что способствует снижению амплитуды колебаний в области возникновения резонанса и затрудняет зарождение трещин. Увеличение гетерогенности структуры и неоднородности пластической деформации усиливает и эффект упругого последействия.

15.4. Повышение износостойкости деталей машин

Процессы изнашивания очень сложны и обычно сочетают механические, физические и химические воздействия. Классификация видов изнашивания рассмотрена в трудах ряда известных специалистов в этой области.

Одна из классификаций механизмов изнашивания представлена ниже в виде схемы.