viz_kontrol_zachita

фрактографиях характерных черт, позволяющих различать механизмы разрушения. При анализе случаев разрушения весьма полезны описа% ния основных отличительных черт разрушения и множества вторичных отличительных признаков разрушения. Все это позволяет микроскопи% сту во многих случаях выявить механизм, посредством которого про% изошло разрушение, хотя при этом встречаются определенные трудно% сти, поскольку при разрушении в условиях эксплуатации редко получа% ется отчетливая картина.

Фрактография является лишь частью анализа разрушения. С ее помощью можно сказать, как произошло разрушение, но едва ли мож% но определить, почему оно произошло. Для полного исследования слу% чая разрушения в условиях эксплуатации необходимы детальный ана% лиз проекта и деталировки неразрушенной части конструкции, исто% рии нагружения и окружающей среды. В большинстве случаев в разру% шении промышленных объектов, как оказывается, повинно непра% вильное проектирование деталей, а также дефекты материала или де% фекты, возникшие при его обработке. Это значит, что анализом случа% ев разрушения промышленных объектов должны частично заниматься инженеры и проектировщики. Металлургия им нужна только для опре% деления механизма разрушения и проверки свойств материала.

Циклическое нагружение

Явление снижения прочности материалов при напряжениях, ци% клически изменяющихся во времени, было известно давно. Но, вероят% но, первым, кто коснулся этого вопроса в литературе и ввел термин усталость, был Ж. Понселе, который уже в 1828–1829 гг. в своем курсе говорил об усталости металлов.

Первой научной работой по прочности материалов при напряже% ниях, циклически изменяющихся во времени, являлась статья М. Рэн% кина, опубликованная в 1843 г. Он установил, что усталостный излом вала начинается с появления маленькой трещины, которая постепенно растет и опоясывает центральную часть вала, в результате чего возника% ет его разрушение. Рэнкин был не согласен с общераспространенным в то время неверным мнением о том, что разрушение происходит в ре% зультате перехода волокнистой структуры сварочного железа в кристал% лическое строение. Для увеличения прочности осей он рекомендовал увеличивать радиусы галтелей.

Установка для исследования выносливости железных стержней при изгибе Г. Джеймса и Д. Гальтона представлена на рис. 93.

161

Рис. 93. Установка для исследования выносливости железных стержней

Экспериментальные исследования выносливости железных стержней при изгибе были произведены так, чтобы напряжения изме% нялись по пульсационному циклу (начало испытаний в 1848 г. на спе% циально построенной для этого машине). Нагружение производилось вращающимся эксцентриком. Частота производимых им изгибов могла изменяться от 4 до 7 в мин.

Рис. 94. Установка для определения выносливости балок

У. Фейрбейрн в 1864 г. произвел испытания на выносливость кле% паных двутавровых балок, в которых грузом на конце консоли было создано постоянное во времени напряжение. На него накладывалось переменное напряжение, возникшее в результате движения конца кон% соли, прикрепленного к равномерно вращающемуся эксцентрику. Та% ким образом, возникал асимметричный цикл изменения напряжений. Число нагружений в минуту было равно 7–8.

Наиболее полное исследование выносливости было выполнено А. Велером в 1858–1870 гг. на сконструированной им машине, в кото% рой два образца изгибаются по схеме консольной балки. Переменность напряжений достигалась за счет вращения образцов вместе с цилин% дром, в котором они закреплены. Частота вращения в машине А. Веле% ра была 15 об/мин.

162

Таким путем в образцах создавался симметричный цикл измене% ния напряжений. Этот принцип создания переменности напряжений за счет вращения образцов использовался в дальнейшем во многих ма% шинах для испытаний на выносливость, однако схема консольной бал% ки была заменена схемой двухопорной балки, нагруженной двумя оди% наковыми силами на равном расстоянии от опор. В таком случае сред% няя часть образца находится в условиях чистого изгиба и влияние каса% тельных напряжений на прочность исключено. Очевидно, А. Велер ввел понятие предела выносливости, который он называл предельным напряжением.

Рис. 95. Усталостная машина А. Велера

Интересно отметить, что при определении предела выносливости А. Велер не использовал график зависимости разрушающего напряже% ния от числа циклов, который обычно строится в полулогарифмиче% ских или логарифмических координатах и в курсе сопротивления мате% риалов называется кривой А. Велера.

А. Велер установил отрицательное влияние на выносливость рез% ких изменений диаметров образцов (ступенчатые валы) и дал верное объяснение этого явления как результата «неправильного распределе% ния», т. е. концентрации напряжений. Для создания асимметричных циклов изменения напряжений Велер построил другую машину, в ко% торой испытывались свободно опертые образцы прямоугольного попе% речного сечения, а переменность напряжений создавалась эксцентри% ком, вызывавшим переменные прогибы. А. Велером были также по% строены машины для изучения выносливости при растяжении%сжатии и кручении образцов. Он установил, что предел выносливости при сим% метричном цикле в случае кручения составляет примерно 80 % такой же величины в случае растяжения%сжатия.

163

6.2. Элементы механики разрушения

1. Хрупкое и вязкое разрушение

Разрушение – процесс, включающий зарождение и развитие тре% щин. Разрушение может закончиться разделением тела на части.

Различают хрупкое разрушение, сопровождающееся минималь% ным поглощением энергии и малой предшествующей пластической де% формацией, и вязкое (пластическое) разрушение, при котором матери% ал обнаруживает значительную пластичность.

В общем случае при разрушении имеют место механизмы и пла% стического, и хрупкого разрушения. Их соотношение в значительной степени определяется температурой, при которой происходит разруше% ние. При комнатной температуре материалы условно разделяют на хрупкие (например, чугун) и пластичные (например, сталь) в зависимо% сти от того, какой механизм разрушения преобладает.

2. Трещины

Зарождение разрушения во всех случаях связано с пластической деформацией, которая при этом неоднородна в микроскопическом масштабе.

Образование микротрещин часто происходит в результате скопле% ния движущихся дислокаций перед препятствием (межзеренные и межфазные границы, включения и т. п.),

рис. 96.

Теоретические виды трещин. Трещина вводится в материал в два этапа. Сначала на образец наносят надрез, а затем к его внеш% ним поверхностям прикладывают нагрузку, направление которой определяет специфи% ческие типы разрушения. Плоскость, по ко% торой происходит разрушение материала, называется плоскостью скола, рис. 97.

164

Рис. 97. Типы разрушения материала:

I – нормального разрыва; II – поперечного сдвига; III – продольного сдвига

3. Хрупкое разрушение

Хрупкое разрушение характеризуется очень быстрым ростом трещи% ны, причем это происходит без повышения действующих напряжений, т. е. для развития хрупкого разрушения не требуется подводить энергию извне, а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся кон% струкции. Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с.

Если в пластине, находящейся под действием растягивающих на% пряжений S, развивается перпендикулярная оси растяжения трещина длиной lтр, упругая энергия пластины уменьшается и одновременно зат% рачивается работа на создание двух свободных поверхностей – стенок трещины. Результирующее изменение энергии пластины зависит от со% отношения вкладов этих двух составляющих разного знака.

Критическая длина трещины. Многие детали могут длительно ра% ботать при наличии трещин, но не более определенного размера.

Критическая длина опасных трещин определяет границу резкого снижения прочности и хрупкого разрушения детали. Начиная с некоторой критической длины lкр, при раскрытии трещины уменьшение запасенной упругой энергии перекрывает увеличение поверхностной энергии.

При превышении критической длины развитие трещины идет за счет запасенной энергии упругой деформации, не требуя увеличения растягивающей нагрузки.

Критическая длина трещины зависит от вязкости разрушения (трещиностойкости) стали, уровня остаточных напряжений, конструк% ции детали, температуры ее эксплуатации, скоростей приложения на% грузок.

Концентрация напряжений. Под концентрацией напряжений по% нимают местное увеличение напряжений в области изменения формы и размеров детали (у отверстий, канавок, в местах перехода от одного сечения к другому по галтели и т. д.). Причина, вызвавшая концентра%

165

цию напряжений (отверстие, канавка и др.), называется концентрато% ром напряжений.

В вершине трещины под нагрузкой уровень концентрации напря% жений тр значительно превышает их среднюю величину

тр = 2 ср(lтр/rтр)1/2 = K ср,

где lтр и rтр – длина и радиус закругления трещины в ее вершине; K – коэффициент концентрации напряжений, в хрупких телах дости% гающий значений K = 10.

Соотношение Гриффитца. Критическая длина трещины lкр и соот% ветствующее ей критическое растягивающее напряжение связаны со% отношением Гриффитца:

кр = (2EA/ lкр)1/2 = K1c/( lкр)1/2,

где A – сумма удельной поверхностной энергии и работы пластической деформации; Е – модуль Юнга; K1с – критерий Ирвина (вязкость раз% рушения, критический коэффициент интенсивности напряжений в приближении плоского деформированного состояния – жесткого тре% хосного напряженного состояния).

Чем больше действующее напряжение, тем более короткие трещи% ны способны к закритическому, лавинообразному развитию.

Ввершине малых трещин и при малых толщинах деталей реализу% ется плоское напряженное состояние с растягивающими напряжения% ми, направленными поперек и вдоль трещины.

4.Вязкое разрушение

Впластичных сталях при малых размерах деталей и трещин после достижения напряжением в вершине трещины значения, равного со% противлению пластической деформации, возникающие деформации резко снижают уровень напряжений, и разрушение таких деталей ста% новится вязким, сопровождаясь значительными пластическими де% формациями. При больших трещинах предел текучести в вершине воз% растает в 3...5 раз, что ведет к хрупкому разрушению стали.

Вязкое разрушение характеризуется не только предшествующей ему большой пластической деформацией, но и медленным развитием трещины.

Образование шейки при растяжении. При растяжении цилиндриче% ских образцов из пластичных металлов развивается локализация де% формации в виде местного сужения – шейки, в которой и происходит вязкое разрушение.

166

У очень чистых металлов шейка может су% жаться до точки. Образец разделяется на части срезом (скалыванием), рис. 98, а. Для вязкого раз% рушения промышленных металлов и сплавов бо% лее типичен излом «чашечка» – конус, рис. 98, б.

5. Виды разрушения поликристаллических тел

Если поверхность разрушения проходит внутри кристаллических зерен, то разрушение называют внутрикристаллитным (внутризерен% ным, транскристаллитным), а если по границам зерен – межкристаллитным (межзеренным, ин% теркристаллитным). Часто встречается и сме% шанное разрушение.

В отличие от вязкого разрушения, хрупкое распространяется внутри отдельных зерен вдоль

плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов – плоскости скола. При ползучести выделяют два типа межзеренного разрушения –

разрушение клиновидной трещиной, обычно зарождающееся в точке встречи трех зерен, и кавитационное разрушение, при котором по гра% ницам образуются многочисленные мелкие поры, увеличивающиеся со временем, сливающиеся и приводящие к полному разрушению образца.

Внешний вид хрупкого излома – светлый, а вязкого – матовый из%за наличия уступов, образующихся при пластической деформации.

6. Хладноломкость

Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к хруп% кому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.

Ниже некоторой температуры, которая называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости tп.х., и возникает хрупкое разрушение.

7. Масштабный фактор

Металлургический фактор. С ростом размеров заготовок увеличи% вается неоднородность материала, затрудняется качественное проведе% ние термической обработки по всему объему материала, снижается сте% пень деформации при ковке, что отрицательно сказывается на механи% ческих свойствах материала (снижаются механические характеристи% ки). Причем уменьшение их наблюдается по мере смещения от пери% ферии к центру заготовки.

167

Технологический фактор связан с различиями в свойствах поверх% ностного слоя деталей малых и больших размеров, формирующихся в процессе однотипной механической обработки.

Статистический фактор связывают со статистической природой процесса усталостного разрушения. Это объясняется тем, что проч% ность структурных элементов материала вследствие его неоднородно% сти изменяется случайным образом. С увеличением объемов детали увеличивается вероятность появления более слабых структурных элементов, что и приводит к снижению предела выносливости.

8. Усталостное разрушение

Процесс зарождения усталостных трещин можно подразделить на несколько стадий. Первая стадия – развитие интенсивных полос скольжения – сдвигового образования на поверхности металла, со% стоящего из ряда следующих одна за другой задержанных дислокаций. Образование полос скольжения можно объяснить поперечным сколь% жением дислокаций.

Деформационное упрочнение, создаваемое после каждого акта скольжения, препятствует обратному скольжению материала в той же плоскости, что приводит к образованию интрузий («вдавливаний») и экструзий («выдавливаний») – вторая стадия.

Третья стадия – образование трещин и разрушение образца.

Контрольные вопросы

1.Трещины в сварном шве обычно классифицируются по:

2.Необходимым условием и первой причиной возникновения горячих трещин является наличие:

3.Конечные размеры трещин в сварных соединениях можно объяснить:

168

4.Радиальные трещины – это трещины:

5.Непровары в сварном шве могут быть вызваны:

6.Причиной прожога может быть:

7.Скопление мелких пор в ядре литой зоны при точечной сварке наи%

более вероятно при сварке:

8.Слишком большой диаметр ядра сварной точки может сформиро% ваться в результате:

9.В результате завышения угла скоса кромок происходит:

10.На прочность сварного соединения в основном влияет качество вы% полнения:

169

11. Дефект типа «неслитина» обычно наблюдается в ... частях отливки:

12.Причиной разностенности может быть ... стержня: а) смещение; б) деформация;

13.Дефект типа «плена» характерен для ... сплавов: а) стальных; б) чугунных;

14.Какой дефект отливки из стали или чугуна может возникнуть при слабом креплении формы:

а) подутость;

15. Жидкотекучесть металла зависит:

16. Горячие трещины в отливках из чугуна и стали обычно возникают в:

17.Утяжины обычно образуются в ... сечениях отливок: а) толстых; б) тонких; в) средних; г) «б» и «в».

170