Варгасов Пестов_Обработка поверхности

где ψn - энергия пластической деформации, приходящаяся на единицу площади поверхности, образовавшейся при разрушении. Сор – критическая трещина Орована.

Сжимающие усилия, в отличие от растягивающих, могут передаваться через существующие трещины, не приводя к концентрации напряжений. В результате хрупкие материалы обнаруживают при сжатии более высокую прочность, чем при растяжении. Однако при достаточно высоких сжимающих условиях хрупкий материал может разрушаться. Разрушение пластин происходит при теоретической величине сжимающих напряжений в 8 раз превышающей теоретическое разрушающее напряжение при растяжении.

σсж = 8 2γЕ (3.9)

нπс

3.2.Пластическое разрушение.

Вчистом виде подход Гриффитса применим только к абсолютно хрупкому телу. В большинстве реальных твердых тел, особенно в металлах, пластическая деформация начинается при сравнительно низких напряжениях. Таким образом, перед разрушением материал претерпевает значительную пластическую деформацию. Пластическое разруше-

ние, происходящее при больших пластических деформациях (ε = 0.1 – 1.0), подразделяется обычно на два случая: разрушение от вязкой трещины и разрушение из-за потери макроскопической устойчивости, в частном случае – образование шейки, рис 3.2.

Основной особенностью пластического разрушения является то, что это процесс многостадийный. Переход от одной стадии к другой определяется структурой материала и уравнениями баланса энергий. На каждой стадии процесса разрушения ведущими становятся новые микроскопические механизмы.

В самом общем виде эволюцию пластического разрушения можно представить в виде следующей последовательности событий.

1. Накопление дефектов кристаллической решетки в результате равномерной пластической деформации. Взаимодействие дислокаций между собой и другими дефектами определяют процессы накопления внутренней энергии и локализации деформации.

32

а б Рис.3.2. Типы пластического разрушения. а – рост вязкой трещины, б –

потеря макроскопической устойчивости.

2.Образование микротрещин является следствием локальной пластической деформации. Образование микротрещин – это релаксационный процесс в ансамбле дислокаций, сопровождающийся уменьшением локальных напряжений. Различным дислокационным моделям свойственны близкие условия зарождения микротрещин. Обычно в реакции участвуют группы по 200-300 дислокаций, а образующаяся микротрещина имеет размеры порядка 0,1 мкм.

3.Рост микротрещин до размеров C>Cор происходит последовательными повторяющимися скачками, в каждом из которых имеются стадии зарождения и развития интенсивной пластической зоны, зарождения и роста в ней микротрещин.

4.Быстрый рост микротрещин. Эта стадия соответствует физическому разрушению материала.

Начальная стадия пластического разрушения может происходить гомогенно во всем теле или какой-либо ее части (например, в поверхностном слое), только если само тело устойчиво по отношению к пластической деформации.

Под устойчивостью пластической деформации будем понимать

следующее. Пусть в момент времени t в какой-либо области V деформация по случайным причинам стала больше, чем всем остальном объеме. Поскольку движение дислокаций есть процесс термоактивированный, то флуктуация скорости пластической деформации вполне вероят-

33

на. Если такая флуктуация затухает, то макроскопическая форма тела изменяется плавно.

Если же флуктуация приводит к локальному росту пластической деформации в объеме V, то это является проявлением неустойчивости процесса пластической деформации. Примером такой локальной пластической неустойчивости может служить пластическая зона впереди вершины макротрещины. Пластическая деформация в этой зоне идет более интенсивно, чем во всем остальном объеме, причем это различие нарастает во времени. Таким образом, в рассмотренном случае разрушение связано с зарождением зоны локальной деформации, т.е. с локальной неустойчивостью.

Кроме локальной, возможно также возникновение макроскопической неустойчивости. Условие макроскопической неустойчивости рассмотрим на примере цилиндрического образца деформируемого растяжением силой F. Пусть в каком-либо сечении образца площадью поперечного сечения S возникла флуктуация пластической деформации dε. Тогда эффективное напряжение σэф, действующее на дислокации, увеличится за счет уменьшения площади поперечного сечения и уменьшится за счет упрочнения:

где h – коэффициент деформационного упрочнения, а σ = F/S.

Для затухания флуктуации пластической деформации необходимо и достаточно, чтобы эффективное напряжение в этом сечении уменьшилось, т.е. чтобы выполнилось неравенство dσ < 0. Следовательно, условие макроскопической устойчивости растягиваемого образца имеет следующий вид:

Для пластичных материалов в начале пластической деформации это условие всегда выполняется. С увеличением пластической деформации h(ε) уменьшается, а σ увеличивается. Начиная с некоторой деформации, необратимое увеличение скорости деформации в какомлибо сечении приводит к его необратимому уменьшению, т.е. к локальной деформации – образованию шейки. Таким образом, пластичность образца при активном растяжении лимитируется потерей устойчивости, а не локальными процессами зарождения и объединения микротрещин.

34

3.3. Усталостное разрушение.

Термином “усталость” обозначают повреждения, возникающие под действием циклических напряжений.

Рис.3.3. Циклическое напряжение. а - σср ¹0, б - σср = 0

Обычно эти напряжения являются знакопеременными, т.е. растяжение сменяется сжатием, как в случае вращающегося вала. Усталость может также возникать в результате циклических изменений напряжения одного знака, как в рессорах автомобиля.

Усталостное разрушение не единый процесс. В зависимости от приложенных напряжений, их характера и числа циклов изменяются и условия разрушения.

35

Точка А соответствует пределу прочности, при котором разрушение происходит за первый цикл. На участке АВС разрушение носит квазистатический характер, т.е. разрушение принципиально не отличается от статического.

Участок СД соответствует началу усталостного разрушения. Появляется усталостная трещина, продвигающаяся вперед при каждом новом цикле нагружения. Критическое число циклов, соответствующее переходу к многоцикловой усталости сравнительно мало Nкр=103÷104. DFG – это участок многоцикловой усталости.

Процессы пластической деформаций и разрушение при циклическом нагружении имеют ряд особенностей. Во-первых, в каждом цикле нагружения дислокации совершают возвратно поступательные движения. Поэтому дислокационные структуры при усталости качественно отличаются от структур, образующихся при статическом нагружении. Это отличие внешне проявляется в том, что на поверхности материала образуются экструзии и интрузии.

Рис.3.5. Схема а) - экструзий и б) - интрузий на поверхности.

В результате такой необратимой деформации на поверхности зарождаются трещины.

Можно выделить две основные модели зарождения усталостной трещины.

36

Рис.3.6. Основные схемы зарождения усталостной трещины. а) – модель утонения экструзий; б) – зарождение трещины на максимальной интрузии.

Согласно модели (Рис. 3.6,а) экструзия развивается не только благодаря продольному движению слоев материала, но и путем утонения полос. Утонение вызывает появление растягивающих напряжений и, как следствие, отслоения экструзии.

Вторая модель появления микротрещин (Рис.3.6, б) основана на том, что в слое под интрузией возникают растягивающие напряжения, которые достаточны для зарождения трещины порядка 1 мкм.

Рис.3.7. Зарождение усталостной трещины.

37

Зародившиеся на поверхности микротрещины медленно и устойчиво растут. Заметим, что если микротрещины зарождаются под углом 45° к направлению действия напряжения, то начало устойчивого роста трещины переходит в плоскость перпендикулярную нормальному напряжению.

Рис. 3.8. Поверхность усталостного разрушения.

Таким образом, состояние поверхности детали весьма сильно влияет на процессы зарождения и роста усталостных трещин.

3.4. Изнашивание деталей машин

Эксплуатация деталей машин сопровождается трением и постепенным зависящим от времени изменением размеров и массы. Этот процесс, который обусловлен пластическим деформированием и разрушением поверхностных слоев деталей, называется изнашиванием.

Согласно принятой системе классификации изнашивания по разным принципам, например по виду сред и условиям работы пар трения, выделяют механическое изнашивание, абразивное изнашивание, высокотемпературное окислительное изнашивание, изнашивание потоком жидкости и др.

По механизму разрушения трущихся поверхностей различают следующие виды изнашивания: адгезионное, абразивное, коррозионное, усталостное, ударное, кавитационное и эрозионное.

38

Важным критериями оценки сопротивления изнашиванию является износ h и скорость изнашивания dh/dτ. Износ и скорость изнашивания зависят от времени (рис. 3.9).

Выделяют три характерных периода изнашивания: 1 – период приработки, при котором скорость изнашивания велика, но постепенно убывает; 2 – период установившегося изнашивания, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания; 3 – период ускоряющегося изнашивания, главным признаком которого является увеличивающаяся скорость изнашивания.

Приработка происходит в течение непродолжительного времени. Здесь происходит быстрое изнашивание выступов на поверхности контакта и шероховатость уменьшается. В результате приработки скорость изнашивания уменьшается и система переходит в состояние, при котором скорость изнашивания минимальна. Третий период наступает при значительном ускоряющемся повреждении трущихся поверхностей.

Адгезионное изнашивание. Как было показано ранее, реальная поверхность детали всегда имеет некоторую волнистость и многочисленные микроскопические дефекты. Поэтому контакт двух поверхностей в условиях трения происходит в отдельных выступающих точках (Рис. 3.10). Трение двух металлических поверхностей под нагрузкой происходит в условиях пластической деформации металла в точках фактического контакта, развитие которой сопровождается сближением поверхностей вплоть до активации сил взаимодействия между атомами сопряженных поверхностей и возникновения адгезии на отдельных участках (Рис. 3.11).