Что может служить причиной излома

Что понимается под хрупким и вязким изломом. Причины их возникновения.

Вязкий излом – излом, который происходит при наличии макропластических деформаций. Вязкому излому подвержены: несущие элементы пространственных конструкций, напряженные болты. Причины вязкого излома: значительные перегрузки вследствие резкого нарушения условий нормальной эксплуатации. Поверхность излома не имеет кристаллического блеска, на поверхности разрушения имеются скосы и волокнистость.

Хрупкий излом возникает при отсутствии или при незначительных размеров макропластической деформации. Причины хрупкого излома: мгновенное приложение нагрузки (наличие ударных нагрузок), наличие концентраторов напряжений в опасном сечении деталей, хладноломкость материала, дефекты ТО, низкое качество материала. Хрупкому излому подвержены: сварные соединения, фасонные детали, болты, валики, имеющие высокую твердость, чугунные отливки. Поверхность излома перпендикулярна направлению растягивающих напряжений и имеет кристаллическое строение часто с рубцами, расходящимися лучеобразно из зоны начала разрушения.

Что такое замедленное разрушение. Причины его появления

Детали с повышенным пределом прочности (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 замедленное разрушение, причина которого заключается в неравномерности развития пластичной деформации в микроструктуре стали.

Поверхность излома при замедленном разрушении имеет макрохрупкий характер и располагается перпендикулярно направлению максимальных растягивающих напряжений.

Факторами, повышающими вероятность замедленного разрушения, являются дефекты конструкции и монтажа, некачественная термообработка, наличие концентраторов напряжений, наводораживание в процессе нанесения гальванических покрытий.

Понятия усталость, выносливость. От чего зависят эти показатели

Явление разрушения материала под действием переменных напряжений в течение некоторого срока службы наз. 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 напряжения наиболее не благоприятен в отношении циклической прочности.

Усталость материала — процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время. Обратное свойство материала называется выносливостью. Зависит от исходных свойств материала, вида напряжённого состояния, нагружения и влияния среды.

Усталостный излом. Причины возникновения, механизм развития

Усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Зарождению усталостной трещины способствует наличие микродефектов и концентраторов напряжения в опасном сечении деталей.

Усталостный излом характеризуется наличием очага разрушения, зоны усталостной трещины и зоны долома. Особенностью его является то, что вне зависимости от вязкости материала он имеет хрупкий характер.

Процесс зарождения трещины усталости начинается в точке (фокус излома) в результате наличия на поверхности микродефекта (риски, неметаллическое включение). Возникнув в микрообъеме металла, усталостная трещина под влиянием переменной нагрузки распространяется вглубь тела детали. На поверхности излома наблюдаются концентрационные волны, которые свидетельствуют о постепенном развитии трещины отдельными импульсами, по мере ослабления сечения шаг концентрационных волн увеличивается, темп развития трещины усиливается и при определенном остаточном сечении происходит долом детали.

Усталостному излому подвержены: валы, оси, шатуны, болты, сварные соединения, подвергающиеся длительному воздействию многократно повторяющихся нагрузок. Причины возникновения усталостного излома: пониженная прочность материала, длительное действие знакопеременных нагрузок, цикличность напряжений.

Что общего имеют усталостные изломы

Усталостные изломы имеют много общего:

1) Зарождение трещины всегда происходит в месте концентрации напряжений (шлаковое включение, микротрещина, переходная зона микроструктуры, граница сварного шва, резкое изменение сечения детали);

2) Развитие трещины протекает с временными паузами;

3) Независимо от того, что уровень максимальных действующих напряжений обычно ниже предела текучести, в результате беспрепятственного развития трещины происходит полное разрушение детали.

Остаточные деформации. Причины возникновения, детали подверженные этому виду деформаций

Остаточная деформация приводит к изменению размеров и конфигурации деталей (удлинение, изгиб, вмятины), либо к аварийному разделению детали на части (излому). Этому виду деформаций подвергаются поверхности катания бандажей, рельсов, болты, подшипники скольжения. Причинами возникновения являются: длительное действие контактных растягивающих и сжимающих напряжений, повышение температуры металла.

Какие виды разрушения металла включает механические изнашивание

В натуральных условиях эксплуатации различного оборудования самым распространенным является механическое изнашивание, включающим в себя абразивное гидроабразивное, ударно-абразивное, коррозионное, усталостное и кавитационное изнашивание. Реальным условиям работы оборудования и инструмента составляют различные схемы внешнего силового нагружения эти схемы можно систематизировать по характеру воздействия абразивной частицы на поверхность трения: 1. трение скольжения и качения 2. соударение метала с абразивом 3. воздействие на рабочую поверхность поток абразивных частиц переносимых воздухом или жидкостью.

Все схемы взаимодействия абразивных частиц с поверхностью имеют один общий элемент в каждом случае отделение частиц от поверхности трения предшествует механическое разрушение метала. Силовой фактор в раскрытии механического изнашивания имеет важное значение: с ним связаны последующие поиски критериев оценки износостойкости стали и сплавов. Зная заранее условия нагружения узла или детали модно определить ведущую роль в статически динамических или смешанных нагрузок и их взаимосвязь с характером изнашивания.

Источник

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.

Источник

Изломы деталей

Излом является конечным результатом разрушения материала детали, что приводит к ее расчленению под действием нагрузки. Обычно на поверхности излома можно различить пять характерных зон:

1) фокус излома – малая локальная зона, близкая к точке возникновения начальной трещины. Обычно фокус излома располагается на поверхности детали в местах концентрации напряжений или поверхностных дефектов. Если в теле детали были внутренние дефекты или деталь подвергалась поверхностному упрочнению, фокус излома может располагаться внутри детали;

2) очаг разрушения – небольшая зона, прилегающая к фокусу излома. При больших напряжениях может быть несколько очагов разрушения. На поверхности излома эта зона имеет наибольшие блеск и гладкость. Усталостные линии на очаге разрушения обычно отсутствуют;

3) участок избирательного развития соответствует зоне развития трещины. Здесь видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера нагружения. Направления развития трещины могут отклоняться от первоначального. При этом образуются зародыши трещин, развивающиеся в другом направлении. От их слияния образуются вторичные ступеньки и рубцы;

4) участок ускоренного развития является переходной зоной между участками усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зона образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разрушению;

5) зона долома характеризуется признаками макрохрупкого разрушения. Внешний вид излома позволяет определить причину его возникновения и динамику развития повреждения. Широкое распространение получила классификация по характеру разрушения.

Вязкое разрушение

Внешний вид

Имеет волокнистое строение, без кристаллического блеска (неровные участки рассеивают свет, поэтому поверхность излома кажется матовой). Характерным признаком является наличие боковых скосов по краям излома.

Характер развития

Сопровождается интенсивной пластической деформацией материала детали. Первичные изломы редко бывают вязкими. Относительно медленно развивающаяся вязкая трещина либо заблаговременно обнаруживается, либо из-за чрезмерной пластической деформации деталь еще до разрушения перестает выполнять свои функции.

Причина возникновения

Происходит при воздействии значительных кратковременных сил, возникающих при заклинивании механизма или нарушении технологического режима работы. Может иметь место при длительном действии сил, вызывающих напряжения, превышающие предел текучести материала детали.

Хрупкое разрушение

Внешний вид

Имеет ярко выраженное кристаллическое строение у недеформируемых материалов и гладкое от сдвига у мягких материалов. Кромки изломов гладкие, ровные, без скосов или с небольшими скосами. Скос на хрупком изломе указывает место долома (окончания разрушения).

Характер развития

В большинстве случаев начинают развиваться в зонах концентрации напряжений (в местах приварки элементов жесткости, пересечения сварных швов, у отверстий и галтелей, в зонах резкого изменения толщины). Очагами часто являются дефекты сварки (горячие и холодные трещины, непровары, подрезы, шлаковые включения, поры, расслоения металла).

Причина возникновения

Происходит внезапно при однократном приложении силы или под действием повторных ударных сил при малой степени местной пластической деформации.

Усталостное разрушение

Внешний вид

Выделяются: зона усталостного разрушения, имеющая мелкозернистое строение, с фарфоровидной или шлифованной поверхностью; зона статического разрушения – с волокнистым строением у пластичных металлов и крупнозернистым у хрупких.

Характер развития

Возникает в процессе постепенного накопления повреждений в материале детали, находящейся под действием переменных напряжений, которые приводят к образованию микротрещин, их развитию, появлению трещин и окончательному разрушению детали.

Причина возникновения

Является одним из основных видов повреждения деталей от действия циклических нагрузок.

«Усталостный излом является наиболее часто встречающейся причиной при внезапных отказах оборудования. Определение условий возникновения усталостного разрушения по виду излома является основным методом анализа внезапных отказов оборудования и дает возможность предупреждать аналогичные отказы в дальнейшем».

Явно выраженные внешние признаки усталостного разрушения на поверхности изломов наблюдаются только у стальных деталей. У деталей, изготовленных из цветных сплавов (магниевых, алюминиевых), во многих случаях бывает трудно установить по поверхности излома характер разрушения. Это объясняется тем, что строение усталостного излома зависит от степени перегрузки: при малых перегрузках трещина усталости развивается медленно, при высоких – быстро. При медленном развитии трещины усталости – вид поверхности излома приближается к виду блестящей (шлифованной) поверхности и резко отличается от зоны мгновенного разрушения. На поверхности излома видны кольцевые линии. При быстром развитии трещины усталости – зоны почти не отличаются одна от другой и могут не иметь кольцевых линий. При действии циклических напряжений одного знака, например, только раскрывающих усталостную трещину, строение зоны усталости будет более крупнозернистым, чем при действии знакопеременных напряжений. В связи с этим в первом случае зона усталости может слабо отличаться от зоны долома. Усталостный излом детали из крупнозернистого цветного или жаропрочного сплава более грубый, а излом детали из мелкозернистой стали выглядит более гладким.

Особенности зарождения трещин и характер продвижения линии фронта трещины зависят от вида и характера нагружения (рис. 1):

а) растяжение вызывает локальную деформацию или «шейкообразование». Поверхность трещины формируется плоскостями разделения, наклоненными под углом 45° к направлениям нагрузки. Образующиеся изломы типа «чаша-конус» характеризуются появлением во время разрушения в центральной части сечения начальной трещины, от которой в разные стороны расходятся более или менее четко выраженные рубцы (излом чашей). При термообработке меняется размер чаши относительно всего сечения детали. При этом с повышением твердости размер дна чаши увеличится;

б) отказы из-за сжатия происходит в двух основных формах: сжатие бруса и изгиб (выпучивание);

в) можно выделить два вида разрушений при сдвиге: срез бруса и изгиб (коробление). При срезе бруса две половины трещины скользят одна по другой, поверхность подвергается трению, в результате чего трещина заглаживается или происходит задир поверхности. Направление задира показывает направление приложения силы среза;

г) кручение – это форма сдвига. Две половины разрушенного металлического образца сохраняют некоторый остаточный изгиб. Поверхность трещины часто имеет вид такой же, как и при растяжении, и наклонена под углом скручивания;

д) моменту изгиба оказывают сопротивление растягивающие и сжимающие напряжения. Разрушение материала при этом аналогично образованию трещин при растяжении с внешней стороны изгиба и сжатии с внутренней стороны изгиба.

(а)	(б)
(в)	(г)
Рисунок 1 – Зависимость излома от характера нагружения: а) чашечный излом при растяжении; б) косой излом при изгибе; в) изгиб при вращении (при умеренных напряжениях и локальном концентраторе – шпоночном пазе); г) изгиб при вращении (при высоких напряжениях и слабом концентраторе по окружности)

Детали с повышенным пределом прочности (например, закаленные болты) или с поверхностным упрочнением, находящиеся под статической нагрузкой, через некоторое время после первоначального нагружения иногда разрушаются, несмотря на сравнительно низкие значения действующих напряжений. Здесь имеет место так называемое «замедленное разрушение», причина которого заключается 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 так далее.

Длительное действие нагрузки при повышенной температуре материала детали обычно вызывает малопластичные изломы (рис. 2). При высоких температурах поверхность излома грубозернистая с крупными неровностями. Цвет поверхности темный, так как она покрыта окисной пленкой. Вблизи излома обычно наблюдается растрескивание металла.

Рисунок 2 – Излом при длительной нагрузке в условиях повышенной температуры

Дефекты закалки (рис. 3) также являются распространенной причиной, приводящей к изломам (табл. 1).

Рисунок 3 – Дефект закалки – неравномерная по зернистости поверхность излома свидетельствует о нагреве до более высокой температуры, чем требовалось

Таблица 1 – Характеристика изломов, обусловленных дефектами закалки

Проявление	Причина
Поверхность излома волокнистая, напильник оставляет заметный след на детали	Изделие не было нагрето до необходимой температуры
Поверхность излома неравномерная по зернистости	Изделие было нагрето до более высокой температуры, чем требовалось
Излом крупнозернистый, с сильным белым блеском	Изделие было нагрето до чрезмерно высокой температуры и находилось при этой температуре продолжительное время
Излом неоднородный, местами незакаленные и хорошо закаленные зерна, на ребрах и тонких частях наблюдаются пережженные зерна	Изделие было нагрето слишком быстро или неравномерно
Закаленный слой мелкозернистый, равномерный	Температурный режим выдержан

Последовательность проведения фрактографического исследования

Фрактография включает в себя совокупность методов исследования изломов материалов, которые на основе сведений о строении поверхностей разрушения дают возможность определять причины изломов. Изучение изломов и деформаций деталей позволяет установить последовательность их разрушения в оборудовании; является ли разрушенная деталь причиной или следствием отказа; вид, характер и направление приложения нагрузок, действовавших на детали в процессе их разрушения; качество изготовления деталей, в том числе их материала.

Визуальный и макроскопический осмотр разрушенной детали рекомендуется проводить в следующей последовательности:

1. Изучение разрушенной детали начинают с внешнего осмотра, в ходе которого определяют, есть ли изломы, трещины, вмятины, царапины, другие механические или химические повреждения, а также деформации детали. Замеченные особенности наносят на схему детали или ее фотографию.

Для исследования излома желательно иметь все части разрушенной детали в том виде, в каком они были обнаружены после отказа, а также все остальные поврежденные детали. При этом излом следует тщательно охранять от механических повреждений и дальнейшего окисления – сильно забитая, окислившаяся или загрязненная поверхность излома может сделать невозможным его изучение.

2. Осмотр неочищенной поверхности излома невооруженным глазом и при помощи лупы увеличением ×5…×10 позволяет выявить общий характер строения излома, достаточно крупные дефекты материала и так далее. Визуальный осмотр применяется как самостоятельный метод анализа излома, а также является необходимой и обязательной начальной стадией всех прочих методов.

На этом этапе также осуществляют фотографирование или зарисовку схемы неочищенного излома.

3. Только после осмотра поверхностей исследуемой детали и излома в первоначальном виде, при необходимости, его аккуратно очищают от посторонних веществ (грязи, масла, копоти, ржавчины и посторонних отложений), поскольку наличие окислов и следов затекшего масла, краски на поверхности излома может указывать на границу трещины, возникшей в детали при изготовлении или в начале ее работы.

Во время очистки, промывки, просушки и последующего осмотра излома необходимо соблюдать следующие правила:

При необходимости (например, в случае крупногабаритных деталей или для последующего металлографического исследования) от детали может отрезаться образец с поверхностью излома. При этом следует помнить, что термические способы резки в данном случае являются недопустимыми, поскольку могут привести к структурным изменениям в образце, в том числе на поверхности излома, что отрицательно повлияет на достоверность результатов исследования. Поэтому образцы рекомендуется отрезать посредством абразивного инструмента или на станке в условиях смазки и охлаждения (рис. 4).

Рисунок 4 – Правильно подготовленные образцы: в поверхностном слое образцов отмечается закаленная зона глубиной до 5 мм с многочисленными трещинами, глубина которых превышает толщину закаленного слоя

4. Осмотр очищенного излома невооруженным глазом, при помощи лупы увеличением ×5…×10, бинокулярного микроскопа при увеличении ×20…×80 и отдельных участков излома при увеличении ×80…×120. Общим правилом при пользовании оптическими приборами для рассмотрения строения излома является постепенный переход ко все большим увеличениям. В ходе осмотра излом наклоняют под разными углами к наблюдателю при косом освещении, что дает возможность определить рельеф различных участков излома и выявить участки с различным блеском.

5. Выявляемое после очистки поверхности более детальное строение излома отмечается на схеме или фиксируют путем фотографирования, в том числе отдельных участков его поверхности (рис. 5). При наличии характерных отложений излом целесообразно сфотографировать до и после очистки.

Рисунок 5 – Пример последовательного фотографирования поверхности излома

Угол освещения фотографируемой поверхности выбирают в зависимости от характера неровностей для более четкой передачи на фотоснимке той или иной особенности строения излома. Кристаллические изломы лучше фотографировать в затемненном поле, так как яркие блики на снимке уменьшают четкость изображения. Увеличение выбирают, исходя из шероховатости поверхности и общих габаритов детали или образца. При этом зачастую нецелесообразно стремиться к большим увеличениям, чтобы не снижать глубину изображения. Обычно четкая картина макростроения излома получается при увеличении не более ×10, а при фотографировании изломов из цветных сплавов, имеющих, как правило, особенно шероховатую поверхность, не более ×5.

Материал предоставили СИДОРОВ Александр Владимирович, СИДОРОВ Владимир Анатольевич.

Больше информации по указанной теме можно найти в книге «Управление отказами оборудования», подготовленной под эгидой Ассоциации эффективного управления производственными активами (Ассоциации EAM). Первая часть издания доступна здесь, а вторая – здесь.

Источник