Усталостный излом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Усталостный излом

Строение усталостных изломов, линии усталости, бороздки, храповый узор

Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение при напряжении ниже предела текучести. Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называется усталостью, а свойства металлов сопротивляться усталости - выносливостью. Усталостный излом обладает специфическими признаками, отличающими его от излома, получаемого при статическом нагружении.

В типичном усталостном изломе можно выделить три зоны:

место зарождения трещины;

зона стабильного развития трещины, которая чаще всего характеризуется линиями усталости, представляющие собой примерно концентрические контуры. Фокус этих контуров находится в месте зарождения усталостной трещины. Поверхность этой зоны гладкая, притертая. Такой характер поверхности является результатом наклёпа, вызываемого повторяющимися нажатиями двух поверхностей трещины одна на другую или их взаимным трением при перемене знака напряжения.

Зона долома - результат заключительной стадии усталостного разрушения, протекающий в зависимости от условий испытаний или работы по вязкому или хрупкому механизму. Соответственно излом в этой зоне имеет волокнистый или кристаллический вид.

Наиболее характерной деталью поверхности излома являются линии усталости в зоне стабильного развития трещины. Отдельные линии характеризуют последовательное расположение фронта трещины, где происходят задержки при её распространение в металле. Линии остановки фронта трещины могут образовываться в результате:

изменения величины циклических нагрузок;

избирательного окисления или коррозии отдельных зон поверхности излома;

небольшой местной пластической деформации в области высокой концентрации напряжений у вершины трещины.

а б

Рис. 1. Усталостный излом:

а - схема усталостного излома; б - характерный вид усталостного излома

Расположение линий усталости и величина промежутков между ними могут быть использованы для качественной оценки скорости распространения трещин.

Кроме линий усталости в изломе могут наблюдаться бороздки и зубчатый узор (храповый).

Усталостные бороздки являются результатом распространения усталостных трещин. Обычно они микроскопические и могут быть обнаружены в такой структуре отдельных линий усталости.

Хорошо различимые усталостные бороздки наблюдаются в изломах, полученных в результате многоцикловой усталости. Они распространяются по многим плоским террасам, которые соединены ступеньками сдвига.

Рис. 2. Бороздки при многоцикловой усталости на поверхности алюминиевого сплава. Черной стрелкой показано направление распространения трещины, 4900Х, ПЭМ

В реальных условиях распространяющаяся усталостная трещина находится под воздействием повторяющихся нагрузок различной величины, что отражается фрактографически в виде изменения расстояния между усталостными бороздками. По этим расстояниям можно оценить уровень напряжений, которым могла подвергаться разрушенная деталь.

Храповый узор является макроскопической особенностью усталостных изломов валов и пружин. Для его возникновения требуется одновременное зарождение нескольких усталостных трещин, чему способствуют высокие напряжения, наличие концентраторов на поверхности (грубых рисок, резких переходов, шлифовочные ожоги, коррозионные питтинги и т.д.).

Рис. 3. Влияние спектра нагружения на расстояния между бороздками в алюминиевом сплаве, при лабораторных испытаниях, 4900Х, ПЭМ

В результате развития процессов разрушения на поверхности излома остаются характерные следы, которые дают возможность обнаружить место расположения очага разрушения, определить направление распространения трещине и различить зону долома.

Рис. 4. Усталостный излом вала из стали 50 с твердостью 35 HRC, образовавшийся под действием изгиба с вращением

Разработана классификация усталостных изломов в основу которой положены:

Сечение детали: круглое, квадратное, прямоугольное;

Тип концентратора: нет, мягкий, острый;

Напряжение: низкое, высокое;

Условия нагружения: растяжение циклическое, сжатие циклическое, односторонний изгиб, знакопеременный изгиб, изгиб с вращением, кручение.

На рис. 8.4 виден храповый узор, показывающий, что усталостные трещины во многих местах вдоль острой круглой канавки. Эксцентричность овальных линий усталости свидетельствует о внецентренном характере нагружения.

Практическое знакомство с возникновением и развитием усталостных дефектов

Практическое знакомство с возникновением и развитием усталостных дефектов выполним на примере излома рельсов с использованием материалов из зарубежной печати.

Назначение рельсов - создать поверхности с наименьшими сопротивлениями для качения колёс подвижного состава, непосредственно воспринимать и упруго передавать воздействие силы от колёс на опоры (шпалы, брусья) и направлять в движении колёса подвижного состава. На участках с автоблокировкой рельсовые нити служат проводниками сигнального тока, а на участках с электрической тягой - обратного тягового тока.

Тип современных рельсов обозначают буквой Р и числом, округленно равным массе 1 м рельса. Например, рельс, 1 м которого имеет массу 64,72 кг, обозначается Р65.

Поверхность катания головки рельсов для центральности передачи давления имеет выпуклое криволинейное очертание. Средняя часть головки прокатывается по радиусу 500 мм, переходящему в радиус 80 мм и затем в радиус 15 мм. Боковые грани головки делают наклонными 1:20, а нижние грани головки и верхнюю поверхность подошвы рельса - 1:4, как и опорные поверхности стыковых накладок. При затяжке болтов накладки входят как клин в пазуху рельса, распирая головку и подошву.

Нижняя грань головки сопрягается с шейкой рельса двумя радиусами - верхним 5 мм у рельсов Р50 и 7 мм у рельсов Р65 и Р75 и нижним соответственно 12,15 и 17 мм, с тем чтобы местные подголовочные напряжения (при переходе от широкой головки к тонкой шейке) были возможно меньшими. Боковые грани шейки рельсов Р50, Р65 и Р75 имеют криволинейное очертание по радиусам соответственно 350, 400 и 450 мм. Шейка с подошвой сопрягается по радиусу большему, чем с головкой (20 мм у рельсов Р50 и 25 мм у Р75 и Р65).

На сети дорог завершен переход к рельсам длиной 25 м не только прокатом новых на заводе, но и сваркой старогодных рельсов по длине 25 м. Рельсы прежней стандартной длины 12,5 м используют только как уравнительные на бесстыковом пути, при укладке стрелочных переводов и как инвентарные при сборке путевой решётки с железобетонными шпалами с последующей заменой их бесстыковыми рельсовыми плетями. для укладки на внутренней нити кривых изготовляют укороченные рельсы длиной 24,84 и 24,92 м при 25-метровых рельсах и 12,42 и 12,46 при 12,5-метровых, а для бесстыкового пути еще и 12,38 м.

Вновь выпускаемые рельсы имеют круглые отверстия для болтов. Такая их форма выбрана по условиям увеличения прочности рельсов и упрощения технологии изготовления. Болтовые отверстия на концах рельсов просверливают перпендикулярно к вертикальной продольной плоскости рельсов; заусенцы и наплывы металла у болтовых отверстий и на торцах рельсов удаляют зачисткой. Предусмотрено снятие фаски глубиной 1…1,5 мм на кромках болтовых отверстий и по нижним кромкам головки рельсов.

Концы рельсов должны быть отфрезерованы перпендикулярно продольной оси рельса; перекос торцов не должен быть более 1,0 мм при измерении в любом направлении. Расстояние от торца рельса до первого отверстия у рельсов Р75 и Р65 равно 96 мм, между осями первого и второго отверстия - 220 мм и от оси второго до оси третьего - 130 мм; у рельсов Р50 эти расстояния составляют соответственно 66, 150 и 140 мм. Все эти расстояния имеют допуски +1 мм.

Рис. 8.5. Рельсы железнодорожные

Маркировка новых рельсов

Все новые рельсы маркируются на заводах, что обеспечивает контроль за качеством рельсов при их изготовлении и эксплуатации. Заводская маркировка рельсов делается постоянной (клеймение) и временной (красками).

На одной стороне, на средней линии шейки вдоль каждого рельса выкатываются выпуклые (не менее 1 мм) с плавным переходом к поверхности шейки цифры и буквы высотой от 30 до 40 мм в следующем порядке:

обозначение предприятия-изготовителя (начальная буква названия завода: А - завод «Азовсталь», Д - Днепродзержинский комбинат, К - Кузнецкий металлургический комбинат, Т - Нижнетагильский металлургический комбинат);

месяца - римскими цифрами и две последние цифры - года изготовления рельсов;

типа рельсов; обозначение головного конца стрелкой.

На шейке вдоль оси каждого рельса (на той же стороне, где вы катаны выпуклые знаки) наносятся в горячем состоянии номер планки в 2--6 местах по длине рельса на расстоянии не менее 1,0 м от его концов (номер плавки рельсов 1 группы должен начинаться с буквы П); обозначение порядкового номера рельса.

Клейма, наносимые на шейку горячего рельса, должны быть вы сотой 12 мм и углублены в тело на 0,8…1,5 мм. Расстояние между знаками должно быть 20…40 мм.

По окончании отделки рельсов на один торец рельса клеймением наносят:

- на торце головки инспекторские клейма - для рельсов I сорта один керн, один знак «Ключ и молоток», один знак «Серп и молот»;

- для рельсов II сорта два керна, два знака «Ключ и молоток»;

на торце в нижней четверти шейки рельса - знак о закалке рельса К (если закалены только концы рельса) или З (если рельс закален по всей длине);

на торце выше знака о закалке на шейке наносятся знаки головных и донных рельсов - I (рельс прокатан из головной части слитка) или Х (рельс прокатан из донной части слитка);

- на торец подошвы рельса - номер плавки, повторяя номер плавки, указанный на шейке вдоль рельса.

Для указания особенностей каждого рельса делают дополнительную маркировку рельсов красками.

На принятые рельсы 1 сорта наносится маркировка обводкой приёмочных клейм по контуру головки несмываемой краской: голубого цвета у рельсов группы 1;

- белого цвета у рельсов группы II.

Рельсы I класса обозначаются в верхней четверти рельса поперечной полосой фисташкового цвета, II класса -- поперечной желтой полосой.

На рельсах дополнительно указывается закалка. Вдоль «сырого» рельса на головке на расстоянии около 0,5 м от торца наносится полоса шириной около 20 мм голубого (рельсы I группы) или белого (рельсы II группы) цвета.

Закалённый рельс обозначается вдоль рельса на расстоянии около 1 м от торца на шейке поперечной полосой шириной около 20 мм фисташкового цвета, а также вдавленным кольцом диаметром 15… 20 мм на шейке с обозначением номера плавки.

Рельсы I сорта в торце имеют закрашенную половину шейки и нижнюю часть подошвы красным («сырой» рельс) или зеленым («закаленный» рельс).

На обоих торцах головки рельсов, не соответствующих требованиям стандарта, выбивается по три керна, а торцы их закрашиваются тёмно-синей несмываемой краской.

17 октября 2000 г. около Хатфилда (к северу от Лондона) произошло крушение поезда с человеческими жертвами из-за излома рельса, обусловленного развитием усталостного дефекта в виде трещин на боковой рабочей поверхности головки рельса. Такие дефекты обычно возникают на наружном рельсе кривых. Сломанный рельс имеет характерную для этого дефекта темную поверхность излома, наклоненную под углом к направлению движения.

В приведенном случае поезда двигались справа налево, а тяговое усилие действовало на рельс в обратном направлении, сдвигая головку рельса и особенно поверхностный слой в зоне контакта колеса и рельса. Вокруг темного пятна поперечное сечение рельса имеет зернистый контур, по которому произошел хрупкий излом, являющийся конечной стадией усталостного разрушения. Излому предшествовало возникновение в нескольких миллиметрах от поверхности рельса трещины на рабочей выкружке головки, наклоненной под острым углом 20 - 30°.

По внешнему виду излом, происходящий в результате зарождающегося на поверхности головки усталостного дефекта в виде трещин, существенно отличается от излома, который происходит в результате появления усталостного дефекта в виде овальных пятен внутри головки рельса. Зарождению усталостных дефектов в виде овальных пятен способствуют такие внутренние пороки, как неметаллические включения и примеси, которые в последнее время чаще всего встречаются в сварных стыках, а не в рельсах, поскольку рельсовая сталь имеет более высокую чистоту. Внутренние дефекты иногда распространяются вверх и встречаются с поверхностными трещинами, однако в большинстве случаев сломанные по этому дефекту рельсы имеют зернистую поверхность, характерную для хрупкого излома. Это важное различие между двумя видами дефектов широко не признано и приводит к недооценке влияния на излом рельсов усталостных дефектов в виде поверхностных трещин на рабочей выкружке головки рельса. Согласно официальной статистике, в Великобритании на эту причину приходится только несколько процентов изломов рельсов, но при этом около 20-30 % изломов имеет место в наружной нити и очень мало во внутренней нити кривых. Почти все такие изломы отнесены на усталостные дефекты, зарождающиеся внутри головки рельсов.

Статистические данные показывают, что на железных дорогах других стран контактно-усталостные дефекты рассматривают как более серьезную проблему. Национальное общество железных дорог Франции (SNCF) установило, что в 1992 г. 20 % изломов рельсов произошло в результате усталостных дефектов, зарождающихся на поверхности катания головки в виде темных пятен. В эти же годы аналогичные дефекты являлись основной причиной преждевременной замены рельсов на скоростных линиях в Японии. Ранее, в 1982 г., поверхностные усталостные дефекты обусловили 12 % общих затрат на замену рельсов железнодорожной компании Canadian Pacific, несмотря на предпринимаемые меры по решению этой проблемы.

Следует отметить, что первые исследования по изучению причин возникновения поверхностных усталостных дефектов были проведены в 1970-1980-х годах в университете Кембриджа, Великобритания. В Европе фундаментальные исследования по этой проблеме, проведенные при поддержке Европейской комиссии и существенном участии Великобритании, были завершены в начале 2000 г. На основании этих исследований предусматривалось разработать меры по снижению интенсивности развития этих дефектов и сорта стали с повышенной сопротивляемостью образованию усталостных дефектов. При отсутствии финансовой поддержки на продолжение этих работ со стороны ЕС было решено (до крушения около Хатвилда) продолжить британскую часть проекта при поддержке администрации Railtrack и железнодорожных компаний Corus Rail и Schweerbau UK.

Причины усталостных дефектов в рельсах

Контактно-усталостные дефекты рельсов делятся на две основные группы: возникающие на поверхности катания рельсов и зарождающиеся внутри головки. К поверхностным дефектам относятся трещины на рабочей выкружке головки рельса, дефекты на поверхности катания головки в виде темных пятен и волосные поверхностные трещины. Усталостные дефекты возникают вследствие значительных напряжений в головке рельсов в условиях действия высоких нагрузок от колес подвижного состава. Это обусловлено тем, что в Великобритании высокоскоростные поезда обращаются на линиях с большим недостатком возвышения в кривых, что и вызывает перегрузку наружной рельсовой нити, особенно от вагонов с высоким расположением центра тяжести.

В этих условиях нагрузки на наружные рельсы в кривых аналогичны тем, которые имеют место на линиях с движением тяжеловесных поездов. Такие нагрузки вызывают особо высокие напряжения при рассогласовании профилей колеса и рельса. Поэтому профиль рельса играет важную роль, особенно для твердых рельсов, которые не могут быстро прирабатываться к профилю колес из-за повышенной износостойкости и сопротивляемости пластическим деформациям. Трещины на поверхности рельсов зарождаются в результате сочетания высоких вертикальных нагрузок и горизонтальных растягивающих усилий, которые вызывают сдвиг поверхностных слоев металла. Направление поверхностных трещин указывает на направление растягивающего усилия. Так, поверхностные дефекты в виде темных пятен, возникающие в прямых и пологих кривых, имеют направление трещин поперек оси рельса. Они возникают от действия значительных продольных сил тяги. Волосные трещины, которые появляются на наружной рельсовой нити в кривых, обычно ориентированы под углом к направлению движения и являются следствием сочетания значительных поперечных и продольных сил тяги (рис. 6). В нескольких случаях выявлено направление трещин вдоль оси рельса, что обусловлено значительными поперечными растягивающими усилиями (рис. 7). Трещины на рабочей выкружке головки рельса, имеющие место в Великобритании на скоростных линиях в кривых с большим недостатком возвышения, направлены поперек оси рельса и обусловлены значительными продольными растягивающими усилиями. Когда трещина вырастает из относительно тонкого, сильно деформированного слоя у поверхности головки рельса, она стремится изменить направление дальнейшего развития, ориентируясь под прямым углом к оси рельса. Иногда она может выйти на поверхность головки рельса или встретиться с другими трещинами, вызывая отслоение металла. Большое влияние на характер развития трещин оказывают значительные напряжения в рельсе: остаточные от прокатки, температурные и изгибные. Если трещину не удалось обнаружить и устранить, то она продолжает расти до тех пор, пока рельс не перестает выдерживать изгибающий момент от подвижной нагрузки или ударное воздействие колес с ползуном. В обоих случаях результатом становится излом рельса. Можно предположить, что поскольку большие напряжения в основном действуют в продольном направлении, то трещины, направленные поперек продольной оси рельса, оказываются более опасными, чем расположенные под углом к оси рельса.

Рис. 6. Общий вид головки рельса с трещинами, направленными под углом к оси рельса

Рис. 7. Общий вид головки рельса с трещинами, направленными вдоль оси рельса

Увеличение числа контактно-усталостных дефектов в рельсах связано не только с ростом осевых нагрузок, но и с существенным снижением интенсивности износа рельсов в результате более эффективного их смазывания. Железные дороги с тяжеловесным движением, которые первыми столкнулись с повышенным износом колес и рельсов без должного смазывания, первыми же испытали серьезные проблемы с ростом дефектов рельсов. Тяжелые условия эксплуатации при отсутствии полного представления о причинах возникновения усталостных дефектов и влиянии на их развитие осевых нагрузок, сорта стали и других факторов заставили эти железные дороги искать средства борьбы с дефектами. Железные дороги с тяжелыми режимами эксплуатации не имели ни времени на проведение исследований, ни достаточных средств на непрерывную замену поврежденных или дефектных рельсов. Тем не менее, некоторым из них удалось существенно сократить число дефектов и изломов рельсов, а также снизить на 60% и более число заменяемых рельсов.

Меры по предотвращению развития усталостных дефектов в рельсах

Основным средством устранения усталостных дефектов в виде трещин на рабочей выкружке головки рельса является периодическое шлифование рельсов. Идея выборочного шлифования для искусственного увеличения интенсивности бокового износа рельсов была предложена специалистами Национального исследовательского центра Канады. С помощью шлифования удаляются мелкие поверхностные трещины, глубина которых составляет доли миллиметра. Искусственное увеличение интенсивности бокового износа позволяет продлить срок службы рельсов до нескольких сотен или тысяч миллионов тонн брутто поездной нагрузки (вместо 45 млн. т брутто, при котором произошло крушение из-за излома рельса в Хатфилде).

В Японии шлифование рельсов более 10 лет применяется на скоростных линиях для устранения усталостных дефектов в виде темных пятен на поверхности катания. Поскольку они аналогичны дефектам в виде трещин на рабочей выкружке головки рельсов, то можно полагать, что шлифование окажется эффективным средством для устранения этих трещин и на железных дорогах Великобритании. Другим достоинством шлифования является возможность изменения профиля головки рельса с целью перераспределения нагрузок и приведения его в соответствие с профилем колеса. В испытаниях на полигоне FAST в Пуэбло после пропуска 28,5 млн. т брутто поездной нагрузки произошел излом рельса из чистой твердой стали. Причиной этого излома явилось рассогласование профилей головки рельса и колес, которое вызвало чрезмерно высокие контактные напряжения.

Особенно важную роль играет профиль головки для рельсов из твердой стали, которые обладают высокой износостойкостью и повышенной сопротивляемостью пластическим деформациям. Это обстоятельство, характерное для Великобритании, является наиболее вероятной причиной интенсивного развития трещин на рабочей выкружке головки рельсов стрелочных переводов и глухих пересечений, где из-за разуклонки рельсов в течение длительного времени в зоне рабочей выкружки действовали высокие контактные напряжения. На некоторых железных дорогах для снижения этих напряжений с помощью шлифования создавали наклонный профиль головки рельса.

На ряде железных дорог стремились снизить интенсивность зарождения контактно-усталостных дефектов путем удаления поверхностных трещин с помощью интенсивного шлифования. Однако в последних испытаниях стали применять слабое шлифование, не удаляющее полностью поверхностные трещины. Такой метод оказался настолько эффективным, что позволил в течение 3 лет сократить вдвое расходы на шлифование и замену рельсов, а также повысить плавность хода и уменьшить расходы на другие путевые работы, включая подбивку шпал. Однако если трещина достаточно глубокая, как показано на рис. 7, шлифование уже не дает положительного эффекта.

Снижению числа контактно-усталостных дефектов в рельсах способствует применение бейнитных сталей, однако еще требуется определенное время на ее доработку. Кроме того, в быстро изнашиваемых рельсах снижается вероятность возникновения контактно-усталостных дефектов, но расходы на частую замену рельсов превышают затраты, связанные с использованием более износостойких рельсов и устранением зарождающихся усталостных дефектов. Тем не менее, в ряде случаев быстро изнашиваемые рельсы могут оказаться более эффективным средством борьбы с контактно-усталостными дефектами.

Профилактическое шлифование пока не стало обычной практикой текущего содержания рельсов на железных дорогах Европы. Администрация Railtrack собирается разработать технологию профилактического шлифования в целях устранения усталостных дефектов для Великобритании. В то же время на ряде европейских железных дорог уже более 10 лет применяют шлифование для устранения волнообразного износа рельсов, который также характерен для кривых. Возможно, случайным совпадением стало то, что, ликвидируя путем шлифования волнообразный износ, эти железные дороги устраняли контактно-усталостные дефекты. Наряду с этим на европейских железных дорогах разработаны технологии профилактического содержания рельсов, а также средства обнаружения и устранения дефектов, не допускающие излом рельсов.

усталостный излом концентратор

Размещено на Allbest.ru