Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Анализ причин эксплуатационных разрушений

1. Основные причины и характер эксплуатационных повреждений

Разрушение конструкций в эксплуатации, особенно приводящие к аварийным отказам и катастрофам относительно редки. Для серийных изделий они составляют, как правило, тысячные доли процента от количества соответствующих эксплуатирующихся изделий. Тем не менее совершенно очевидна необходимость правильного установления причин разрушения для предотвращения их в дальнейшем. Особенно полезны результаты такого анализа в стадии разработки конструкции и технологического процесса.

Для большинства отраслей техники наиболее частыми разрушениями в эксплуатации является усталостные (80% всех случаев разрушения). Разрушение в эксплуатации возникает вследствие сочетания ряда неблагоприятных факторов, и лишь в исключительных случаях - по единственной причине.

Причины разрушения:

- Неучтённые при конструирование внешние нагрузки;

- Концентраторы напряжений (технологического, металлургического, конструкционного характера);

- Высокие остаточные напряжения;

- Изменение механических свойств в эксплуатации.

При исследовании важно выявить основную причину, способствующую разрушению.

Разрушению конструкции или детали предшествуют вполне определённые структурные изменения в металле. Под действием эксплуатационных факторов механические свойства материалов изменяются и их значения отличаются от аналогичных характеристик имеющихся проектно-конструкторской документации на момент изготовления.

Причины изменения механических свойств:

- Разупрочнение;

- Упрочнение;

- Охрупчивание;

- Совместное действие нескольких факторов.

Разупрочнение - заметное снижение и по сравнению с их исходным значением. Это явление происходит при повышенных температурах эксплуатации изделий и конструкций.

Таблица 1. - Изменение механических свойств стали паропроводных труб (t = 540єC):

Упрочнение - увеличение прочностных характеристик за время эксплуатации. Оно повышает склонность металла к хрупкому разрушению.

Пример: охлаждение кожуха доменной печи в зоне сильного нагрева, что может приводить к образованию закалочных структур с повышенной твёрдостью. Повышенная твёрдость металла сварного шва и зоны термического влияния.

Тепловая хрупкость - явление охрупчивания стали вследствие длительного воздействия повышенных температур (250-550є С), вызывающих снижение прочности границ зёрен вследствие сегрегации примесей по границам зёрен и выделения вдоль границ частиц дисперсной фазы. К числу вредных примесей по границам зёрен, зёрен и раздела фаз относятся P, S, As, Sb, Sn, и мн. др.

Науглероживание - насыщение поверхностных слоёв углеродом. Наблюдается в условиях переработки нефти, газификации углей, в нефтехимической промышленности, в трубах печных змеевиков, в атомных энергетических установках и т. д. Вследствие науглероживания наблюдается изменение физико-химических свойств металлов.

Присутствие в поверхностном слое карбидов, к тому же преимущественно по границам зёрен, обуславливает его повышенную хрупкость. Склонность к трещинообразованию существенно усиливается при понижении температуры эксплуатации.

Например, в процессе цементации происходит насыщение не только деталей, но и тигля. В стали 12Х18Н10Т, из которой изготавливаются тигли, постепенно по границам зерен образуются крупные карбиды. Их образование в сочетании с циклическим изменением температуры приводит к повышению хрупкости и, как следствие, к растрескиванию стенок тигля.

Сфероидизация перлита - явление свойственно углеродистым и низколегированным сталям - процесс превращения пластинчатых частиц цементита в перлите в сфероидальные. Степень сфероидизации оценивается по шести бальной шкале. Баллу 6 соответствует полная сфероидизация. Крупные частицы сфероидов расположены по границам зёрен перлита. Такая структура характеризуется снижением характеристик пластичности.

2. Анализ эксплуатационных разрушений

Наиболее эффективный путь борьбы с каким-либо повреждением - скрупулезное изучение механизма его зарождения и развития. Зная механизм, можно создать условия, в которых появление дефекта было бы невозможно. До тех пор, пока полностью не раскрыта природа явления, проблему нельзя считать решенной, поскольку без знания основополагающих закономерностей нельзя быть уверенным, что принятые меры оптимальны. К сожалению, углубленные научные исследования в России все больше заменяются в последние годы ускоренным методом решения возникающих проблем, когда недостаточно проверенные рекомендации сразу же начинают внедряться на дорогах, превращая их в бесплатный испытательный полигон, что приводит к существенным неоправданным потерям. В данной статье рассматриваются теоретические основы катастрофических типов износа, на основе которых можно разрабатывать меры по их предотвращению.

Основной причиной любого разрушения являются напряжения (как приложенные, так и остаточные), величина которых превышает предельную несущую способность детали. Эти напряжения могут возникнуть при взаимодействии многих сложных факторов, каждый из которых необходимо оценить для однозначного установления причины разрушения.

При осмотре разрушившейся детали следует фиксировать все замеченные особенности как на самом изломе, так и на поверхности разрушенной и сопряженной с ней детали.

Требуется большая осторожность при транспортировке разрушившихся частей, а так же при изготовлении образцов для исследования.

Поверхность излома при транспортировке, при извлечении сломанных частей деталей должна быть защищена от механических повреждений. Не следует касаться излома пальцами.

Установление причин разрушения конструкций, в особенности, сложных - это комплексное исследование, при котором необходим анализ эксплуатационных нагрузок, проверка расчётов на прочность, технологии изготовления и ремонта узлов, установление длительности и условий хранения и много других. Первоначальный осмотр проводится на неочищенном изломе при небольшом увеличении. Очищать детали и особенно изломы от грязи, масла, ржавчины и других посторонних отложений следует только после тщательного осмотра в том виде, в каком они получены после разрушения. Наличие окислов, следов затекания масла, краски, ржавчины и т. д., может указывать на наличие старой трещины, т. е., трещины, которая имелась в детали ещё до начала её работы.

Особое внимание следует обратить на состояние детали вблизи излома. Определить наличие: механических повреждений, признаков коррозии, наличие деформации, очага разрушения, направление распространения трещины.

Только после тщательного анализа проводится очистка излома различными методами: обдувкой воздухом, обработкой неорганическими растворителями, слабыми кислотными или щелочными растворами и т. д.

При больших увеличениях (ЭПМ) для исследования строения излома и микроструктуры детали проводят разрезку. Рез должен находиться на достаточном расстоянии от излома, чтобы микроструктура вблизи излома и сам излом не изменились.

Основные этапы исследования причин разрушения заключаются в анализе следующих показателей:

Нагрузка:

- Соответствие характера, скорости и величины приложенной нагрузки расчётным характеристикам для данной детали;

- Направление главного напряжения по отношению к общей конфигурации данной детали;

- Происходит повторное или циклическое нагрузки;

- Определение мест детали, в которых напряжения особенно опасны.

Материал:

- Был ли применён рекомендуемый материал;

- Соответствие уровня механических свойств материала требуемым;

- Наличие поверхностных или внутренних несплошностей, которые могли способствовать разрушению;

- Соответствие микроструктуры.

Форма детали:

- Соответствие детали всем размерам чертежа, особенно обратить внимание на закругления в местах концентрации напряжений;

- Наличие деформированных контуров детали в процессе эксплуатации;

- Признаки механического повреждения поверхности.

Рабочая среда:

- Воздействие коррозийной среды, высокой или низкой температуры;

- Защита поверхности детали от вредного действия среды;

- Изменение свойств детали в процессе эксплуатации;

- Взаимодействие (например, гальваническое, фрикционное и прочее) между материалом детали и материалом соседних узлов конструкций.

Схватывание I рода - холодный задир, происходит при трении поверхностей деталей с небольшими скоростями относительного перемещения (до 0,5-0,6 м/с) и удельными нагрузками, превышающими ут. Коэффициент трения м = 0,5 - 4,0, толщина разрушенного слоя 3-4 мм.

Схватывание II рода - горячий задир, происходит при трении поверхностей деталей с большими скоростями относительного перемещения (более 0,6 м/с) и нагрузками. При этом в зоне контакта температура резко повышается (до 500-1500⁰ С). Коэффициент трения м = 0,1 - 1,0 толщина разрушенного слоя 1,0 мм.

Пример анализа эксплуатационных повреждений в системе колесо-рельс.

Практика показала, что катастрофический износ возникает при прохождении составом крутых кривых, пробуксовке колес по рельсам или при юзе (например, в случае экстренного торможения стоп-краном).

Результаты многолетних исследований позволили сделать вывод, что на сталях в различных условиях реализуются четыре типа катастрофического износа (АИКИ).

В связи с тем что очень часто цензурой предъявляются требования не употреблять термин «катастрофический» в отношении явлений, регулярно повторяющихся в эксплуатации, поясним, почему необходимо использование в ряде случаев этого термина. Все типы износа, входящие в АИКИ, по своим параметрам (скорости изнашивания, размеру продуктов износа, состоянию поверхностей трения и др.) выделяются среди других, и даже такого опасного, как абразивный. Переход к ним обычно совершается внезапно, скачком, после незначительного изменения параметров процесса. Почти все узлы трения при переходе в эти режимы практически сразу выходят из строя, т. е., претерпевают катастрофу.

Например, при юзе по сухим рельсам ползун браковочных размеров образуется на колесе за несколько секунд. Скорость изнашивания при задире, возникающем в кривых при условиях, которые будут рассмотрены позже, в десятки и даже в сотни раз больше нормальной скорости изнашивания.

Таблица 2:

Например, при испытаниях в 1995 г. на Экспериментальном кольце, где имеются только две кривые радиусом 400 м, средняя скорость изнашивания гребней 4-осных вагонов под нагрузкой 27 т/ось без смазки составляла 30 мм на 10⁴ км пробега, максимальная - 100 мм на 10⁴ км пробега. В том же году в экспериментальном поезде на маршруте Иркутск - Находка несколько 8-осных цистерн с совершенно новыми колесами было снято по предельному износу гребней 10 мм. Если учесть, что кривых в маршруте 30 %, из них половина правых, половина левых и часть кривых смазана или пройдена в дождь, то получается скорость изнашивания более 100 мм на 104 км пробега. Разве это не катастрофа? Следовательно, по своей сущности это именно катастрофические типы изнашивания. Только кратковременность неблагоприятных процессов и феноменальный запас прочности колесно-рельсовой системы позволяют ей функционировать, несмотря на появление этих, со всех точек зрения недопустимых типов износа. Требование именовать типы износа, входящие в этот вид, «интенсивными», «суровыми», «тяжелыми» и т. д., является по существу попыткой перевести их в разряд допускаемых, на которые не стоит обращать столь пристального внимания и принимать экстренные меры при их появлении. Согласно теории катастрофического изнашивания имеется четыре типа АИКИ (по крайней мере, на сталях), которые хорошо различаются по условиям зарождения и внешнему виду повреждений на поверхностях трения. Типы АИКИ и условия их реализации сведены в таблицу. Необходимо сразу уточнить, что термины «задир», «схватывание» и «заедание» не соответствуют ГОСТ 27674 - 88 «Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения». Например, схватывание в стандарте определено как синоним адгезии, а не тип износа. Механизмы этих типов износа также не соответствуют классической теории. Прежде всего это касается природы трения и износа. Исследования показали, что в классической теории трения и изнашивания роль адгезии сильно преувеличена, причем как в отношении катастрофического износа, так и процесса трения в целом.

Согласно теории Боудена, Тейбора и Крагельского катастрофический износ начинается с механического взаимодействия микронеровностей, а заканчивается полным соединением поверхностей, вырыванием и переносом большого объема материала.

В реальных условиях роль адгезии обычно сводится лишь к инициализации катастрофического износа. Но даже такая роль при задире ставится под сомнение, поскольку он может возникать на поверхностях, покрытых довольно толстым слоем окислов.

Низкоскоростные и высокоскоростные типы АИКИ. При снижении скорости скольжения, в районе приблизительно 0,4…0,7 м/с, наблюдается резкое изменение внешнего вида повреждений поверхностей трения. Навары с размазанным за ними металлом сменяются расширяющимися бороздами с выступом в виде клина в голове борозды.

Известно, что при деформировании стали (в том числе и при трении) со скоростью несколько метров в секунду наблюдается концентрация пластической деформации в тонких прослойках, так называемых полосах Краве-Тарнавского. При быстром охлаждении такие слои могут достигать сверхвысокой твердости, на стали 45 до 1900 HV, что возможно только при образовании сверх напряженной аморфной структуры типа «металлического стекла».

Была выдвинута гипотеза фононного трения, которая предполагает, что при этой скорости энергия фононов и сопротивление движению дислокаций достигают критических значений, что приводит к смене механизма деформирования. Механизм дислокационного сменяется аморфным течением, не связанным с направлением кристаллографических осей.

Дисклинационная деформация, реализующаяся при низкоскоростных типах АИКИ, характеризуется интенсивным холодным упрочнением (наклепом) металла непосредственно в процессе деформирования. При аморфном же течении металл упрочняется только после окончания деформирования (закалки). Это определяет основные отличия низко- и высокоскоростных типов АИКИ.

Как следует из названия, все типы АИКИ начинаются с формирования адгезионного ядра, или зародыша, при взаимодействии двух неровностей. Зацепление, деформирование и срез неровностей происходят при всех режимах сухого и граничного трения. Переход к катастрофическому износу определяется лишь масштабом взаимодействия. При некотором уровне нагрузки, зависящем от состояния поверхности, скорости скольжения и материалов пары трения, зона действительного контакта в процессе пластического деформирования расширяется настолько, что не ограничивается срезом неровностей и переходит в непрерывное пластическое пропахивание поверхности трения, что и является началом катастрофического износа.

Какой из двух низкоскоростных типов - задир или схватывание будет иметь место при низких скоростях скольжения, не зависит от состояния поверхностей, а определяется только соотношением твердости поверхностей трения и твердости адгезионного ядра, формирующегося при взаимодействии микронеровностей углеродистых задир сталей.

Это около 600…700 HV, превышает твердость обеих поверхностей трения, то изнашивание развивается по механизму задира.

На первой стадии материал течет кругообразно вокруг сцепленных неровностей и, как результат, зона контакта стягивается в упрочненное ядро - зародыш задира.

Аналогичные образования в различных парах трения наблюдались Н.М. Алексеевым, М.Н. Добычиным и другими. На более поздних стадиях зародышевый клубок перестает вращаться и начинает скользить по одной из поверхностей. В результате этого формируются два клина сначала на одной поверхности, а потом и на другой. Клинья скользят поочередно каждый по своей поверхности.

Скользящий и неподвижный клинья имеют различную форму. Они зацепляются чисто механически и легко отделяются друг от друга как до среза, так и после среза одного из них.

Нужно заметить, что при попадании на впадину, в особенности заполненную смазочным материалом, развитие задира прекращается на любой стадии. Первые три стадии имеют место при всех режимах, за исключением чисто жидкостного.

Собственно задир начинается и становится непрерывным только тогда, когда глубина борозды становится больше глубины самой большой впадины рельефа.

Покажем, что повреждение боковых поверхностей рельсов и гребней колес в кривых является следствием задира.

Топографические особенности поврежденных поверхностей в виде борозд и клиньев, а также твердости колес и рельсов, безусловно, соответствуют задиру. Оценим скорость скольжения точки в контакте на поверхности гребня по боковой поверхности рельса, для чего используем формулу, выведенную И.А. Жаровым:

V_c = [(wD)² + (gV/cost)²]^1/2

Где:

V - скорость поезда;

w - угловая скорость вращения колесной пары;

R - радиус колеса;

D - расстояние от точки контакта до мгновенной оси вращения колесной пары;

g - угол набега;

t - угол наклона гребня.

Обратим внимание на те особенности задира, которые контролируют его реализацию на боковых поверхностях колес и рельсов. Во-первых, это контактные давления. Критические давления задира очень низкие. На чистых поверхностях они не превышает 50 МПа и даже на смазанных, не более 900 МПа: давление в контакте колесо-рельс почти всегда превосходит критическое и не является определяющим условием возникновения задира. В 1995 г., автор с проф. С.М. Захаровым были свидетелями появления задира на только что смазанных новых рельсах в кривой с радиусом менее 200 м. Чтобы смазка надежно предохраняла поверхности, Б.В. Гочуа советует наносить ее уже после их повреждения, с тем чтобы она забивалась в углубления рельефа.

Вторая и определяющая особенность задира - необходимость значительного, до нескольких миллиметров, пути скольжения, в том числе латентного, на котором происходит зарождение адгезионного ядра.

Если прервать процесс задира, то потом он может начаться только с нулевого цикла, т. е., с образования адгезионного зародыша.

Поэтому путь скольжения должен обязательно быть непрерывным, т. е., ядро задира не должно перемещаться за пределы первоначального пятна контакта. Такой путь недостижим в условиях равномерного качения колеса даже с очень большим проскальзыванием. Путь скольжения, достаточный для начала задира, может возникать на гребнях колес при условии не конформного контакта и неравномерного проскальзывания.

Схватывание. Если твердость какой-либо из поверхностей трения превышает твердость адгезионного зародыша, то изнашивание развивается по механизму схватывания. Схватывание развивается путем переноса и локального аккумулирования порций мягкого металла на продольных гребнях твердого контр-тела. Отдельные островки перенесенного металла при последовательном взаимодействии микронеровностей объединяются в твердый выступ, который на поздней стадии начинает пропахивать мягкую поверхность аналогично клину при задире, оставляя на ней глубокую борозду. Однако в отличие от клина выступ или нарост более прочно связан с обеими поверхностями, и при попытке разъединить их после остановки часть нароста хрупко отламывается.

Критическое давление схватывания существенно превышает критическое давление задира, поскольку для образования зародышевого завихрения задира требуются тангенциальные усилия, лишь незначительно превосходящие предел текучести не упрочненного материала. При схватывании же для отделения переносимого металла необходима сила трения, превосходящая предел прочности предельно наклепанного материала на срез. Поэтому с задиром можно бороться путем увеличения твердости хотя бы одной из поверхностей свыше критической (для стали свыше 600…700 HV). При этом резко снижается износ обеих поверхностей. Многочисленные эксплуатационные испытания подтверждают, что после закалки гребней катастрофический боковой износ прекращается, хотя при этом возникают неприятности другого характера.

Заедание I рода. При заедании I рода скорости деформирования поверхностного слоя настолько большие, что дислокационный механизм деформирования не работает, и деформация осуществляется за счет мгновенного аморфного (т. е., без определенной кристаллографической ориентации) сдвига атомной решетки. Аморфное течение концентрируется в тонком поверхностном слое, не превышающем высоты неровностей поверхности. При этом атомы углерода, окислов, неметаллических включений и других дефектов хаотически перемешиваются с атомами железа, образуя предельно напряженную структуру - металлическое стекло. Сцепленные микронеровности размазываются аморфно по поверхности трения, формируя сверхтвердые наросты при повторных взаимодействиях. В местах, имеющих хороший контакт с основным металлом, намазанный металл быстро отдает запасенную энергию, температура в нем не повышается, и его структура остается аморфной (металлическое стекло) с высокой твердостью (до ~ 1400 HV0,1). В местах с плохим контактом энергия медленно передается из перенесенного металла в основной, его температура поднимается, а твердость уменьшается (600 HV0,1 и менее). На поверхности при этом появляются цвета побежалости от соломенного до черного.

Заедание II рода реализуется в условиях более медленного повышения нагрузки или скорости скольжения, чем при заедании I рода, и ему предшествует значительный рост температуры смазочного слоя и металла. В условиях медленного роста нагрузки или скорости скольжения и размягчения материала процесс неизбежно проходит через диапазон критических условий существования низкоскоростных типов АИКИ. При исследовании поверхности таких образцов под слоем наваренного металла обнаруживаются глубокие борозды, что предполагает реализацию пластической деформации и формирования клиньев или наростов перед началом аморфной деформации.

По этой причине заедание II рода можно причислять к высокоскоростным типам катастрофического изнашивания лишь отчасти. Заметим, что заедание II рода может протекать и без переноса материала. Расплавленный или размягченный металл может сразу же отделяться в виде продуктов изнашивания.

Заедание I рода отличается от заедания II рода только механизмом своего зарождения. На развитых стадиях оба типа высокоскоростного АИКИ трудно различимы. В обоих случаях металл переносится с поверхности, на которой пятно контакта неподвижно, на поверхность, по которой оно перемещается, т. е., с более нагретой поверхности на более холодную. Тем не менее различать их необходимо, так как особенности зарождения могут подсказать путь снижения повреждаемости этими дефектами. Так, поскольку для начала заедания II рода необходим нагрев поверхностей, повысить сопротивляемость можно с помощью применения более термостойких материалов или легкоплавкой фазы, исполняющей роль смазки после расплавления. Причем поскольку в процессе нагрева протекает отпуск закаленных поверхностей, то бесполезно применять термические и механические методы упрочнения. Заедание I рода начинается с высокоэнергетического аморфного среза микронеровностей, на который упрочнение наклепом, закалкой, легированием примесями не оказывает влияния, и поэтому бесполезно пытаться устранить заедание I рода путем упрочнения поверхностей трения, как это можно сделать при низкоскоростных типах АИКИ.

Заключение

На колесно-рельсовых сталях возможны четыре типа АИКИ. Условия реализации трех из них - задира и заедания I и II рода возникают в контакте колесо - рельс. Задир поражает контактные поверхности гребней колес и боковых поверхностей рельсов при прохождении крутых кривых. Заедание I рода наносит тяжелые повреждения колесам и рельсам при башмачном торможении на сортировочных горках. Заедание II рода является причиной образования тормозных дефектов (ползунов и наваров на колесах и пробуксовин на рельсах). механический конструкция сталь

Вероятность возникновения и тяжесть повреждения при задире определяются состоянием поверхностей, контактными давлениями и длиной непрерывного пути скольжения. Контактные давления на боковых поверхностях почти всегда больше критических давлений образования задира, поэтому основным управляющим воздействием является путь скольжения, который зависит от конформности профилей и равномерности проскальзывания.

Заедание I рода можно если не предотвратить, то, по крайней мере, облегчить путем подбора материалов и состояния поверхностей трения. С заеданием II рода практически невозможно бороться ни подбором материалов колесно-рельсовой пары, ни изменением состояния поверхностей, и единственный путь его предотвращения - это не допускать скольжения колеса по рельсу.

Размещено на Allbest.ru