Усталость металлов как причина разрушения деталей и отказов оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Усталость металлов как причина разрушения деталей и отказов оборудования

Коротков Владислав Георгиевич - доктор технических наук, профессор кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств.

Минькина Д.Д. - студент кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет».

1. Что такое усталость материалов?

Усталость материала - процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных динамических нагрузок, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

Как показывает практика, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «усталостными». Материал как бы «устает» под действием многократных периодических нагрузок.

Усталостное разрушение - разрушение материала под действием повторнопеременных напряжений.

Выносливость - способность материала сопротивляться усталостному разрушению.

Предел выносливости (усталости) уR - наибольшее (предельное) напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов.

2. Краткая история развития изучения усталости материалов

Первооткрывателем данного явления стал Вильгельм Альберт, но термин «усталость» был введён в 1839 году французским учёным Жан-Виктором Понселе, который обнаружил снижение прочности стальных конструкций при воздействии циклических напряжений.

Вильгельм Альберт изучал обрывы цепей подъема железной шахты, возникающие в результате повторных небольших нагрузок. Его вывод заключался в том, что усталость не была связана с случайной перегрузкой, но зависела от нагрузки и количества повторений циклов нагрузки.

Наибольший вклад в научную основу проектирования металлических конструкций, подвергающихся повторным напряжениям, внёс немецкий инженер Август Вёллер классическими опытами с железом и сталью в условиях повторного растяжения-сжатия, результаты которых были опубликованы в 1858--1870 годах. Луи Шпангенберг в 1874 году впервые графически изобразил результаты исследований, опубликованных А. Вёллером в виде таблиц. С тех пор графическое представление полученной зависимости между амплитудами напряжения цикла и числом циклов до разрушения называют диаграммой (кривой) Вёллера.

3. Механизм усталости

Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.

Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, очертаний, ориентации соседних зерен металла; наличие различных включений - шлаков, примесей; дефекты кристаллической решетки, дефекты поверхности материала - царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи микроскопических пустот и различных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводит: к микропластическим деформациям сдвига некоторых зерен металла

(при этом на поверхности зерен могут появляться полосы скольжения) и накоплению сдвигов (которое на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических бугорков и впадинок - экструзий и интрузий); затем происходит развитие сдвигов в микротрещины, их рост и слияние; на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (растет).

Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью. По мере роста трещины поперечное сечение детали все больше ослабляется, и наконец происходит внезапное хрупкое разрушение детали, при этом зона хрупкого долома имеет грубозернистую кристаллическую структуру (как при хрупком разрушении).

Таким образом можно выделить следующие виды усталости: многоцикловая; малоцикловая; термическая; поверхностная; ударная; коррозионная; фреттинг-усталость.

Многоцикловая усталость - усталость, которая возникает при достаточно большом количестве циклов (105 циклов и более).

Малоцикловая усталость - усталость, которая возникает при сравнительно малом числе циклов (до 104 циклов).

В общем считается, что линия, разделяющая области мало- и многоцикловой усталости лежит в пределах 104-105 циклов.

Термическая усталость - разрушение материала, постепенно развивающееся под действием многократно повторяющихся температурных напряжений.

Поверхностная усталость - это повреждение материала в результате повторных напряжений поверхностных и близко к ним расположенных слоев, если количество этих напряжений превышает предел выносливости материала. Усталость характеризуется удалением частиц металла с образованием раковин.

Ударная усталость - процесс накопления повреждений и развития трещин, вызванное повторными ударными нагрузками. Оценивают предел выносливости при ударном циклическом нагружении путем приложения к образцу многократных ударов или наложением периодических ударов на плавную гармоническую нагрузку.

Коррозионная усталость металла - разрушение металла под воздействием периодической динамической нагрузки (знакопеременных напряжений) и коррозионных сред. Коррозионная усталость металла сопровождается развитием межкристаллитных и транскристаллитных трещин (по границам зерен), которые разрушают металл изнутри.

Фреттинг-усталость -- процесс разрушение поверхностей деталей машин, проявляющееся в резко интенсифицированном окислении или схватывании. Значительная интенсификация окисления и схватывания вызвана динамическим характером нагружения, при котором на контакте резко увеличивается градиент деформаций и температур.

Она характеризуется возникновением повреждений на соприкасающихся номинально неподвижных поверхностях, совершающих небольшие периодические относительные смещения. Этот процесс происходит в различных болтовых, шлицевых, замковых, заклепочных соединениях. В процессе работы эти соединения совершают повторные относительные перемещения, в результате чего происходят механические нарушения поверхностных оксидных пленок. Соприкасающиеся поверхности при фреттинге никогда не разъединяются, и, следовательно, продукты разрушения не имеют выхода из зоны контакта.

4. Усталостные кривые

Усталостная прочность материалов при повторно-переменном нагружении во многом зависит от характера изменения напряжений во времени.

Периодическая нагрузка - переменная нагрузка с установившимся во времени характером изменения, значения которой повторяются через определенный промежуток (период) времени.

Цикл напряжений - совокупность всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки. Цикл напряжений может описываться любым периодическим законом, чаще всего синусоидальным.

Однако прочность материала при циклическом нагружении зависит не от закона изменения напряжений во времени, а в основном от значений наибольшего (максимального, уmax) и наименьшего (уmin) напряжений в цикле.

Симметричный цикл - максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. ( уmax ? ?уmin, R=-1)

Асимметричный цикл - максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине ( уmax ? ?уmin).

При этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знакопостоянным

В дополнение к уже известным нам механическим характеристикам материала, введем характеристики, связанные со спецификой циклического нагружения. Они могут быть определены путем специально поставленных экспериментов - испытаний на усталость (выносливость).

Схема простейшей машины для испытаний на усталость выглядит следующим образом: образец 1 устанавливается в патроне 2 машины, который вращается с определенной скоростью; на другом конце образца устанавливается подшипник 3, через который передается поперечная сила F, изгибающая образец. При вращении образца в его наружных волокнах будут возникать то растягивающие, то сжимающие напряжения (симметричный цикл). Такое циклическое нагружение приводит, в конце концов, к разрушению образца, после чего машина автоматически останавливается, а специальный счетчик фиксирует число циклов (число оборотов образца) до разрушения образца.

Обработка результатов усталостных испытаний обычно сопровождается построением кривой усталости. Кривую усталости строят по точкам в координатах: число циклов N - максимальное по модулю напряжение у = уmax или в координатах (у, lg N), (lg у, lg N).

Кривая усталости показывает, что с увеличением числа цикла максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно уменьшается. При этом для многих материалов, например углеродистой стали, можно установить такое наибольшее напряжение цикла, при котором образец не разрушается после любого числа циклов (горизонтальный участок диаграммы), называемое пределом выносливости (уR).

Так как испытания нельзя проводить бесконечно большое время, то число циклов ограничивают некоторым пределом, который называют базовым числом циклов. В этом случае, если образец выдерживает базовое число циклов, то считается, что напряжение в нем не выше предела выносливости.

Предел выносливости при асимметричном цикле

Испытания при симметричном цикле (при R= -1) оказываются наиболее простыми с точки зрения их реализации. Однако чтобы обеспечить корректность расчета, необходимы сведения о пределах выносливости для любой асимметрии цикла (т.к. в реальных конструкциях большинство деталей работает при асимметричном нагружении). В расчетной практике обычно пользуются двумя типами диаграмм: диаграммой предельных напряжений и диаграммой предельных амплитуд.

Диаграмма предельных напряжений (диаграмма Смита).

Диаграмма Смита строится, как минимум, по трем режимам нагружения (по трем точкам), для каждого из которых определяют предел выносливости уR: первый режим (точка 1) - обычный симметричный цикл нагружения (R=-1, уm=0, уmax=у-1, уmin=-у-1); второй режим (точка 2) - асимметричный цикл, как правило, отнулевой (R=0, уm= у0/2, уmax=у0, уmin=0); третий режим (точка 3) _простое статическое растяжение(R=1, уmax=уmin=уm= ув). Полученные точки соединяем плавной линией (1-2-3), ординаты точек которой соответствуют пределам выносливости материала при различных значениях коэффициента асимметрии цикла.

Луч, проходящий под углом в через начало координат диаграммы предельных напряжений, характеризует циклы с одинаковым коэффициентом асимметрии R:

.

Тогда, для определения предела выносливости при заданной асимметрии цикла R нужно по приведенной формуле вычислить величину угла в и провести луч под этим углом до пересечения с линией 1-2-3, ордината точки пересечения и даст нам искомый предел выносливости уR. Опуская перпендикуляр на ось абсцисс, найдем среднее напряжение цикла уm, а на пересечении перпендикуляра со второй ветвью диаграммы - минимальное напряжение уmin.

Диаграмма предельных амплитуд (диаграмма Хейга). Диаграмма Хейга строится в координатах: среднее напряжение цикла уm - амплитуда цикла уa. При этом для ее построения необходимо провести усталостные испытания так же, как минимум, для трех режимов: 1-симметричный цикл нагружения(R= _1,уa=у-1, уm=0); 2 - отнуле-вой цикл (R=0, уa=уm= у0/2); 3_статическое растяжение (R=1, уa=0, уm= ув). Соединяя эксперимен-тальные точки (1, 2, 3) плавной кривой, получим график, характеризующий зависимость между значениями предельных амплитуд и значениями предельных средних напряжений в цикле.

Здесь также можем провести луч, характеризующий циклы с одинаковой асимметрией:

.

Тогда, для определения предела выносливости при заданной асимметрии цикла R нужно по приведенной формуле вычислить величину угла в и провести луч под этим углом до пересечения с линией 1-2-3, ордината точки пересечения даст нам величину предельной амплитуды уa и значение предельного среднего напряжения уm в цикле. Предел выносливости уR найдем в виде:

5. Усталостные разрушения в нефтегазовой промышленности

Разрушение зубчатой муфты центробежного компрессора, произошло после наработки 194000 часов. Номинальная частота вращения вала компрессора 8864 об/мин. При исследовании деталей разрушенной зубчатой муфты на фланцевом соединении муфты со стороны мультипликатора оставшиеся во фланце 7 болтов разрушены по зоне перехода резьбовой части к телу болта. Повреждения пяти оставшихся во фланце болтов имеют характер усталостного разрушения, на изломах этих болтов наблюдаются площадки, перпендикулярные к оси болта, где происходило зарождение усталостной трещины. Эти площадки переходят в зоны подрастания усталостной трещины (зона усталости) с гладкой полусферической поверхностью со следами наклепа и зоны последующего долома с крупнозернистым строением. Два оставшихся во фланце болта имеют излом, характерный для среза, которой произошел после усталостного разрушения других болтов и, соответственно, резкого уменьшения прочности фланцевого соединения зубчатой муфты со стороны мультипликатора. Зубчатая муфта со стороны мультипликатора имеет незначительные повреждения зубьев, а со стороны компрессора - все зубья шестерни и колеса повреждены. Это также подтверждает факт первоначального разрушения фланцевого соединения со стороны мультипликатора. При этом оставшийся без одной опоры промежуточный вал при своем вращении привел к полному разрушению зубчатой пары муфты со стороны компрессора. Причиной разрушения зубчатой муфты компрессора явились возникшие в процессе длительной эксплуатации усталостные трещины в металле болтов зубчатой муфты со стороны компрессора, развитие которых привело к долому этих болтов с последующим срезом остальных болтов фланцевого соединения муфты. Для исключения подобных инцидентов необходимо заменять болты зубчатой муфты через каждые 50 тысяч часов наработки.

6. Методы предотвращения усталостного разрушения

усталость металл отказ оборудование

Проблема предотвращения усталостных разрушений весьма актуальна во всех отраслях машиностроения, особенно в таких, где аварии вследствие разрушения ответственных деталей ведут к катастрофическим последствиям (авиация, железнодорожный транспорт и т. д.).

Технологические методы обеспечения надежности и износостойкости поверхностей деталей узлов трения подразделяют на несколько групп: химико-термическая обработка, объемная и поверхностная закалка, электрохимическая обработка, напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка.

Целью химико-термической обработки (далее ХТО) является создание на стальной поверхности тонкого легированного слоя за счет диффузии извне легирующих элементов. К ХТО относят: цементирование, азотирование, борирование, насыщение хромом, никелем, цианирование (насыщение одновременно азотом и углеродом), борохромирование (одновременное насыщение бором и хромом), карбоборирование (одновременное насыщение углеродом и бором) и др. Толщина упрочненного слоя может превышать 2 мм. Химико-термическая обработка получила наибольшее распространение из-за простоты, доступности и высокой эффективности. Процесс протекает медленно: скорость науглероживания порядка 0,1 мм/ч. Однако, если повысить температуру до 950-980°С, процесс существенно ускоряется.

Поверхностная закалка - операция сопровождающая химико-термическую обработку, а также имеет и самостоятельное значение. Она применяется для образования твердого износостойкого слоя на поверхности деталей из средне- и высокоуглеродных сталей и некоторых чугунов. Ей предшествует объемная термообработка: нормализация или объемная закалка и высокий отпуск. Поверхностная закалка состоит из двух операций: нагрева поверхностного слоя и быстрого его охлаждения. Наиболее распространенным и эффективным является высокочастотный метод нагрева. К генератору высокой частоты подключается охлаждаемая катушка из нескольких витков. Внутри катушки возникает высокочастотное электромагнитное поле, в которое помещают деталь. Вследствие явления электромагнитной индукции в детали возникают вихревые токи (токи Фуко), которые текут лишь в тонком поверхностном слое, где и выделяется вся образующаяся теплота. Поверхностный слой разогревается до температуры закалки за очень короткое время, недостаточное для того, чтобы тепло распространилось вглубь детали. Затем нагретая поверхность резко охлаждается потоком жидкости (обычно воды).

Электрохимические покрытия. В современной технологии широко используется метод электролиза. Чаще всего применяются электролитическое хромирование, серебрение, нанесение покрытия из олова, свинца, цинка, индия и сплавов легкоплавких металлов. Вещества могут наноситься и как рабочие слои, и как элементы многослойных покрытий. Ведущим методом является хромирование с целью повышения износостойкости.

Напыление покрытий из порошковых материалов является одним из наиболее эффективных способов создания износостойких слоев. Если в высокотемпературную струю газа подать частицы порошка или капли расплава, то при столкновении с поверхностью они деформируются и прочно прикрепляются к детали. Существуют две разновидности этой технологии: газоплазменное напыление и электрическое напыление. При газоплазменном методе тепло выделяется в результате сжигания смеси горючего газа с кислородом, при электрическом методе источником тепла является электрическая дуга.

Ионно-плазменные методы весьма эффективны, но их применение требует высокого разрежения (они осуществляются в вакуумных камерах), поэтому они достаточно дорогостоящие и применяются лишь для весьма ответственных деталей, работающих при высоких температурах в условиях адгезионного и окислительного изнашивания. В условиях вакуума наносимый металл превращается в газ, пар, ионизированный пар и плазму, а затем в атмосфере реакционного или инертного газа оседает на поверхности детали.

Список литературы

1) Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990.

2) Коршунова Т.Е. Влияние термической обработки на структуру и свойства углеродистых сплавов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1995.

3) Кушнаренко В.М., Чирков Ю.А, Репях В.С., Ставишенко В.Г., УСТАЛОСТНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ, М.: Вестник ОГУ, 2012 г., 279 с.

Размещено на Allbest.ru