Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 [ 54 ] 55 56 57

циклически разупрочняющихся материалов. Это обусловлено их структурной нестабильностью в условиях циклического нагружения. Пониженная пластичность этих сплавов облегчает развитие усталостных трещин (в изломах видны хрупкие бороздки).

Поэтому более правильно ориентироваться на корреляцию с каким-либо сочетанием прочностных и пластических

свойств. Например, по И. И. /f/ Тарасенко, о 1=0,26ов {1 +

" +0,51п[(1 + 1[))(1 - г1;в)/(И-Ч-ф») (1--ф)]}, где -ф -конечное относительное сужение, а фй - наибольшее равномерное сужение.

Сочетания повышенных прочностных и пластических свойств можно добиться, например, легированием твердого раствора, измельчением зерна и субструктуры, созданием композиционных материалов. В последних развитие усталостной трещины затруднено из-за необходимости ее перехода через межфазную границу. При этом необходима высокая прочность сцепления волокна с матрицей. В противном случае трещина сможет легко развиваться вдоль поверхности со слабым сцеплением.

Эмпирически установленные связи a i и других характеристик выносливости с более просто и быстро определяемыми механическими свойствами широко используются для приблизительной ускоренной оценки усталостных свойств. К сожалению, все эти связи являются частными, применимыми лишь для какой-то узкой группы материалов. Более универсальны методы ускоренного определения характеристик выносливости по некоторым свойствам, от* носительно просто определяемым в результате тоже усталостного испытания. Например, В. Т. Трощенко предложил использовать для этого тесную корреляцию предела выносливости с пределом пропорциональности при циклическом нагружении ац, универсальную для различных сталей, меди и алюминиевых сплавов (рис. 193).

Циклическая вязкость разрушения К(/С), по абсолютной величине близка к статической. Ниже приведены

6.;, та

Рнс, 193. Связь Пределов выносливости и пропорциональности при циклическом нагруженнн (В. т. Трощенко)

ее значения для некоторых сталей и алюминиевых сплавов, значения порогового коэффициента интенсивности напряжения Ks и коэффициенты Со и из уравнения (Ш), описывающего полную диаграмму усталостного разрушения этих материалов (В. Т. Сапунов и Е. М. Морозов):

Материал

МПам/а

мм/цикл

Видно, Что низкотемпературный упрочняющий отпуск стали 65Г резко снижает к , а перестаривание сплава В95 (но режиму ТЗ) заметно повышает его вязкость разрушения (ср. со сплавом В95АТ1). Эти эффекты полностью согласуются с рассмотренными применительно к статической вязкости разрушения (см. гл. V).

В целом характеристики выносливости несколько менее чувствительны к структурным изменениям, чем многие другие механические свойства. В частности, скорость развития усталостной трещины на втором участке диаграммы усталостного разрушения (см. рис. 181) во многих сталях и других сплавах, где разрушение идет по механизму образования вязких усталостных микрополос, почти не зависит от их микроструктуры. По-видимому, интенсивная пластическая деформация у вершины трещины, вызывающая образование ячеистой или субзеренной структуры, устраняет влияние исходной микроструктуры таких материалов.

Размер зерна влияет на предел выносливости часто качественно так же, как на прочностные свойства при статических испытаниях (см. гл. V). При этом кривые Холла-Петча для ав и 0Т.И (оо.г) одного материала могут пересекаться, так как напряжение трения в формуле (56)

Устат например, у латуни Л70.

%стстат Ууст

предел выносливости некоторых сплавов почти не зависит от размера зерна, обычно это наблюдается в гетеро-

фазных материалах. Например, в термоулучшенных сталях структура распавшегося мартенсита в большей степени влияет на зарождение и развитие усталостных трещин, чем размер бывшего аустеннтного зерна.

Во всех металлах и сплавах отрицательно сказываются на выносливости грубые включения избыточных фаз, в частности неметаллические. Они являются наиболее важными и часто встречающимися внутренними концентраторами напряжений, у которых зарождаются усталостные трещины. Чем крупнее включения, тем сильнее их отрицательное действие на выносливость. У высокопрочной стали 4340 увеличение размеров неметаллических включений всего в два раза (от 25 до 50 мкм) приводит к снижению усталостной долговечности на два порядка (при ао = =910 МПа).

Подводя итоги анализа влияния различных факторов на выносливость, можно сказать, что для ее повышения необходимо:

улучшать качество поверхностных слоев детален (по шероховатости и свойствам);

предотвращать появление трещин и зон локализованной деформации, в которых облегчено их зарождение;

уменьшать количество крупных (более микрометра) включений избыточных фаз;

увеличивать напряжение начала пластической деформации в условиях циклического нагружения;

повышать однородность пластической деформации в объеме материала.

Две последние задачи решаются за счет оптимального легирования, создания стабильной однородной субструктуры, введения дозированного количества дисперсных частиц избыточных фаз.

4. Изнашивание и износостойкость металлов

Разновидностью усталостного разрушения является изнашивание- разрушение и отделение материала с поверхности твердого тела илн накопление остаточной деформации при трении, проявляющиеся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Износ - это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах, а износостойкость - способность материала сопротивляться изнашиванию, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания (ГОСТ 23.002-78).

Общая схема изнашивания показана иа рис. 194. Основной (3) н сопряженный (7) материалы составляют рабочую пару. Между ними находится промежуточное вещество 2. При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трення F - реакция,

препятствующая взаимному перемещению. Коэффициент трения tf/N, где Л -нормальная составляющая внешней силы, действующей на контактную поверхность. Промежуточное вещество может уменьшать (смазка) или увеличивать коэффициент трения н соответственно изиа-щивание.

Значительная часть отказов машин происходит в результате изнашивания трущихся поверхностей. Поэтому испытания на износ широко распространены, а повышение износостойкости металлических материалов является важной научно-технической проблемой.

Разновидности изнашивания

Механизм и величина износа за- рис, I94. Схема иэнашиваиия висят от большого числа факторов, которые условно можно объединить в три группы:

1) внешние механические воздействия: характер движения контактирующих тел (треине скольжения, качения, удары, течение), величина внешней нагрузки, скорость перемещения и производная от них температура;

2) физико-химическое действие среды;

3) свойства материалов пар трения.

В зависимости от совокупности этих факторов наблюдаются многочисленные виды изнашивания, которые можно классифнцировать по разным признакам. Б. И. Костецкий делит все разновидности изнашивания иа две большие группы. В первой происходит стационарный процесс нормального трения и изнашиваиия, а второй группе присуши различные явления повреждаемости при трении. Виды изнашивания, по Б. И. Костецкому, можно классифицировать следующим образом:

Наиболее распросграиениой разновидностью изнашиваиия является нормальное окислительное изнашивание, идущее при наличии на поверхности трения защитных пленок, образующихся при взаимодействии контактирующих материалов с кислородом. Эти пленки могут иметь и ие кислородное происхождение, если промежуточное вещество (см. рис. 194) содержит другие агрессивные компоненты, например азот-- и углеродсодержащие. В присутствии абразивных частиц в про-

дремл

Рнс. 195. Кривая износа

межуточном веществе, если эти частицы способствуют пластической деформации поверхностных слоев, но ие внедряются глубоко в поверхность металла, происходит нормальное абразивное изиащивание.

Для всех разновидностей нормального изнашивания характерны интенсивная пластическая деформация тонких поверхностных слоев, их взаимодействие с химически активными компонентами промежуточного вещества и разрущение этих поверхностных слоев при отсутствии разру-щения внутри основного металла. Для нормального изнашивания характерны три стадии (рис. 195). На первой (/), так называемой стадии приработки, уменьшается скорость износа. Это объясняется устранением неровностей на поверхности. На второй стадии (2) скорость износа постоянна - это установившееся изнашивание, где можно прогнозировать величину износа и учитывать его при определении размеров детали. Наконец, третья стадия (Л) характеризуется ускорением износа по экспоненте. В условиях эксплуатации переход к этой стадии приводит к быстрому выходу детали из строя.

Нормальное изнашивание является неизбежным и относительно малоопасным процессом. Усилия конструкторов и материаловедов направлены на то, чтобы во всех парах трення обеспечить именно нормальное изнашивание, ибо все остальные разновидности изнашивания вызывают недопустимые повреждения поверхности и основного материала.

Так, схватывание I рода (холодный задир) происходит при трении скольжения с малыми скоростями относительного перемещения и удельными нагрузками, превышающими предел текучести на контактных участках при отсутствии смазки. В этих участках контактирующие материалы «свариваются», деформируются и разрушаются с отделением частиц металла или их налипанием на поверхность контакта.

Схватывание П рода (горячий задир) наблюдается при трении скольжения с большими скоростями и нагрузками. Это приводит к значительному повышению температуры в зоне контакта и соответствующему повышению пластичности контактирующих материалов. При возникновении локальных металлических связей происходит деформация, н разрушение с образованием трещин, «намазываний», переноса металла и отделением частиц с поверхности трения.

Фретииг-процесс разрушения поверхности трения с образованием ямок характерен для случая приложения нагрузки с малыми возвратно-поступательными перемещениями.

При абразивной повреждаемости, в отличие от окислительной формы нормального абразивного изнашивания, абразивные частицы внедряются и разрушают поверхностные объемы основного металла, иногда со снятием микростружки. Абразивная повреждаемость может возникать в широком диапазоне внешних механических воздействий, часто она сопутствует другим видам изнашивания.

Контактная усталость - это накопление повреждений и разрушения поверхностных слоев под действием циклических контактных нагрузок. Обычно она проявляется при трении качения (в подшнпинках

качения, зубчатых зацеплениях). Для контактной усталости, помимо образования трещин, характерно наличие на поверхности ямок выкрашивания (питтиигов).

Кроме повреждений, обусловленных трением, часто во.никают повреждения, связанные с трением косвенно: кавитация, коррозия, эрозия, смятие и др.

Вне зависимости от вида изнашивания, каждый из них, по И. В. Крагельскому, можно рассматривать как результат усталости. Такое представление о природе изнашивания базируется на следующих положениях: 1) контакт двух тел нз-за шероховатости и волнистости их поверхности всегда дискретен; 2) изнашивание происходит в результате действия локальных напряжений и деформации в зонах фактического контакта; 3) разрушение металла в отдельных участках поверхности трения обусловлено многократным нагрулением зон контакта.

Испытания на износ

Методы испытаний на износ, моделирующие возможные условия эксплуатации, многочисленны При этом результаты испытаний разными методами обычно несопоставимы, поскольку в них реализуются разные механизмы изнашивания, используются разные внешние механические воздействия н рабочие среды (промежуточные вещества). В качестве интегральных количественных характеристик износа используют абсолютные и удельные линейные, объемные и массовые величины износа. Например, в стандартизованном методе испытаний на абразивное изнашивание (ГОСТ 17367-71) определяют линейный, массовый н относительный изиос е= (Д/ц/Д/и) (iэ/fи) где Ah, А/и - абсолютный линейный изиос эталона и образца, мм; йэ, - фактический диаметр эталона и образца, мм. При равенстве плотности эталона и образца допускается заменять отношение абсолютных линейных нзносов на отношение абсолютных массовых износов.

Принципиальные схемы различных испытаний иа износ представлены на рис. 196. С их помощью можно воспроизвести условия, необходимые для проявления всех видов изнашивания, а также различных их комбинаций. Общим критерием поверхностного разрушения является отношение работы трения Л, затраченной на удаление массы ДМ, к этой массе: Ла=Л1АМ. Для дифференциальной оценки показателей изнашивания н повреждаемости используют такие критерии, как коэффициент трения и интенсивность нормального изнашивания (dM/dx), стойкость против схватывания I рода, которую характеризуют критической удельной нагрузкой, стойкость против схватывания И рода, оцениваемую по критической скорости перемещения, и др. Некоторые характеристики изнашивания разного вида обобщены в табл. 15.

Изнашивание и способы повышения износостойкости металлов

Нормальное изнашивание, как уже отмечалось, затрагивает лишь тончайшие поверхностные слои (порядка 10 нм). При трении взаимно перемещающихся контактирующих материалов в их поверхностных слоях происходит упруго-пластическая деформация. При трении скольжения в этих слоях возникают напряжения растяжения - сжатия В зоне непосредственного контакта толщиной порядка 10 нм возникает особая, так называемая вторичная структура, а под ней располагается зона с деформированной структурой глубиной до нескольких микрометров. В этой подповерхностной зоне наблюдаются дислокационные структуры, обычные для сильиодеформированного металла.