Главная -> Словарь

Усталостному разрушению

Коррозионно-усталостное разрушение материалов ТГО происходит в результате сложных процессов, среди которых важнейшим является механоэлектрохимическое взаимодействие напряженного металла с коррозионно-активной средой. С учетом стадийного характера замедленного усталостного разрушения и показанной кинетики изменения физико-механических и электрохимических свойств трубных материалов по мере накопления ими усталостных повреждений выявлялась кинетика изменения тонкой структуры, физико-механических и электрохимических свойств рассматриваемых материалов в процессе их коррозионной усталости.

свидетельствует об изменяющемся характере приложенных напряжений циклов. С увеличением длины трещины скорость ее распространения возрастает, в результате чего увеличивается шероховатость поверхности излома. В области статического долома разрушения носят сдвиговой характер. Макрофрактографические особенности изломов малоцикловой усталости заключаются в строении собственно усталостных изломов. При относительно малом числе циклов нагружения изломы при малоцикловой усталости близки к таковым при статическом растяжении. Разрушение сопровождается заметной макроскопической деформацией . По мере увеличения числа циклов нагружения характер разрушения изменяется от вязкого к хрупкому разрушению. Поверхность собственно усталостного излома более шероховатая и составляет значительно меньшую долю в изломе, чем зона статического долома. Коррозионные среды не изменяют макрофрактографический характер усталостных изломов, хотя механизм усталостного и коррози-онно-усталостного разрушения существенно отличается.

Отсюда следует, что трещина возникает и даже распространяется до исчерпания конструкцией своей несущей способности. Поэтому знание законов распространения трещины для регулирования роста трещины позволяет контролировать, тем самым, и несущую способность детали. Относительная продолжительность процесса усталостного разрушения образца с трещиной показана на рис.3.3. Штриховкой отмечено время развития трещины усталости в процентах по отношению к общей длительности жизни образца.

Проведены сравнительные испытания смазочных свойств минеральных масел с добавками высокодисперсного сульфида молибдена и диалкилдитиофосфатов металлов . Установлено, что при одинаковых условиях по противоизносным свойствам сульфид молибдена превосходит ди-алкилдитиофосфат цинка. Разложение сульфида молибдена начинается при более высоких температурах, чем разложение обычных противоизносных присадок , что составляет его существенное преимущество. При сравнительном испытании влияния смазочных масел, содержащих различные металлические соли диалкилдитиофосфатов и сульфид молибдена, на питтинг червячных передач выявлено, что наиболее эффективным в уменьшении усталостного разрушения является сульфид молибдена в концентрации 1,5% .

В зависимости от направления свивки прядей и проволок в прядях различают тросыК.рестовой, односторонней и комбинированной свивки. Тросы крестовой свивки менее прочны и гибки, чем тросы односторонней свивки, но последние более подвержены самораскручиванию. При монтажных работах наиболее широко применяют тросы из шести прядей, расположенных вокруг одного органического сердечника . Мягкий органический сердечник увеличивает гибкость каната, улучшает его сопротивляемость динамическим нагрузкам и обеспечивает удерживание смазки, предохраняющей проволоку от коррозии и усиленного износа. Хотя тросы из оцинкованной проволоки более стойки к коррозии по сравнению с тросами из светлой неоцинкованной проволоки, однако их прочность на 7—10 % меньше и они дороже. При надлежащем уходе за тросом в процессе эксплуатации выход его из строя происходит не вследствие коррозии, а в результате усталостного разрушения проволок под действием динамических нагрузок и многократных перегибов на роликах блоков, барабанах лебедок и т. д. Поэтому для монтажных работ применяют тросы из светлой неоцинкованной проволоки высшей или первой марки, имеющей временное сопротивление разрыву 1600—1800 МПа.

Расчет статической прочности, жесткости и устойчивости валов. На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей возможной кратковременной нагрузке , повторяемость которой мала и не может вызвать усталостного разрушения.

В зоне усталостного разрушения отсутствуют какие-либо-признаки пластической деформации даже у самых пластичных материалов. Ширина раскрытия усталостной трещины у выхода ее на поверхность в начальной стадии разрушения не превышает нескольких микрон.

Изучение начального периода усталостного разрушения показывает , что уже с первых циклов нагружения рост плотности дислокации сопровождается изменением значений электрофизических параметров. По мере накопления дислокаций и формирования ячеистой структуры происходит дальнейшее изменение этих параметров. Для п = 4000 стадия циклической микротекучести заканчивается. Для стадии циклической текучести характерно лавинообразное нарастание плотности дислокации не только по границам ячеистой структуры, но и в объеме самой ячейки. Для а — 70 МПа этот участок соответствует 7—10 тысячам циклов нагружения.

Поля напряжений и деформаций в-элементах аппарата могут быть как стационарными , так и изменяющимися во времени . В соответствии с этим зарождение и развитие трещин может происходить по механизмам вязкого, хрупкого или усталостного разрушения .

Для многих колонных аппаратов характерен периодический режим нагружения. В этом случае одной из основных причин неисправностей и отказов колонны является усталостное разрушение Результаты многочисленных исследований процесса возникновения усталостных трещин в крупногабаритных конструкциях позволяют сделать вывод о стохастическом распределении трещин как по времени, так и по поверхности аппарата. Объясняется это системным воздействием комплекса факторов, проявляющихся при эксплуатации колонны. К числу таких факторов следует отнести особенности структуры материала , последовательность нагружения, влияние термоактива-ционных процессов и т.п. Механизмы усталостного разрушения и особенности их проявления в крупногабаритных конструкциях рассмотрены в .

При циклическом нагружении методологической основой оценки поврежденности колонны служат гипотезы о накоплении повреждений. К настоящему времени обширные теоретические и экспериментальные исследования в области мало- и многоцикловой усталости привели к разработке большого числа специальных методов, реализующих концепцию накопления повреждений. Поскольку для сосудов давления число циклов нагружения в течение срока службы обычно не превышает 5-Ю5 , интерес представляют гипотезы, рассматривающие именно эту область усталостного разрушения. Общий обзор работ, посвященных методам суммирования повреждений как в случае изотермического малоциклового нагружения, так и при термоциклической усталости, дан в .

В настоящее время для изготовления ГМР и компенсаторов широко используются конструкционные материалы, имеющие различную природу и коррозионную стойкость, такие, как нержавеющие хромоникелевые сплавы, жаропрочные сплавы на никелевой основе, сплавы титана, к которым предъявляются требования повышенной коррозионной стойкости и сопротивляемости усталостному разрушению, а также определенные технологические требования . Исходя из предпосылки о коррозионно-механической природе разрушения ГМР и компенсаторов, были проведены сравнительные кор-розионно-усталостные испытания хромоникелевой нержавеющей стали 12Х18Н10Т и сплава на никелевой основе 12Х25Н60В15 с целью выбора материала повышенной долговечности при работе в различных коррозионно-активных средах . При этом в качестве последних были выбраны электролиты, обусловливающие различное электрохимическое поведение исследуемых сплавов: дистиллированная вода, в которой стали находятся в устойчивом пассивном состоянии; 3 %-ный раствор хлорида натрия, имитирующий пластовые воды и атмосферу морского климата, в котором возможно локальное нарушение пассивности сплавов за счет питтингообразования при наличии хлор-ионов: 60 %-ный раствор азотной кислоты как энергичный окислитель, в котором материалы находятся в области активного растворения. Причем все перечисленные среды в той или иной степени моделируют основные натурные транспортируемые продукты .

С каждой стадией уровень запасенной энергии в переплетениях дислокаций увеличивается, объем клубков возрастает и повышается количество атмосфер примесных атомов. Поэтому для очередного сброса уровня запасенной энергии становится необходимой все более высокая стартовая энергия в плоских скоплениях для начала поперечного скольжения, приводящего к релаксации. Об этом свидетельствует последовательное ступенчатое увеличение уровней микроискажений кристаллической решетки перед каждым очередным релаксационным процессом, в конечном итоге приводящее к усталостному разрушению, когда энергия приложенной микродеформации превысит энергию связи атомов матрицы. При этом в приповерхностных слоях металла образуются суб-микротрещины, развивающиеся в микро- и макротрещины.

Процессы малоцикловой коррозионной усталости на сплаве титана ВТ1-0 в целом протекают по такому же механизму, как и у стали 18-10, несмотря на различную природу материалов, хотя это различие и сказывается на конкретном ходе зависимостей. Так, максимальные значения уровня микродеформаций здесь достигаются при много меньших числах циклов нагружения, чем на стали 18-10, а их абсолютные величины почти в 2 раза выше. Это приводит к относительно раннему коррозионно-усталостному разрушению сплава, причем на воздухе его усталостная долговечность примерно в 1,5 раза выше, чем в электролите, но и в том, и в другом случае титан обладает значительно более низкой усталостной долговечностью по сравнению со сталью 18-10 . Такое поведение технического титана можно объяснить следующим. Известно, что по своим термодинамическим свойствам титан является химически активным металлом. Однако на его поверхности очень интенсивно образуется тонкая оксидная пассивирующая пленка, отличающаяся более высокой, чем у других металлов, устойчивостью. При этом электрохимическими исследованиями установлено, что титан подвергается сильному химическому действию только в тех средах, в которых защитный слой пленки разрушается и не восстанавливается. В нашем случае в условиях усталостного малоциклового нагружения в связи с развитием больших микропластических деформаций ' хрупкая оксидная пленка разрушается и открывается доступ кислорода воздуха или электролита при коррозионной усталости к термодинамически неустойчивой матрице основного металла. Даже кислород, резко снижая пластичность титана, способствует значительному падению усталостной долговечности на воздухе по сравнению со сталью 18-10. Это подтверждается микротопографи-

Выше рассмотренные критерии в основном относятся к статическим нагружениям. В некоторых случаях испытания проводятся циклическим давлением. Нестационарность на-гружения приводит к накоплению повреждений в металле и усталостному разрушению. Для трубопроводов характерна малоцикловая усталость , ускоряемая наличием коррозионных сред. Рассмотрим основные закономерности разрушения в условиях малоциклового нагружения.

Увеличение мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении массы и габаритов приводит зачастую к снижению жесткости конструкций и, как следствие, к вибрациям; повышению вибраций способствует и увеличение быстроходности машин. Вибрации могут привести к разбалтыванию соединений, разрушению изоляционных покрытий, усталостному разрушению трубопровода и к авариям. Особенно опасны вибрации трубопроводов при транспортировке токсичных и взрывоопасных газов и жидкостей.

Грегг и Алкоук установили, что при введении каучука в дорожные смеси их сопротивление усталостному разрушению при изгибе возрастает. Целью их работы, проводимой в дорожной исследовательской лаборатории в Кентукки , было разработать новые методы испытаний для доказательства влияния добавок каучука, поскольку старыми методами испытания это сделать было нельзя. На созданной испытательной машине в условиях, аналогичных эксплуатационным, воспроизводилось многократное искривление асфальтобетонного дорожного покрытия. Образец в форме бруска устанавливали в держателе, который колебался так, что верхний и нижний концы образца попеременно сжимались и растягивались. Испытание проводили до появления на образце трещин. Образцы испытывали до и после различных периодов старения в

Усталостный износ. Весьма часты случаи, когда деталь или несколько деталей, подвергающихся в течение продолжительного времени переменным нагрузкам, ломаются при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности материала детали. Под переменными нагрузками в данном случае понимают напряжения, которые возникают под действием усилий, многократно изменяющихся по величине или направлению, либо одновременно и по величине, и по направлению. Полное или частичное разрушение детали под действием напряжений, величина которых меньше предела прочности, называют усталостным износом. Усталостному разрушению предшествует появление трещин в виде острых надрезов, у дна которых создаются объемные напряженные состояния. В резуль-

Усталостный износ. Весьма часты случаи, когда деталь или несколько деталей, подвергающихся в течение продолжительного времени переменным нагрузкам, ломаются при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности материала детали. Под переменными нагрузками в данном случае понимают напряжения, которые возникают под действием усилий, многократно изменяющихся по величине или направлению, либо одновременно и по величине, и по направлению. Полное или частичное разрушение детали под действием напряжений, величина которых меньше предела прочности, называют усталостным износом. Усталостному разрушению предшествует появление трещин в виде осчрых надрезов, у дна которых создаются объемные напряженные состояния. В резуль-

Контроль качества тепловых соединений. При изготовлении неподвижных соединений деталей путем тепловой посадки одной на другую обычно нагревают охватывающую деталь. В процессе эксплуатации таких соединений контактное давление может су-ществено изменяться, что приводит к частичной или полной потере их несущей способности, а также усталостному разрушению охватываемых деталей в зоне посадки из-за высокого уровня напряжений. Для неразрушающего контроля подобных соединений было предложено использовать ультразвуковой метод. В литературе имеются ограниченные сведения по этому вопросу, недостаточные для практического использования . В частности, отсутствовали количественные данные о связи между величиной контактного давления и особенностями структуры контактной зоны. С этой целью было изучено поведение металлов в контактной зоне тепловых соединений, а также проведены их ультразвуковые исследования.

Грегг и Алкоук установили, что при введении каучука в дорожные смеси их сопротивление усталостному разрушению при изгибе возрастает. Целью их работы, проводимой в дорожной исследовательской лаборатории в Кентукки , было разработать новые методы испытаний для доказательства влияния добавок каучука, поскольку старыми методами испытания это сделать было нельзя. На созданной испытательной машине в условиях, аналогичных эксплуатационным, воспроизводилось многократное искривление асфальтобетонного дорожного покрытия. Образец в форме бруска устанавливали в держателе, который колебался так, что верхний и нижний концы образца попеременно сжимались и растягивались. Испытание проводили до появления на образце трещин. Образцы испытывали до и после различных периодов старения в

Ребиндер и Епифанов рассматривают износ как поверхностное диспергирование металла, происходящее в результате его многократной пластической деформации. Эта деформация приводит как к упрочнению металла, так и к его усталостному разрушению. Поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся или хемосорбирующиеся на границе трения, облегчают диспергирование металла на поверхностном слое, тем самым способствуя приработке его при высоких контактных давлениях. После периода приработки трущихся поверхностей гладкость металла значительно повышается, в результате чего снижается давление, поверхность становится более прочной и ее износ резко снижается. Противоизносные присадки должны ослаблять взаимодействие трущихся тел. Эффективность такой присадки будет в значительной мере определяться ее остаточным слоем на трущихся поверхностях, толщина которого зависит от химического строения присадки и растворяющей среды. Предполагают, что такие присадки создают или повышают расклинивающее давление и придают граничным слоям упругие свойства .