Лахтин_Матеориаловедение

который отвечает 90 % волокна, и нижний tH, отвечающий 10 %

волокна. Порог хладноломкости (tB, tH, t50, t90) не является постоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера

образца и т. д. Чем выше прочность (σΒ, σ0,2), тем выше порог хладноломкости.

В случае определения надежноети машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая рекомендация не применять материал при температурах ниже порога хладноломкости. Нужно учитывать, что Θ понижением температуры снижается и величина К1с·

5. МЕХАНИЧЕСКИЕСВОЙСТВА ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ (ЦИКЛИЧЕСКИХ) НАГРУЗКАХ

Длительное воздействие на металл повторнопеременных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже σ0,2.

Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости — выносливостью.

Усталостный излом (рис. 71) состоит из очага разрушения 1 — места зарождения разрушения, зоны стабильного развития трещины 2 и зоны долома 3 — участка развития трещины, связанного с окончательным разрушением. Очар разрушения обычно расположен вблизи поверхности. Поверхность как

наиболее нагруженная часть сечения (при изгибе, кручении) претерпевает микродеформацию, а затем в на-

клепанной зоне образуются подповерхностные трещины (рие. 71, б). Растет, однако, только та трещина, которая имеет достаточную длину и острую вершину (рис. 71, 6) — магистральная трещина. Продвигаясь в глубь металла, усталостная трещина образует глубокий и острый надрез.

В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки), отражающие последовательное положение растущей трещины (рис 71, а). Скорость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит быстрое разрушение, что приводит к образованию зоны долома (рис. 71, а). Зона долома имеет структуру, характерную для хрупкого или вязкого (в зависимости от природы материала) разрушения при однократных нагрузках (статических или ударных).

Испытание на усталость (ГОСТ 25502—79) проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Цикл напряжения — это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное

σmax или минимальное σmin напряжение цикла принимают наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии: R = σmin/σmax. Если R = -1, то цикл называют симметричным, если σmin и σmax не равны по величине, то цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначается σR (R — коэффициент асимметрии цикла), а при симметричном цикле σ-1. Предел выносливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу (рис. 72). Для определения используют не менее десяти образцов, чаще диаметром 7,5 мм. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытания отдельных

102

образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рис. 73), а иногда в координатах

С уменьшением σmax долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т. е. σmax не вызывающее разрушения при бесконечном большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости σR (рис. 73, кривая 1).

Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости — наибольшее напряжение, которое выдерживает металл (сплав) в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания N должна быть не ниже 10·106 циклов для стали и 100·106 циклов для легких сплавов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рис. 73, кривая 2).

Если образование трещин или полное разрушение происходит при числе циклов до 5·104, такая усталость называется

малоцикловой, при большом числе циклов — многоцикловой.

Малоцикловая усталость имеет большое значение для штампового инструмента, деталей самолета (шасси, фюзеляж), сосудов высокого давления, узлов космических кораблей и т. д.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжения (см, рис. 48). Чувствительность к концентраторам напряжений при симметричном цикле нагружения определяется

эффективным коэффициентом концентрации напряжений Κσ =

σ-1/σ-1K, где σ-1 и σ-1K — пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (с концентратором напряжения).

Чем больше размер образца (изделия), тем больше в нем различных дефектов (неметаллических включений, субмикроскопических трещин и т. д.) и запав упругой энергии, что облегчает

103

образование и развитие усталостных трещин и снижает σR (масштабный фактор).

Коррозия на 50—60 % и более снижает предел выноеливо-сти σ-1.

Между пределом выносливости σ-1 и временным сопротивлением σΒ существует определенная связь.

Для многих сталей отношение σ-1/σΒ 0,5, для медных еплавов

— 0,3—0,5 и для алюминиевых — 0,25—0,4. Поэтому, зная σΒ, можно ориентировочно определить σ-1. Однако следует иметь в виду, что при высоком значении σΒ (σ0,2) отношение σ1/σΒ снижается (рис. 74). С повышением прочности (σΒ, σ0,2) возрастает σ-1 за счет увеличения сопротивления зарождения трещины усталости. Однако с увеличением σ0,2 снижается пластичность, что затрудняет релаксацию напряжений у вершины трещины и ускоряет ее развитие. С повышением прочности (понижением пластичности) возрастает чувствительность к концентраторам напряжений. Поэтому высокопрочные стали могут иметь более низкий σ-1, чем менее прочные стали.

Живучесть. Важной характеристикой конструктивной прочности, характеризующей надежность материала, является живучесть при циклическом нагружении. Под живучестью понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером 0,5—1,0 мм до окончательного разрушения.

Количественно живучесть конструкции оценивается коэффициентом β = 1 — τ0/τраз, где τ0 и τраз — продолжительность эксплуатации конструкции до появления трещин и до разрушения соответственно. Коэффициент живучести может колебаться от 0,1 до 0,9. Ранее зарождение трещин усталости объясняется дефектами металлургического и технологического характера, а также неудачной конструкцией изделия (наличие концентраторов напряжений). Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем периодического дефектоскопирования различными физическими методами для выявления усталостных трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.

6. ИЗНАШИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

При трении сопряженных поверхностей имеет место изнашивание (износ)1, под которым понимают процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его

1 Износ — результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (длины, объема, массы и др.).

104

остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (ГОСТ 27674—88). Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания, принято называть износостойкостью. В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машин.

Изнашивание является сложным физико-химическим процессом и нередко сопровождается коррозией1. Реальные поверхности имеют сложный рельеф, характеризующийся шероховатостью и волнистостью. При трении существует дискретное касание шероховатых тел и, как следствие этого, возникают отдельные фрикционные связи, определяющие процесс изнашивания. Износ может возникнуть вследствие фрикционной усталости, хрупкого и вязкого разрушения, микрорезания при начальном взаимодействии, разрушения (в том числе усталостного) оксидных пленок, глубинного вырывания металла и т. д.

При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трения F, препятствующая взаимному перемещению. Сила трения равна F = Pf, где Р — нормальная составляющая внешней силы, действующей на контактную поверхность, а f — коэффициент трения2. Коэффициент трения (безразмерная величина) может быть определен из уравнения: f = A (µv /P), где А — коэффициент, µ — динамическая вязкость и v — относительная скорость перемещения. Чем ниже значение f, тем меньше износ.

Обычно между трущимися поверхностями имеется тонкая пленка оксидов, которая изолирует поверхности соприкасающихся металлов. Механизм изнашивания и величина износа зависят как от свойств материала пар трения, так и от характера их движения (трение скольжения, качения и т. д.), величины Р, скорости перемещения v и физико-химического действия среды. Ниже описаны различные разновидности изнашивания. Чаще имеют место коррозионно-механическое или окислительное изнашивание. Окислительным называется изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

В результате трения на самой поверхности толщиной ~103 нм образуется особая структура, содержащая большое количество оксидов. Под вторичной структурой располагается сильно деформированный тонкий слой металла с высокой плотностью дислокации. При нормальном окислительном изнашивании разрушается только вторичная структура, после удаления которой она легко

1	Наука, изучающая физико-химические процессы,	протекающие при из
носе, получила название триботехника.
2	Коэффициент трения — отношение силы трения	двух тел к нормальной

силе, прижимающей эти тела друг к другу.

105

восстанавливается, и процесс многократно повторяется. Наличие вторичной структуры уменьшает изнашивание поверхностного слоя. Наиболее высокая износостойкость достигается при минимальной толщине вторичной структуры, высокой ее прочности и хорошей связи о основным металлом. При нормальном окислительном изнашивании коэффициент трения 0,01— 0,10 и толщина разрушающегося слоя 0,001— 0,01 мм.

При постоянных условиях трения имеют место три стадии изнашивания (рис. 75): 1 — период приработки, при котором происходит интенсивное изнашивание, изменяется микрогеометрия поверхности и материал наклёпывается; эти процессы обеспечивают упругое контактное взаимодействие тел; после приработки устанавливается равновесная шероховатость поверхности, характерная для заданных условий трения, которая в дальнейшем не изменяется и непрерывно воспроизводится; 2 — период установившегося износа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных условий трения; 3 — период катастрофического износа.

Окислительное изнашивание наблюдается в подшипниках скольжения, валах, втулках, поршневых кольцах и т. д.

Различают трение без смазочного материала1 и трение со смазочным материалом. Трение без смазочного материала наблюдается во фрикционных передачах, тормозных парах и т. д. Широко применяется граничная смазка, когда масляная пленка толщиной от сотых до десятых долей миллиметра адсорбируется на поверхности детали. Коэффициент трения для этого случая составляет 0,01—0,03. При жидкостной смазке — трущиеся поверхности разделены находящимся под давлением слоем смазочного материала, который является несущим, так как уравновешивает внешнюю нагрузку. В этом случае слой смазочного материала имеет значительную толщину, трение происходит внутри масляного слоя, что приводит к снижению коэффициента трения (~0,001).

При других видах изнашивания разрушение затрагивает поверхностные слои большей толщины.

Виды изнашивания. По ГОСТ 27674—88 различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (изнашивание при действии электрического тока).

К механическому изнашиванию относят абразивное,

гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и изнашивание при заедании.

1 Смазочный материал — материал, вводимый на поверхность трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

106

Абразивное изнашивание материала происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел и (или) абразивных частиц. Эти частицы попадают между контактирующими поверхностями со смазочным материалом или из воздуха, а также могут появиться в результате развития других видов изнашивания (схватывания, выкрашивания, окисления). Абразивное изнашивание может иметь место с преобладанием процессов окисления (окисление и последующее разрушение оксидных пленок) и G преобладанием механического разрушения (внедрения абразивных частиц) и разрушения поверхности. При окислительной форме абразивного изнашивания коэффициент трения 0,05—0,30 и толщина разрушающегося слоя до 0,1 мм. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохозяйственных

идругих машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы (грунт, разбуриваемые породы

ит. д.).

Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным изнашиванием. Оно имеет место, например, в мешалках и пропеллерах реакторов, в колесах и корпусах насосов, в шнеках и т. д.

Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (например, в дымоходах и воздуходувках), то вызываемое ими изнашивание называется газоабразивным изнашиванием.

Под кавитационным изнашиванием понимают изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаждению, трубопроводы.

Усталостное изнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений и разрушений поверхности под влиянием циклических контактных нагрузок, вызывающих появление «ямок» выкрашивания. Усталостное изнашивание проявляется при трении, качении или реже качении с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным.

Так, контактную усталость можно наблюдать в тяжелонагруженных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах подвижного состава железнодорожного транспорта и т. д.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в болтовых и заклепочных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей, находящихся в подвижном контакте. Достаточны для образования фреттинг-коррозии даже весьма малые относительные перемещения самплитудой 0,025 мкм.

Причиной изнашивания является непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта. Коэффициент трения 0,1—1,0.

107

Изнашивание при заедании, при котором имеет место задир, что приводит к катастрофическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности, и трущиеся детали выходят из строя.

Различают схватывание I рода (холодный задир) и II рода (горячий задир). Холодный задир происходит при трении с небольшими скоростями относительного перемещения (до 0,5— 0,6 м/с) и удельными нагрузками, превышающими σT, при отсутствии смазочного материала и защитной пленки оксидов. Горячий задир, наоборот, имеет место при трении скольжения в большими скоростями (>0,6 м/с) и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500—1500 °С). При cхватывании I рода коэффициент трения 0,5—4,0 и толщина разрушающегося слоя до 3—4 мм, а при схватывании II рода соответственно 0,10—1,0 и до 1,0 мм.

Электроэрозионное изнашивание происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Допустимые виды изнашивания: окислительное и окислительная форма абразивного изнашивания. Недопустимые разрушения при трении: схватывание I и II рода, фреттинг-процесс, резание и царапание (механическая форма абразивного изнашивания), усталость при качении и другие виды повреждения (коррозия, кавитация, эрозия и др.).

За основу инженерной характеристики изнашивания принята интенсивность линейного изнашивания1 Jh = dh/dLT, где h — линейный износ, LT — путь трения. Интенсивность изнашивания Jh изменяется от 10-3 до 10-13. В зависимости от величины интенсивности изнашивания введено 10 классов износостойкости от 0 до 9.

По виду контактного взаимодействия поверхностей трения классы 0-5 соответствуют упругому деформированию (Jh = 10-13÷10-17); классы 6 и 7 — упругопластическому деформированию

(Jh = 10-7÷10-5); классы 8—9 — микрорезанию (J = 10-5÷10-3).

Так, интенсивность изнашивания гильз цилиндра, поршневых колец, шатунных и коренных шеек коленчатых валов составляет 10- 11—10-12, режущего инструмента — 10-5—10-8, зубьев ковшей экскаваторов — 10-3—10-4.

Классы износостойкости позволяют применять расчетные методы определения срока службы трущейся пары.

Методы испытания на износ. Испытание на износ проводят самыми различными методами (рис. 76). Следует при этом иметь в виду, что испытания, проведенные разными методами, не сопоставимы. Приведенные на рис. 76 схемы испытания на износ, воспроизводят условия для самых различных видов изнашивания. Рекомендуется испытание проводить в условиях жидкостного трения при несовершенном смазочном материале и без него.

1 Зта величина безразмерная, когда линейный износ Jh и путь трения измеряют в одних единицах.

108

Массовый изное определяют по уменьшению массы, Абсолютный массовый износ относят к площади поверхности трения, после чего определяют линейный износ. По моменту трения вычисляют коэффициент трения. Чем меньше износ, коэффициент трения и разогрев за данный отрезок времени испытания при постоянном давлении, тем выше износостойкость материала. Противозадирные свойства определяют в условиях трения без смазочного материала. У материалов, обладающих более высокими противо-задирными свойствами, в меньшей степени или совсем отсутствует перенос материала образца-вкладыша на сопряженную поверхность ролика и меньше возрастают коэффициент трения и температура в процессе испытания.

Испытания на абразивное изнашивание проводят по ГОСТ 17367—71 при трении о закрепленные абразивные частицы. В этом случае трение испытуемого и эталонного образцов осуществляют об абразивную шкурку при статической нагрузке и отсутствии нагрева. Относительную износостойкость ε определяют по формуле ε = (∆lэ/∆ln) (dэ/dn)2, где ∆lэ и ∆ln — абсолютный линейный износ эталонного и испытуемого образцов, мм; dэ и dn — фактический диаметр эталонного и испытуемого образцов, мм.

Измерение износа по потере массы или объема детали не применимо к деталям машин. В этом случае износ определяют по содержанию продуктов изнашивания в смазочном материале (химическим анализом), методом микрометрических измерений

109

детали до и после изнашивания, методом искусственных баз, когда на изнашивающуюся поверхность наносят углубление, по уменьшению размеров которого судят о величине износа, методом поверхностной активации, основанном на снижении радиоактивности при изнашивании детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный объем толщиной 0,05—0,4 мм путем облучения заряженными или другими частицами.

Для испытания на контактную усталость применяют трехроликовые двухконтактные машины, в которых испытуемый образец обкатывается под давлением между двумя валами (роликами), а также машины, в которых плоская поверхность подвергается контактному нагружению при обкатке шарами.

Контактное усталостное изнашивание характеризуется ограниченным пределом усталостного выкрашивания σκ, τ. е. максимальным нормальным напряжением цикла σшах, при котором не наблюдается разрушение поверхностных слоев испытуемого металла при данной базе испытания. Предел контактной выносливости определяется на базе 5·107—2·108 циклов (в зависимости от материала). За критерий разрушения принимают начало прогрессирующего выкрашивания, которое может привести к выкрашиванию по всей поверхности. Минимальный размер выкрашивания должен превышать половину малой полуоси контактной площади (D ≥ 0,5 b). По результатам испытания строят кривую контактной усталости.

7. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Увеличение прочности (σΒ, σ0,2) и сопротивления усталости (σ-1) металлов и сплавов при сохранении достаточно высоких пластичности (δ, ψ), вязкости (KCU, КСТ) и трещиностойкости (K1c) повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.

Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При этом происходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокации и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Ниже рассмотрены различные механизмы упрочнения металлов и сплавов.

Принято различать техническую и теоретическую прочность

металлов.

Техническую прочность определяют описанные выше

свойства σ0,2, σΒ, SK, Ε, σ-1 и др.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам c учетом cил межатомного

110