Усталость и химико-тепловые повреждения деталей машин

Кроме изнашивания при эксплуатации машин наблюдаются другие процессы, вызывающие неисправности машин. К ним относятся: усталостное разрушение, химико-тепловые повреждения, электро­эрозионное разрушение, изменение с течением времени свойств материала деталей, механические повреждения.

Усталостное разрушение. Усталостью металла называется про­цесс постепенного накопления повреждений в материале под действием повторно-переменных на­пряжений, приводящий к умень­шению долговечности, образованию трещин и разрушению.

Механизм образования устало­стного разрушения принято делить на три стадии: 1)в начальной ста­дии действия циклических напря­жений в металле происходит нако­пление упругих искажений кри­сталлической решетки;

2) после определенного цикла нагружений появляются субмикроскопические трещины, так как упругие напря­жения кристаллической решетки достигают критических значений;

3) субмикроскопические трещины развиваются до размеров макротрещин и происходит окончательное разрушение детали. На рис. 11.5 показана обобщенная диаграмма усталости, где ABC — кривая выносливости (кривая Велера); А'В'С' — линия начала появления субмикроскопических трещин и А'С—линия необратимой повреждаемости (линия Френча). При напряжениях ниже длительного периода выносливости σ_w микро­трещины не развиваются. При критическом напряжении σ_к > σ_w происходит разрушение через N_K циклов (критическое число цик­лов). Появлению микротрещин способствует наличие в деталях кон­центраторов напряжений: грубых следов от режущего инструмента, царапин, выточек, пазов, неоднородности металла в виде неметал­лических включений, пустот и др. Видимые трещины на поверх­ности детали появляются незадолго до усталостного разрушения.

Усталостному разрушению подвержены коленчатые валы, валы реверса лебедок, вертикальные валы механизма поворота экска­ватора, зубчатые колеса и другие детали, воспринимающие зна­чительную знакопеременную нагрузку.

Установлено, что при упрочнении поверхностного слоя деталей дробеструйной обработкой или обкаткой поверхности усталостные трещины возникают под упрочненным слоем. Поэтому при выпол­нении операций упрочняющей технологии следует строго соблю­дать режим обработки.

В деталях, подвергаемых при ремонте восстановлению металло­покрытиями, снижение усталостной прочности вызывается рядом причин:

1) наличием на изношенной поверхности рисок, задиров, ускоряющих образование трещин усталости;

2) появлением внут­ренних напряжений в результате нанесения покрытия либо в ре­зультате снятия неравномерного припуска при механической обра­ботке наплавленного слоя;

3) несоблюдением требований к шерохо­ватости поверхности после металлопокрытия, так как наплавочные и электролитические покрытия воспринимают внешние нагрузки заодно с основным металлом.

Химико-тепловые повреждения. К этой группе повреждений относятся коррозия, образование накипи, нагара, осадков, короб­ление.

Коррозия. Коррозией называется разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Коррозии особенно подвержены детали двигателей внутреннего сгорания (днища поршней, верхняя часть гильз цилиндров, головки цилиндров, выпускные клапаны, глу­шители).

Химическая коррозия возникает под воздействием на металл внешней среды. Окисление происходит в результате проникнове­ния атомов кислорода в кристаллическую решетку металла с обра­зованием оксидов железа FeO, а - Fe2O3, у - Fe2O3, Fe3O4. С ростом температуры окружающей среды интенсивность химической кор­розии возрастает. Например, выпускные клапаны и седла клапа­нов двигателей находятся под воздействием газов при температуре 650—800 °С. Для повышения коррозионной стойкости выпускные клапаны изготовляют из жаропрочных сталей и наплавляют спла­вами на хромоникелевой основе ВХН-1. Седла клапанов и вставки для верхней части цилиндров изготовляют из высокопрочного леги­рованного чугуна, глушители двигателей — из коррозионностой-кой стали (0Х13Ю или 0Х13Т).

Электрохимическая коррозия металлов происходит под воздей­ствием электролита в виде тонких слоев атмосферной влаги с раст­воренными в ней газами либо в виде водных растворов щелочей, кислот и солей, находящихся в загрязнениях на поверхности ме­талла. Эти электролиты обладают иными потенциалами, чем металл детали, вследствие чего возникают микрогальванические элементы (пары), вызывающие коррозию. Наиболее распространена атмосфер­ная коррозия таких деталей, как кузова, рамы. При сопряжении двух деталей, имеющих различные потенциалы, и при наличии электролита возникает контактная коррозия. Процессы коррозии в ряде случаев комбинируются с процес­сом абразивного истирания, с кавитационным разрушением мате­риала (коррозионная кавитация). При одновременном действии коррозии и длительных знакопеременных нагрузок возникает коррозионно-усталостное разрушение детали. Для защиты деталей и узлов машин от действия коррозии применяют различного рода покрытия, описанные ниже (см. раздел третий).

Образование накипи. В системе охлаждения двига­телей, а также в емкостях для подогрева воды образуется накипь в результате осаждения из воды солей кальция и магния (СаСО3, CaSO4, MgCO3, MgSO4 и т. п.), а также механических примесей, содержащихся в воде. Образование накипи ухудшает условия охлаждения двигателя, что приводит к его перегреву, ухудшению условий смазки и, как следствие, к повышенному износу дета­лей.

Нагар — твердые углеродистые вещества, откладывающиеся на рабочих поверхностях деталей двигателей (клапаны, свечи зажигания, сопла форсунок, поршни, головки цилиндров) при сго­рании паров топлива и масла. В результате образования нагара ухудшаются условия теплопередачи, падает мощность двигателя, повышается склонность двигателя к перегреву.

Осадки в виде мазеобразной массы образуются на стенках картеров двигателей и на деталях, расположенных в картерах, а также в масляных фильтрах и в маслопроводах. Компонентами этих осадков являются масло, топливо, продукты окисления масла и топлива, продукты изнашивания деталей, пыль и др. Осадки ухудшают работу масляных фильтров, засоряют каналы для подачи смазки в зоны трения, затрудняют работу масляных насосов, за­грязняют свежее масло, заливаемое в картер двигателя.

Коробление деталей происходит в результате действия высоких температур, приводящих к появлению в деталях больших внутренних напряжений. Такие повреждения характерны, напри­мер, для головок блока цилиндров двигателей внутреннего сго­рания. Коробление деталей чаще всего встречается при наруше­нии правил эксплуатации машин.

*87*