257

Глава 7. Усталость материалов элементов машин

7.1. Условия развития усталостных процессов

Усталость — процесс постепенного изменения физико-механических свойств и накопления внутренних повреждений материала под действием повторно-переменного нагружения.

Большинство деталей машин в процессе работы испытывают статические или динамические нагрузки. В зависимости от значения и точки приложения нагрузки, а также характера нагружения возникают деформации детали различных видов: изгиб, кручение или сдвиг.

Если нагрузка не превышает соответствующего предела прочности матери­ала, то разрушения детали или изменения ее формы после снятия на­грузки не происходит. Однако напряжения, возникающие в материале детали под действием нагрузки, не проходят бесследно. Они постепенно накапливаются в материале и вызывают изменение его физико-механических свойств.

Внутренние напряжения в материале деталей возникают не толь­ко под действием нагрузки, но и по целому ряду других причин. При изготовлении детали возникают остаточные внутренние напряжения, вызванные изменением температуры материалов в процессе обработки поверхности. Эти напряжения образуют равновесную систему и могут проявляться в виде макронапряжений, охватывающих большие объемы детали (напряжения I рода), микронапряжений, локализующихся в пределах одного или нескольких кристаллических зерен (напряжения II рода) и субмикроскопических напряжений, действующих между элементами кристаллической решетки (напряжения III рода).

В зависимости от причины возникновения различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения, являющиеся следствием технологических операций.

При механической обработке в поверхностных слоях матери­ала детали также возникают остаточные напряжения, как правило, I и II рода.

Наиболее отрицательное влияние на долговечность деталей оказывают остаточные напряжения I рода. Распределение этих напряжений по толщине материала поверхностного слоя детали может быть различным (рис. 7.1). Непосредственно у поверхности могут возник­нуть в процессе обработки детали или сжимающие, или растягивающие остаточные напряжения.

Особенно опасны растягивающие остаточные напряжения, вызывающие уменьшение усталостной прочности и износостойкости материала. Эпюры распределения напряжений (рис. 7.1, а) характерны для деталей, прошедших механическую обработку (точение, фрезерование)

.

Рис. 7.1. Типичные эпюры остаточных напряжений I рода в поверхностном слое материала детали после: а — механической обработки; б — диффузионного отжига; в — химико-термической обработки; 1 — сжатие; 2 — растяжение

Остаточные внутренние напряжения могут накапливаться и в более глубоких подповерхностных слоях материала. Например, при диффузионном отжиге (рис. 7.1, б) деталей с гальваническими покрытиями, металл которых обладает способностью диффундировать в сталь, на границе раздела «покрытие—подложка» возникнет диффузионный слой, обладающий большим удельным объемом, чем основной металл покрытия. Результатом этого явится возникновение на границе слоя остаточных сжимающих напряжений.

При химико-термической обработке поверхностно-обезуглероженных сталей возникают растягивающие остаточные напряжения с максимумом на границе раздела «диффузионный слой — подложка». Релаксационные явления, про­исходящие в материале после химико-термической обработки, могут несколько изменять характер распределения напряжений (рис. 7.1, в).

Разнообразие распределения остаточных внутренних напряжений объясняется в первую очередь силовыми и температурными воздействиями. Величина остаточных напряжений зависит от формы и размеров детали, видов и режимов обработки, а также от физико-механических свойств материала детали.

В материале детали часто образуются местные концентрации внутренних напряжений в местах резкого изменения формы поверхности. Концентраторами внутренних напряжений могут быть галтели, отверстия, канавки и другие конструктивные элементы детали, а также микроповреждения поверхности (микрориски, трещины, впадины микронеровностей).

В процессе работы деталей сопряжений при контакте трущихся рабочих поверхностей возникают местные напряжения, обусловленные взаимодействием микронеровностей. Эти напряжения называют рабочими или внешними. Они могут усиливать или ослаблять внутренние остаточные напряжения. При сложении внешних растягивающих напряжений с внутренними остаточными напряжениями того же знака происходит резкое уменьшение усталостной прочности материала и разрушение детали.

Рис. 7.2. Эпюры внешних напряжений, возникающих при качении с проскальзыванием: 1 — от чистого скольжения; 2 — от чистого качения; 3 — суммарная эпюра

Например, рассмотрим условия возникновения усталостных повреждений в элементах зубчатых колес. При работе сопряжения в условиях качения с проскальзыванием внешние напряжения будут формироваться под действием напряжений двух типов: чистого скольжения и чистого качения (рис. 7.2).

Если максимальные касательные напряжения будут больше предела выносливости материала, то в верх­них слоях детали параллельно поверхности будут развиваться усталостные микротрещины. Эти трещины активно развиваются в процессе работы механизма и, постепенно смыкаясь, приводят к разрушению поверхности. При реверсивном характере работы зубчатой передачи усталостные трещины развиваются по нормали к поверхности в глубь материала, вызывая уменьшение несущей способности и скол зубьев.