80
При испытаниях на усталость рационально выявить дополнительные характеристики, прежде всего число ЦИКЛОВ (время работы) до появления ус талостной трещины и число циклов после образования трещины, которые приводят к уеталостному разрушению На рис 5.9 пунктирной линией пока зано число циклов нагружения до образования усталостной трещины в зави симости от значения действующего напряжения.
Разность между числом циклов ДО полного разрушения и числом цик лов ДО появления усталостной трещины называется живучестью металла. Живучесть - важная характеристика конструкционной прочности материала Введение этого понятия означает, что деталь может работать при нали чии усталостной трещины. Зачастую деталь не разрушается в УСЛОВИЯХ, ко
гда усталостная трещина охватывает большую часть сечения детали, что видно на рис. 5.10.
Признаком усталостиого разрушения является вид излома Он состоит ИЗ двух зон относительно гладкой (притертой) усталостной зоны А, которая развивалась постепенно, и зоны окончательного разрушения (долома) В, ко
торая привела к полному разрушению детали.
Подобного вида ИЗЛОМ наблюдается при усталостном разрушении шейки коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания
5.6. Ползучесть металлов
Многие детали машин, работающие при высоких температурах (лопатки газовых и паровых турбин, клапаны, головки двигателя внутреннего сгора ния), а также детали, работающие в этих условиях при постоянной нагрузке, деформируются в течение времени вплоть до разрушения Это явление назы
вается ползучестью
На рис 5 11 приведена типичная кривая ползучести. Участок Оа соот ветствует упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным при ложением нагрузки, на участке аЬ металл деформируется с замедляющейся скоростью, участок Ьс характеризует установившуюся скорость ползучести, участок cd соответствует ускоренной ползучести, которая заканчивается раз рушением в точке d
Рис 5 11 Кривая ползучести
8реНI
81
Испытания металла при высоких температурах производят кратковре менные и длительные. При кратковременных испытаниях и соответствую.. щей температуре устанавливают те же характеристики материала (Е, О'т, 8в, 8, ЧJ и т. д.), что и при нормальной температуре. Однако необходимо учиты вать, что если при нормальной температуре предел прочности металла прак тически не зависит от длительности действия нагрузки, то при повышенных температурах такая зависимость становится весьма существенной. Увеличе ние длительности воздействия напряжения приводит к снижению прочности.
Механическими характеристиками металла, предусмотренного для ра боты при высоких температурах, являются предел длительной прочности (Jд
и предел ползучести О'п.
Предел длительной прочности О'д характеризует напряжение, ВЫЗЫ вающее разрушение металла при заданной температуре за данный отрезок
8500С
времени,например О'lОООч ;;;;; 200 МПа.
Такая запись значит, что при напряжении 200 МПа деталь, работая при 850 ос, разрушится через 1000 ч работы.
Обычно предел длительной прочности од для металлов задается серией линий для разных температур.
Другой характеристикой сопротивления ползучести является предел ползучести О'п, который характеризует напряжение, вызывающее при данной температуре заданную деформацию (например 0,5 %) при нагружении в те чение определенного времени (обычно не менее 500 ч). Например, запись
о~~50/l000 = 150 МПа означает, что напряжение 150 МПа при 700 ос вызывает
вданном металле пласт~ческую деформацию, равную 0,5 % за 1000 ч,
Знание пределов ползучести О'п И пределов длительной прочности О'д позволяет своевременно заменить детали, не доводя машину (механизм) до
аварии.
Суть явления ползучести и ее причины станут ясны, если учесть, что
ползучесть наступает при температурах нагружения выше температуры рек
ристаллизации (см. параграф 1.8, 1.9). Если напряжения при этих температу рах выше предела текучести при данной температуре, то происходит пласти ческая деформация по механизму, описанному в параграфе 3.1, что приводит к упрочнению (наклепу). Но в условиях, когда температура нагружения вы
ше температуры рекристаллизации, происходит рекристаллизация, устра
няющая упрочнение от наклепа, и продолжение действия нагрузки вызывает рост деформации, которая наконец приведет к разрушению детали.
На основе механизма ползучести создают жаропрочные материалы, имеющие высокую температуру рекристаллизации. Для создания таких ма-
82
териалов используются дополнительные меры, препятствующие перемеще
иию дислокаций.
5.7. Изнашивание металлов
При трении сопряженных поверхностей имеет место изнашивание, под
которым понимают процесс отделения частицы материала с поверхности
твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении,
проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания, принято называть износостой костью. В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличива ются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук,
и затем отказ машин.
Изнашивание является сложным физика-химическим процессом и не редко сопровождается коррозией. Реальные поверхности, как известно, име ют сложный рельеф, характеризующийся шероховатостью и волнистостью. При трении существует дискретное касание шероховатых тел и, как следст вие этого, возникают отдельные фрикционные связи, определяющие процесс изнашивания. Износ может возникнуть из-за фрикционной усталости, хруп кого и вязкого разрушения, микрорезания при начальном взаимодействии, разрушения (в том числе усталостного) оксидных пленок, глубинного выры
вания металла и т. Д.
При относительном перемещении контактирующих материалов возни кает сила трения F, препятствующая взаимному перемещению. Сила трения равна F == Р!, где Р - нормальная составляющая внешней силы, действующей на контактную поверхность; f - коэффициент трения. Коэффициент трения (безразмерная величина, отношение силы трения двух тел к нормальной си ле, прижимающей эти тела друг к другу) может быть определен из уравнения f= А (Jlu/P), где А - коэффициент, Jl- динамическаявязкость и u - относи тельная скорость перемещения. Чем ниже значениеf, тем меньше износ.
Обычно между трущимися поверхностями имеется тонкая пленка ОК сидов, которая изолирует поверхности соприкасающихся металлов. Меха низм 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 u и физико-химического действия сре ДЫ. Ниже описаны различные разновидности изнашивания. Чаще имеют ме сто коррозионно-механическое или окислительное изнашивание. Окисли
тельным называется изнашивание, при котором основное влияние на изна
шивание оказывает химическая реакция материала с кислородом или окис
ляющей окружающей средой.
83
в результате трения на самой поверхности толщиной ----103 нм (1 . 10-9 М) образуется особая структура, содержащая большое количество оксидов. Под вторичной С1РУКТУРОЙ располагается сильно деформированный тонкий слой металла с высокой плотностью дислокации. При нормальном окисли
тельном изнашивании разрушается только вторичная структура, после уда
ления которой она легко восстанавливается, и процесс многократно повторя ется. Наличие вторичной структуры уменьшает изнашивание поверхностно го слоя. Наиболее высокая износостойкость достигается при минимальной толщине вторичной структуры, высокой ее прочности и хорошей связи с ос
новным металлом.
При нормальном окислительном изнашивании коэффициент трения 0,01-0,10 и толщинаразрушающегосяслоя 0,001-0,01 мм.
При постоянныхусловияхтрения имеютместо три стадии изнашивания (рис. 5.12): 1 - период приработки, при котором происходит интенсивное из
нашивание, изменяется микрогеометрия поверхности и материал наклепыва
ется; эти процессы обеспечивают упругое контактное взаимодействие тел; по сле приработки устанавливается равновесная шероховатость поверхности, ха рактерная для заданных условий трения, которая в дальнейшем не изменяется и непрерывно воспроизводится; 2 - период остановившегося износа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных условий трения; 3 - период катастрофического износа. Подобного рода кривая износа наблю
дается при износе шеек коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
Рис. 5.12. Кривая износа
8ремл
Окислительное изнашивание наблюдается в подшипниках скольжения,
валах, втулках, поршневых кольцах и т. Д.
Различают трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом. Трение без смазочного материала наблюдается во фрикцион ных передачах, тормозных парах и т. д. Широко применяется граничная смазка, когда масляная пленка толщиной от сотых до десятых долей милли метра адсорбируется на поверхности детали. Коэффициент трения для этого случая составляет 0,01-0,03. При жидкостнойсмазкетрущиесяповерхности
разделены находящимся под давлением слоем смазочного материала, кото-