книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

ния микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и от^лению частиц. Возникает при трении качения без смазки, а со смазкой при удельных давлениях, превышаю­ щих предел текучести материала поверхностных слоев. Уста­ лостное изнашивание характеризуется разрушением металла с возникновением в поверхностных слоях микротрещин, еди­ ничных и групповых впадин, вызванных процессами микропластических деформаций сжатия, упрочнения и разупрочне­ ния металла поверхностных слоев, возникновением остаточных напряжений н особыми явлениями усталости.

Кавитационное — это изнашивание поверхности при отно­ сительном движении твердого тела в жидкости в условиях ка­ витации. Оно является результатом процесса кавитации, пред­ ставляющего собой возникновение парогазовых пузырьков в ограниченном объеме потока жидкости, где давление ниже соответствующего давления паров жидкости при данной тем­ пературе, и последующего сокращения (уничтожения) этих пузырьков в зоне повышенного давления. Крайне вредным следствием явления кавитации, нарушающим нормальную ра­ боту агрегатов, является разъедание поверхности материа­ ла деталей. Кавитационное изнашивание металла является следствием чисто механических ударов, которые возникают при быстром «захлопывании» парогазовых кавитационных пу­ зырьков, попадающих в область более высоких давлений. Ка­ витация может возникнуть, например, в местах сужения пото­ ка, где скорость увеличивается. Помимо этого, разнообразные местные сопротивления в трубопроводах и гидроагрегатах, способствующие образованию криволинейных течений, приво­ дят к возникновению зон различного давления, а следователь­ но, и кавитационных пузырьков. Кавитационное разрушение подразделяются на местное и общее, причем под местным по­ нимается локальное разрушение (точечный износ), вызывае­ мое местным падением давления в потоке вследствие обтека­ ния различных препятствий и криволинейности течений. Об­ щее разрушение является следствием процесса образования парогазовых полостей при понижении давления в большой об­ ласти или во всем потоке до давления насыщения, т. е. паро­ образования, соответствующего данной температуре.

Изнашивание при заедании — это изнашивание в результа­ те схватывания, глубинного вырывания материала, переноса

•его с одной поверхности трения на другую и воздействия воз­ никших неровностей на сопряженную поверхность.

Подразделяется оно на изнашивание схватыванием первого рода (“контактное сваривание) и второго рода (тепловое из­ нашивание) — в стандарте таких понятий нет. Контактное сва­ ривание характеризуется возникновением металлических свя­

зей между контактирующими участками поверхностей вслед­ ствие больших пластических деформаций, упрочнением схва­ тывающихся объемов металла и разрушением впереди лежа­ щих слоев. Возникает при трении скольжения с малыми ско­ ростями относительного перемещения трущихся поверхностей и при удельных давлениях, превышающих предел текучести на участках фактического контакта, при отсутствии на них смаз­ ки и защитной пленки окислов.

Повреждения поверхности деталей, характерные для износа схватыванием, имеют большое распространение.

Возникновение металлических связен происходит при ин­ тенсивной пластической деформации поверхностных слоев при трении скольжения, сопровождающейся выходом на поверх­ ность участков поверхностей, свободных от адсорбированных пленок, пленок окислов и загрязнений. При этом происходит максимальное сближение контактирующихся поверхностей.

Из существующих видов изнашивания этот вид является наиболее нежелательным, так как происходит интенсивное раз­ рушение сопряженных поверхностей, причем на одной трущей­ ся поверхности происходит отделение металла, а на другой — налипание отделившихся частиц. Места вырывов являются концентраторами напряжений, в них образуются микротрещи­ ны и трещины, развитие которых может привести к усталост­ ному разрушению деталей. Приварившиеся налипшие частицы под действием больших усилий упрочняются и в дальнейшем действуют как абразив.

шими удельными давлениями, вызывающими интенсивный рост температуры в поверхностных слоях трущихся деталей, рабо­ тающих по тем или иным причинам без смазки или с недоста­ точной смазкой. Этот вид изнашивания характеризуется воз­ никновением металлических связей между контактирующимися поверхностями вследствие термической пластической деформа­ ции, вызванной действием теплоты внешнего трения на металл трущихся поверхностей. При трении происходит мгновенный нагрев тонких поверхностных слоев металла. Температура по­

достигать температуры плавления трущихся металлов. Окислительное — это изнашивание при наличии на поверх­

ностях трения защитных пленок, образующихся в результате взаимодействия материала с кислородом. Характеризуется об­ разованием на сопряженных поверхностях подвижных окисных пленок (слоев) вследствие микропластических деформаций и диффузии кислорода, взаимодействие которых приводит к об­

212

разованию твердых растворов и возникновению химических соединений газа с металлом. Этот вид изнашивания возникает при трении скольжения и трении качения. При трении качения при нормальных нагрузках оно является ведущим.

Д е ф е к т ы , в ы з в а н н ы е к о р р о з и е й . Коррозия дета­ лей происходит в результате их химического или электрохими­ ческого взаимодействия с внешней средой. Различают атмос­ ферную, газовую, контактную, коррозию под напряжением, в неэлектролитах и электролитах. Характер коррозионных раз­ рушений (поражений) приведен на рис. 49.

а

Рис. 49. Характер коррозионных поражений:

межкрнсталлитная; з — внутрикристаллнтная; и — подповерхностная

Детали, соприкасающиеся с атмосферой, подвергаются ат­ мосферной коррозии вследствие наличия в атмосфере влаги, осадков в виде дождя или снега, а также различных окислов и солей, особенно в приморских районах и около больших го­ родов. Резкие перепады температуры сопровождаются конден­ сацией влаги, что также вызывает коррозию.

Элементы конструкции различных изделий имеют обычно лакокрасочные, окисные или металлические защитные покры­ тия. Но все эти покрытия далеко не полностью защищают из­ делия от воздействия внешних агрессивных условий и возник­ новения коррозии. Лакокрасочные покрытия и окисные плен­ ки в большей или меньшей степени влаго- и газопроницаемы, а следовательно, пропускают влагу и газы к металлической поверхности элемента конструкции. Металлические покрытия,

213

разрушаясь, перестают защищать основной металл. Особенно сильно проявляется ненадежность различного рода покрытий на деталях из магниевых сплавов. Продукты коррозии магние­ вых сплавов обладают щелочной реакцией. Влага, проникая сквозь пленку лакокрасочного покрытия, увлажняет продукты коррозии вследствие их гигроскопичности. В результате слой лакокрасочного покрытия теряет сцепление с металлом и от­ слаивается, скопление продуктов коррозии вызывает вспучива­ ние лакокрасочного слоя. Помимо этого в машинах имеется значительное количество деталей, не имеющих защитных по­ крытий.

В элементах конструкции машин, где имеется неблаго­ приятное сочетание сопрягаемых металлов, в случае наруше­ ния защитных покрытий может возникать коррозия из-за обра­ зования гальванической пары. Металл, имеющий более отри­ цательный потенциал, в этом случае будет разрушаться. На­ пример, детали из магниевых сплавов в соединениях со сталь­ ными деталями или деталями из алюминиевых сплавов разру­ шаются в случае разрушения на них защитных покрытий.

Влияние рабочей жидкости на интенсивность коррозионно­ го разрушения особенно часто наблюдается на деталях гид­ равлических систем. В результате в элементах гидравличе­ ских систем может наблюдаться значительная коррозия.

Коррозия под влиянием газовой среды при высоких темпе­ ратурах вызывается воздействием на металл продуктов сго­ рания топлива. Этому виду коррозии в процессе эксплуатации особенно подвержены элементы энергетических машин. Сов­ местное действие высоких температур и продуктов сгорания топлива вызывает на поверхности элементов таких изделий более или менее значительную коррозию.

Д е ф е к т ы , в ы з в а н н ы е у с т а л о с т ь ю . Усталость — процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушениям. На уста­ лостную прочность деталей оказывают влияние самые различ­ ные факторы. В первую очередь это концентраторы напряже­ ний и их распределение, размеры и форма деталей, вид дефор­ мации, режим нагружения, температурные условия, объемный наклеп, среда, термообработка, величина зерна, металлурги­ ческие факторы, частота нагружения, величина и знак остаточ­ ных напряжений, состояние поверхности. Особую роль в раз­ витии усталостного процесса играет состояние поверхности. Состояние поверхности в свою очередь зависит от таких техно­ логических факторов, как: механическая обработка, упрочня­ ющая технология, химико-термическая обработка и электроли­

214

тические покрытия. Кроме этого, состояние поверхности в зна­ чительной мере зависит от всевозможных эксплуатационных факторов.

В результате влияния всех указанных факторов, хотя дета­ ли рассчитываются так, чтобы рабочие напряжения в них были ниже предела выносливости, в деталях нередко возникают процессы усталости. В наиболее слабом месте детали (концент­ рация напряжений, неметаллическое включение, остаточные растягивающие напряжения и т. д.), чаще всего в зоне макси­ мальных растягивающих напряжений, возникают микротрещи­ ны, развивающиеся в дальнейшем в усталостные, которые при­ водят к внезапному разрушению детали без видимых предва­ рительных пластических деформаций.

Снижению усталостной прочности детали способствуют так­ же местные повреждения поверхности (забоины, риски, корро­ зионные раковины и т. п.).

Усталостные разрушения наблюдаются и на различных сварных элементах конструкции. Этому в значительной степени способствуют острые углы между сопрягаемыми деталями, резкие переходы от сварного шва к основному металлу, отвер­ стия вблизи сварных швов и т. д.

Появлению трещин и даже иногда разрушению элемента конструкции способствует концентрация напряжений около заклепочных отверстий.

Большое влияние на снижение выносливости деталей ока­ зывают теплосмены (термическая усталость), так как при этом в поверхностных слоях детали периодически возникают на­ пряжения сжатия и растяжения. Термическая усталость прояв­ ляется на таких деталях, как камера сгорания, лопатки сопло­ вого аппарата и газовой турбины и др.

Заметно снижает предел выносливости деталей коррозия. При одновременном воздействии коррозии и переменных на­ гружений начинает проявляться так называемая коррозионная усталость, в условиях которой разрушение деталей происхо­ дит при напряжениях, значительно меньших предела выносли­ вости (рис. 50). Это требует в процессе эксплуатации и выпол­ нения ремонтных работ выявить места конструкции, поражен­ ные коррозией. При этом должны приниматься меры к полно­ му удалению следов коррозии, либо производить замену дета­ ли или агрегата при сильном их поражении.

Излом при усталостном разрушении имеет две характерных зоны: зона усталостного разрушения и зона окончательного излома (мгновенного разрушения). Излом детали происходит в тот момент, когда трещина увеличивается до таких разме­ ров, что оставшееся живое сечение детали недостаточно, чтобы

215

риала детали (газовые поры, закалочные, шлифовочные тре­ щины, горячие и холодные трещины в отливках, трещины в сварных швах, неметаллические включения и др.). а также влияние на выносливость деталей некоторых видов изнашива­ ния. Следует иметь в виду, что не всякое нарушение сплошно­ сти материала детали будет являться ее дефектом. При оцен­ ке степени влияния дефекта на работоспособность детали всегда следует учитывать условия работы детали, свойства ма­ териала и характер и местоположение самого дефекта.

В общем случае, при определении опасности дефекта сле­ дует принимать во внимание следующие факторы:

характер нагружения детали (статическое, динамическое, переменное и др.);

уровень действующих напряжений; возможность и характер перегрузок; рабочую среду и температуру; ресурс;

чувствительность материала к концентраторам напряже­ ний;

местоположение и ориентировка дефекта; характер дефекта (величина, создаваемая им степень кон­

центрации напряжений и др.).

Надо учитывать, что нарушения сплошности (и другие от­ клонения) , являющиеся дефектом для одних деталей, могут не быть дефектами для других. Например, нарушение сплошности материала, являющееся дефектом для детали, работающей при знакопеременных нагрузках, не всегда является дефектом для детали, работающей под действием статической нагрузки.

Форма дефекта также оказывает заметное влияние на дол­

рации напряжений у них гораздо меньше. Особенно сильно сказывается влияние формы дефекта при переменных нагруз­ ках.

Наибольшее влияние на долговечность оказывает дефект, ориентированный таким образом, что направление растягиваю­ щих напряжений направлено к направлению дефекта под уг­ лом, близким к 90° (особенно если он расположен в месте мак­ симальных напряжений). Гораздо меньшее влияние оказывает дефект, направление которого совпадает с направлением рас­ тягивающих усилий, либо близко к нему.

Детали, для которых оценивается опасность дефекта, мож­ но по виду нагружения разделить на три группы: нагружае­ мые статическими нагрузками, динамическими и повтор­ ными.

217

Причем детали каждой группы можно еще подразделить на две подгруппы: имеющие конструктивные концентраторы напряжений и не имеющие их.

Для деталей, имеющих конструктивные концентраторы, при оценке влияния дефекта на ее работоспособность следует со­ поставить степень влияния конструктивного концентратора напряжений и дефекта. Для этих деталей существенное значе­ ние имеет месторасположение дефекта. При расположении дефекта в зоне концентратора напряжений, он может оказы­ вать большее влияние на долговечность детали, чем даже бо­ лее опасный по его ориентировке, форме, но расположенный вне зоны концентрации напряжений, с меньшим уровнем дей­ ствующих напряжений.

Влияние дефекта на долговечность деталей без конструк­ тивных концентраторов напряжений определяется в основном местоположением, ориентировкой и формой самого дефекта. При этом на влияние дефекта будет сказываться уровень дей­ ствующих напряжений в месте его расположения.

Помимо сказанного, при оценке влияния дефекта на долго­ вечность деталей обязательно следует учитывать чувствитель­ ность материала детали к концентраторам напряжений.

Значительное количество деталей работает при одновре­ менном воздействии трения и повторно-переменных нагрузок. В условиях нормальной эксплуатации основной причиной по­ тери работоспособности таких деталей являются процессы износа и усталости. Оба эти процесса протекают в тонких по­ верхностных слоях. Их интенсивность зависит от свойств ме­ талла поверхностных слоев и шероховатости поверхности. По­ этому для повышения износостойкости и усталостной прочно­ сти деталей большое значение имеет технология обработки их поверхностей при изготовлении и ремонте, так как процесс за ­ рождения и развития трещин усталости, как правило, начи­ нается с поверхности.

В процессе эксплуатации качество поверхности и свойства поверхностного слоя изменяются: в зависимости от условий трения устанавливается другая шероховатость поверхности, металл поверхностного слоя приобретает новую структуру и свойства, происходит перераспределение остаточных напря­ жений. Все эти изменения оказывают на выносливость деталей отрицательное или положительное влияние.

В большинстве случаев при ремонте взаимосвязь между износом деталей и их усталостной прочностью не принимается во внимание. К сожалению, пока еще очень мало критериев, которыми можно было бы оценивать надежность и долговеч­ ность уже работавших и подвергшихся ремонту деталей, иедо-

.218

Повышение предела выносливости при окислительном и теп­ ловом взносах связано с образованием благоприятной шерохо­ ватости поверхности вследствие ликвидации рисок, надрезов и других концентраторов на поверхности изделия. Возможно, что повышение предела выносливости при этих видах износа также связано с дополнительным повышением остаточных на­ пряжений сжатия за счет диффузии кислорода в металл де­ формируемых при трении поверхностных слоев, вызывающей изменение химического состава и связанное с этим увеличение удельного объема металла.

При тепловом износе пластические деформации распрост­ раняются на большую глубину и вызывают большее упрочне­ ние, чем при окислительном.

Кроме этого, как при тепловом, так и при окислительном износах в значительной степени уничтожаются микронадрезы (небольшие риски, царапины, следы обработки и т. п.), что также оказывает влияние на повышение выносливости дета­ лей с этими видами износа.

Повреждения поверхности деталей, характерные для на­ чальной стадии теплового износа, не могут служить основа­ нием для отбраковки детали из условий усталостной прочно­ сти. Налипание и размазывание металла на поверхности без следов цветов побежалости, за счет интенсивной пластической деформации поверхностных слоев, приводят к значительному повышению предела выносливости.

Окислительный износ следует рассматривать как фактор, оказывающий положительное влияние на выносливость детали.

§32. Общая характеристика методов контроля

Впроизводстве высокое качество материалов и изготавли­ ваемых из них деталей обеспечивается путем точного выпол­ нения технологических процессов и их совершенствования. Одновременно с этим необходимо непрерывное совершенство­ вание методов контроля качества с целью не допустить в экс­ плуатацию дефектные детали, узлы, агрегаты и изделия в це­ лом.

Внастоящее время наиболее широко применяются следую­ щие методы контроля деталей:

контроль всех деталей нагружением; контроль отдельных деталей (или образцов) с их разруше­

нием; контроль всех (или нескольких из партии) деталей без раз­

рушения.

При контроле деталей нагружением применяются нагрузки, превышающие эксплуатационные, но меньшие чем разрушаю­

220