ТЕХНОЛОГИЯ

Д.Д.ВЕНЬКОВСКИЙ В.П. СГОРОЖЕВ В,С. КОНДРАТЕНКО

Г л а 8"1причины повреждений деталей машин, механизмов и конструкций

§ 1, Классификация и причины возникновения

ДЕФЕКТОВ В ДЕТАЛЯХ И КОНСТРУКЦИЯХ

Дефекты в материале и деталях могут появляться как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации. При нарушении технологий изготовления отливок и плавления металла возможно образование таких дефектов, как окислы, шлаковые включения, усадочные раковины, поры, рыхлости, трещины. В процессе обработки деталей давлением могут появиться трещины, заковы, расслоения, закаты, заливы, флокены, волосовины и др. В результате термической обработки, которой часто сопровождается изготов­ление деталей, могут происходить обезуглероживание поверхностных слоев металла, снижение твердости, перегрев, пережог, образование хрупких участков, изменение структуры, появляются закалочные трешины. Дефекты механической обработки выражаются в нарушении требований к шерохо­ватости поверхности, образования шлифовочных трещин, подрезов и др.

Часто процесс изготовлении конструкция сопровождается деформацией материала, при которой в определенных условиях могут появиться трешины, риски, забоины При сварочных работах возможны дефекты, присущие сварке; трещины в шве и околошовной зоне, изменение структуры и механических свойств в околошовной зоне, непровары, подрезы шва, шлаковые включения.

Во время эксплуатации детали и конструкции деформируются, из­нашиваются, поражаются коррозией и эрозией, в них образуются трешины, изменяются структура и механические свойства металла. Все эти дефекты могут располагаться на поверхности, под поверхностью или в глубине изделия. При этом они носят местный характер, охватывая ограничен­ные участки изделия, либо равномерно или неравномерна охватывают все изделие

Потеря работоспособности деталей машин и механизмов может про­исходить быстро или медленно в зависимости от режимов работы, характера изнашивания и повреждений.

Ниже приводится классификация возможных дефектов деталей и конструкций и причины их возникновения.

1. Изнашивание:

уменьшение прочностных размеров; изменение формы (овальность, кону- сообразность. бочкообраэность и др.); увеличение масляных зазоров; питтикги (оспниы) на поверхности — в результате трения;

наработки {уступы на рабочей поверхности) — при неполном истирании поверхности металла;

повреждение поверхности треняя (задиры, царапины, забоины, риски) — при попадании на поверхность трения абразивных частиц; недостаточных тепловых и масляных зазорах; неправильно выбранном соотношении твердости трущихся, пар; недостатках сборки, недостаточной смазке:

повреждение шестерен и колес, отслаивание или скалывание (анало­гично ниттиигам, нобольшего масштаба), сдирание или задирание (царапины), наволакивание или накатывание {заусеницы), выдалбливание на зубцах вследствие врезания вершины зуба ведомой шестерни в ножку ведущей — вследствие трении,

2. Коррозионное разрушение:

при электромеханической коррозии — сплошная коррозия (равномерная, неравномерная, структурно избирательная) и местная пятнистая, язвенная, пнттинговая, межкристаллитная, коррозионное растрескивание под напря­жением) — в результате электрохимического коррозионного разрушения при наличии агрессивной внешней среды и влаги;

при химической коррозии — окалина, пузыри, рыхлость металла, отслоения, разрывы при трении, растрескивание по углам или острым кромкам, обезуглероживание (диффузия атомов углерода протекает с боль­шей скоростью, чем окисление поверхности); водородная хрупкость с образованием трешин вокруг зерен и структурные превращения — вслед­ствие коррозии поверхности под воздействием агрессивной атмосферы без наличия влаги;

утонение элементов конструкций и уменьшение размеров деталей: разрыв клапанных соединений — при коррозии.

3. Эрозионное разрушение:

при газовой эрозии — унос массы вещества с образованием микро­рельефа; разрушение межкристаллитного вещества тонкого поверхностно­го слоя, каверны, изъязвления, борозды, раковины, трещины; структур­ные превращения металла — вследствие разрушения поверхности под действием потока газов;

при кавитационной эрозии—разъедание, выкрашивание, каверны, бо­розды. язвы, трещины — в результате разрушения поверхности при обтекании потоками жидкости с возникновением явления кавитации;

при абразивной эрозии — царапины, микрогрешины, выкрашивание — вследствие разрушения поверхности под воздействием жидкости либо газового потока всесте со взвешенными в нем абразивными частицами.

4. Остаточные деформации деталей и конструкций:

гофрировка, бухтиновзтость, вмятины {деформация наружной обшивки корпуса)—при механических повреждениях;

проседание, провисание, выпучикы элементов конструкций, работающих в условиях высоких температур {камеры котлов, трубы и др.) — пел едет вне эксплуатационных отложений, ухудшения теплопроводности, тепловых воздействий, механических и термических напряжений;

коробление деталей типа валов (гребные, коленчатые валы, валы рото­ров турбин, штоки и т. д.)—в результате механических и термических напряжений, ^недостатков сборки, теплового воздействия;

скручивание деталей типа валов — при механических напряжениях, тяжелых условиях эксплуатации.

5. Дефекты сварки:

дефекты подготовки и сборки изделий под сварку {неправильные утлы скоса при разделке кромок, непостоянство угла скоса кромок по длине, неправильное притупление по длине соединяемых кромок, непра-

сильные зазоры между кромками; дефекты формы и отклонения в разме­рах сварных шаоо (неправильная ширина по длине, нераономерная вы­сота усиления, бугры, седловины); наружные дефекты швов (наплывы, подрезы, незаполненные кратеры, прожоги, газовые поры, пемровары, трещины, перекосы); внутренние дефекты швов (газовые пиры, шлаковые включении, нспровары, трешины), дефекты состава и структуры швов (перегрев, пережог, неправильный выбор типа электрилов. флюсов, присадочного металла)— вследствие недостатков изготовления, постройки я ремонта.

S 2, ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ

И КОНСТРУКЦИЙ

Степень влияния дефектов на прочность зависит от конструкции

изделии, характера и ориентации дефекта, чувствительности металла

к данному дефекту, характера нагружения.

Оценка влияния дефектов на прочность силовых деталей свя­зывается с тем, имеется илиотсутствует концентрация напряжений

в связи с конструктивной формой детали. Для деталей без значительной концентрации напряжений (пружины, клапаны, поршневькг кольца, перо лопатки и др.) степень влияния дефектов определяется, главным образом, их характером, ориентацией, чувствительностью металла к дефекту, режи* мом напряженного состояния. Для деталей со значительной концентра» цией напряжений (замки лопаток, коленчатые валы, шестерни, болы) влияние дефектов в первую очередь зависит от того, находятся они а зоне максимальных напряжений или вне ее.

Характер дефекта определяет влияние его формы и степень развития. С точки зрения формы, менее опасны округлые дефекты, более опасны вытянутые нарушенияеллошности металла. Степень развития дефекта важна в том смысле, что увеличением его размера снижается прочность.

Чувствительность металла различна к дефектам. Она связывается с чувствительностью к концентрации напряжений. Менее чувствительны к дефектам сплавы с достаточно высокой пластичностью и средней проч­ностью: стали с прочностью о,. = 1200 МПа и ниже и алюминиевые сплавы с прочностью о„ = 400 МПа и ниже. Также малочувствительны к дефектам малопластичные сплавы, обычно с невысокой прочностью и структурной неоднородностью. Это чугуны и многие литые алюминиевые сплавы. Наобо­рот. наиболее чувствительны к дефектам, т. е. к концентрации напря­жений. хрупкие малопластичные сплавы с однородной структурой и материалы высокой прочности и ограниченной пластичности. К последним относятся стали с прочностью, выше 1400— 1500 МПа и алюминиевые сплавы с прочностью выше 400—500 МПа, а также некоторые магниевые сплавы.

Форма дефекта (глубина, угол раскрытия, радиус закругления в вер­шине) имеет большое влияние на чувствительность материала и концент­рацию напряжений.

Говоря о влиянии дефектов иа прочность, необходимо отмстить харак­тер нагружения детали при работе Наибольшую опасность представляют

^пл/мойные нагружения при длительных повторных циклах. Эта опасное м. вырастает при коррозия, шероховатости, царгшннах и рисках яа поверхнос­ти. раковинах и порах внутри, низких температур и др.

Нарушение сплошности материала(трещины, разрывы) следует считать наиболее опасным дефектом. Очень опасны усталостные трещины, которые, неуклонно развиваясь, ослабляют деталь в данном сечении, что обусловливает ее поломку.

Оттынаобразцахпоказывают, что при наличии трещин зна­чительно снижается предел усталости. Например, в случае шлифовочных трещим при испытании на переменный изгиб предел усталости снижает­ся примерно в 3 раза; для стали, пораженной флокенами, при кручении — более чем. в 2 раза по сравнению с доброкачественной сталью. Предел усталости материала с волосовинами, ориентированными нормально к раетчг) тающим напряжениям, снижается примерно на 30%; однако при чриептации волосовин вдоль линии действия растягивающих напряжений — на 2—3%, Это подтверждает влияние ориентации дефекта на прочность.

Ответственные детали с трещинами не допускаются к эксплуатации, так как трещины снижают прочность и, развиваясь, приводят, в конечном счете, к поломке детали. Особенно опасны трещины в местах концентра­ции напряжений. В этих случаях неизбежно происходит усталостное разрушение детали.

Неметаллические включениямогут быть вытянутой либо круг ■ лой формы. Первые являются концентраторами напряжений и при опре­деленных условиях могут стать очагом усталостной трещины. Мелкие неме­таллические включения и рассеянные газовые раковины круглой формы незначительно влияют на снижение циклической прочности, так как практи­чески не являются концентраторами напряжений и не увеличиваются в процессе эксплуатации. Они часто допустимы в деталях в определенном объеме.

Крупные неметаллические включения и газовые поры опасны в том «■чысле, что уменьшаютсечение детали.

Из прочность сварных швов влияют трещины, непровары, пористость, шлаковые включения, подрезы шва. Эти дефекты могут быть в шве отдель­но или в совокупности. Влияние дефектов различно в зависимости от марки материала и характера нагружения.

При сварке малоуглеродистых сталей поры и шлаковые включения ослабляют сечение шва. Эти дефекты при небольших размерах и вы­соки* механических свойствах наплавленного металла не должны заметно сказываться на статической прочности соединения. Усиление сварного швз компенсирует ослабление шва дефектом. Однако дефекты могут зна­чительно снизить предел усталости при переменном нагружении. Их влияние ощутимо, если поры и включения расположены в виде цепоч­ки или крупные поры выходят на поверхность, создавая условия кон­центрации напряжений.

Пористость снижает ударную вязкость шва. Трещины и непровары при статических нагрузках уменьшают сечение шва, снижая его стати­ческую прочность. Опасность непровара связывают с формой шва; при ^-образном шве они менее опасны, чем при V-образном. Усиление швэ компенсирует иепровар при статической нагрузке. При вибрационной нагрузке трещины и непровары играют роль концентраторов напряжений и снижают усталостную прочность сварного соединения.

Дефекты, возникшие при изготовлении, пригонке, центровке, сборке и оставшиеся в деталях, комплектах, механизмах могут проявиться в процессе эксплуатации. Например, пористость или рыхлость материала втулки цилиндра, залегающая под поверхностью трения, может быть не обнаружена при изготовлении. В процессе работы по мере истирания этот дефект откроется и повлияет на износ трущейся пары кольцо — втулка. Вследствие наличия частиц шлаковых включений, находящихся в открывшихся порах или рыхлости, облома кромок пор и попадания их на поверхность трения также может возникнуть вопрос о местной прочности втулки.

Дефекты, возникающие в процессе эксплуатации, по мере развития и нарастания снижают эксплуатационные качества деталей, узлов, меха­низмов и судна в целом.

} з. влияние ИЗНАШИВАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАШИН

Вследствие изнашивания деталей изменяется характер сопряжения. Из-за уменьшения сечеиий снижается прочность деталей. Из-за растущего масляного зазора у изношенных пар трения могут возникнуть динамические нагрузки. Ухудшение смазки в опорах приводит к снижению к. п. д. машины.

Следствием изнашивания является также снижение мощности двигате­лей, увеличение расхода топлива, смазочных материалов и др. Значи­тельный износ приводит к нарушению взаимодейстия деталей трущейся пары и геометричности сопряжений, а также обусловливает появление динамического, нагружения, ударов в соединении, вибрации. Эксплуатация .в таких условиях может привести к разрушению деталей. При большом износе возникает повышенный шум машины.

В определенных случаях следствием износа может быть недопустимое снижение прочности деталей. Так, в пределах прочных размеров деталей ремонт при износе состоит в механической обработке, возвращающей исход­ную геометрическую форму. Однако неоднократные обработки могут при­вести к такому изменению размеров деталей, когда, с точки зрения прочности, деталь окажется непригодной.

При определении допустимости механической обработки изношенной детали для придания ей требуемой формы необходимо сопоставить ожидаемый размер после обработки с наименьшим предельно допустимым размером детали, который необходимо рассчитать. Скорость изнашивания деталей зависит от многих факторов: характера нагрузки, скорости сколь­жения, смазки, охлаждения, активности среды.

Трение в машинах сопровождается высоким давлением, особенно при шероховатой поверхности, когда детали контактируются по выступам. При больших давлениях и скоростях скольжения, недостатках смазки, плохом охлаждении возрастает количество тепла, возможно сплавление

Я

металла и его выравнивание. Это может привести к ладирам, которые нарушают нормальную работу нары.

Уменьшение износа в машинах достигается конструктивными, техничес­кими и эксплуатационными мерами. В значительной степени оно связано с правильной технической эксплуатацией.