2.2. Факторы, влияющие на надежность изделия

Перечень рассматриваемых вопросов по данной теме:

1. Концентрация внешней нагрузки.

2. Механические нагрузки.

3. Окружающая среда и работа автомобиля.

В случае возникновения неясностей студентам следует обратиться к информационным ресурсам дисциплины, изложенным в следующих источниках: [6], с.20...41; [10], с.20...31.

Усталость металла оборудования связана с действием циклических нагрузок, результат которых - возникновение и рост усталостных трещин.

Как правило, развитие трещины начинается с образования микротрещин, «огрубления» поверхности, растрескивания по границам зерен, а также вокруг твердых включений и сопровождается дальнейшим проникновением в глубь материала.

Поверхность усталостной трещины включает две определенные области: гладкую и грубую (зону мгновенного действия). Гладкая поверхность получается в результате трения поверхностей трещины при ее смыкании и размыкании вследствие циклических нагрузок.

Неисправности, возникающие вследствие усталостных явлений, часто выражаются в виде изменений геометрической формы детали, в результате чего возникает концентрация напряжений. Наиболее типичными концентраторами напряжений являются: выемки (кольцевые канавки, царапины, резьбы и т.д.), обезуглероживание, коррозия, фретинг-коррозия, включения в структуре металла, внутренние напряжения.

Внутренние причины усталостных явлений характеризуются наличием включений и приводят к нарушению однородности материала и, как следствие, к концентрации напряжений, которая особенно опасна для твердых и хрупких материалов. Область перехода от закаленного слоя к более мягкому часто является местом начала развития усталостных трещин.

Нагрузки, вызывающие напряжения, превышающие предел упругости, могут привести к отказам в виде трещин.

Нагрузки бывают трех различных типов статические, циклические и динамические.

Статические нагрузки действуют постепенно таким образом, что в любой момент все элементы оборудования находятся в равновесии. Такие кратковременные статические нагрузки обычно повторяются, поэтому не возникает условий для появления усталостных явлений. Если же статические нагрузки действуют в течение длительного периода, то в этом случае характеристики ползучести или текучести материала являются факторами, определяющими предельный срок службы материала оборудования.

Циклические нагрузки обычно отождествляют с усталостью, так как действующие напряжения циклически изменяются с большой частотой.

Динамические нагрузки возникают при движении объектов, при этом в течение длительного периода не существует положения статического равновесия. Классификация динамических нагрузок включает внезапные нагрузки и ударные нагрузки.

Внезапные нагрузки происходят, когда масса (или «мертвый груз»), находящаяся в покое, внезапно прикладывается к объекту. Можно показать, что возникающие напряжения удваиваются по величине в случае «мягкого» приложения массы.

Ударные нагрузки связаны с движением при столкновении одного объекта с другим и возникновении исключительно высоких напряжений при переходе кинетической энергии в потенциальную энергию напряжений.

Напряжения под нагрузкой. Герц вывел уравнения для величины и типа напряжений, возникающих на поверхности и под поверхностью при сжатии контактирующих деталей. Предположив, что в условиях статики давление распределяется нормально к контактным поверхностям двух упругих цилиндров, их можно заменить четырехугольником.

Усилия сжатия увеличиваются с глубиной, при этом деформация возрастает от нуля в поверхностном слое до максимальной величины.

Выбоины, выемки, пазы, коробление возникают обычно от приложения избыточных нагрузок.

Теория пластической деформации часто применяется для вычисления напряжений, порождающих углубления, выемки. Пластическая деформация начинается тогда, когда среднее давление равно 1.1Y (Y-предел текучести материала при соосном сжатии).

Излом по плоскости скольжения - это дефект, который образуется между точно определенными кристаллографическими плоскостями в зернах.

Вязкое разрушение - это такое разрушение, которое обычно возникает в результате перегрузки материала. Металл разрывается под действием приложенных сил в местах неоднородностей по границам зерен.

Трещины при статической нагрузке - это такие трещины, которые являются результатом приложения единичной нагрузки, вызывающей напряжения, превышающие предел выносливости материала.

Растяжение вызывает локальную деформацию или «шейкообразование»; поверхность трещины формируется плоскостями разделения, наклоненными под углом около 45° к направлению нагрузки. Две части стержня, разорванного осевым растяжением, напоминают «чашу и сердцевину» с краями, скошенными под углом 45°.

Отказы из-за сжатия происходят в двух основных формах: сжатие бруса и изгиб (выпучивание). Сжатие бруса происходит в коротких тяжелых частях, которые разделяются наклонными плоскостями так же, как и при растяжении, отличие лишь в том, что при разделении между двумя половинами трещины существует трение. Изгиб происходит в длинных частях и вызывает типичное изгибное изменение формы.

Моменту изгиба, приложенному к материалу, оказывают сопротивление растягивающие и сжимающие напряжения самого материала. Как следствие, разрушение материала при этом аналогично образованию трещин при растяжении с внешней стороны изгиба и сжатии - с внутренней стороны изгиба.

Можно выделить два вида разрушений при сдвиге: срез бруса и изгиб (коробление). При срезе бруса две половины трещины скользят одна по другой, поверхность подвергается трению, в результате чего трещина заглаживается или происходит задир поверхности. Направление задира показывает направление приложения силы среза.

Изгиб характерен для металлических листов и происходит так, что направление гребней или впадин изгибной волны совпадает с диагональю сдвинутой плоскости.

Кручение - это форма сдвига. Две половины разрушенного металлического образца сохраняют некоторый остаточный изгиб. Поверхность трещины часто имеет вид такой же, как и при растяжении, и наклонена под углом скручивания.

Коррозионный износ происходит при наличии агрессивной (окислительной) среды. Циклическая нагрузка разрушает окисную (защитную) пленку и обнажает свежий подслой металла, который при наличии кислорода окисляется, образующаяся пленка снова разрушается, и процесс повторяется.

Кавитационный износ (кавитационная эрозия) является следствием локальных гидравлических ударов жидкости в зоне кавитации.

Можно выделить три отчетливо различимые фазы износа элемента при его эксплуатации. Во время первой фазы идет приработка элементов, т. е. изменяется микро- и макроструктура поверхностей. Износ во второй фазе называется нормальным периодом. Во многих случаях можно принять линейную связь между величиной износа и временем. Основными факторами, влияющими на величину износа в этой фазе, являются удельное давление и относительная скорость движения трущихся деталей. Третья фаза - аварийный износ является результатом количественных изменений в структуре поверхности сопрягаемых деталей, причем процесс развивается с катастрофической скоростью.

При контакте поверхностей сопрягаемых деталей может возникнуть давление, способное разорвать смазывающую пленку и обнажить сопрягаемые поверхности, что создает условия для сваривания локальных участков. Повреждение поверхности, в результате которого образуются локальные спайки между трущимися поверхностями, называется задиром (скаффингом).

Коррозионная усталость характерна для деталей, находящихся в коррозионно-активной среде и подверженных растягивающим циклическим нагрузкам.

Разрушение материала под действием кавитации является следствием одновременного механического воздействия смыкающихся пузырьков жидкости и электрохимической коррозии.

Засорение охлаждающей системы и ухудшение теплопередачи ведет к термическим напряжениям - одной из наиболее частых причин появления и развития трещин.

После завершения работы с теоретическим материалом по данной теме студенты отвечают на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите типы нагрузки.

2. Поясните понятие «усталость металла».

3. Поясните, как действуют статические и динамические нагрузки.

4. Поясните понятие «вязкое разрушение».

5. Поясните процесс развития трещины.

6. Приведите примеры концентраторов напряжений.

7. Поясните понятия: коррозионный и кавитационный износы.