Руйнування можна розділити на наступні види

Лекція 3.

ВИДИ РУЙНУВАННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

 

Проектні, технологічні та експлуатаційні причини руйнування деталей машин.

Види руйнування деталей машин.

В’язке та крихке руйнування деталей машин.

Хімічна та електрохімічна корозія деталей машин.

 

Проектні, технологічні та експлуатаційні причини руйнування деталей машин

Виникнення і розвиток відмов деталей машин пояснюється дією об’єктивно існуючих закономірностей. Відмови виникають в результаті постійного або раптового зниження фізико-механічних властивостей матеріалу деталей, їх стирання, деформації, зминання, корозії, старіння, перерозподілу залишкових напружень та інших причин, що викликають пошкодження деталей. Найчастіше відбуваються зміни в з’єднаннях деталей - порушення заданих зазорів в рухомих сполученнях або натягу в нерухомих. Відмова є наслідком зміни складу, структури або механічних властивостей матеріалу, конструктивних розмірів деталей і стану їх поверхонь. Поява відмов обумовлена конструктивними, технологічними і експлуатаційними чинниками.

До конструктивних відносяться наступні чинники: розрахункові навантаження, швидкості відносного переміщення, тиск, матеріали деталей, їх фізико-механічні властивості і структура, конструктивне виконання деталей і складальних одиниць, форми і величини зазорів або натягу в сполученнях, макрогеометрії, шорсткості і твердості поверхонь, умови змащування і охолоджування деталей.

До технологічних відносяться наступні чинники: прийоми, способи, точність і стабільність отримання заготовок, види і особливості проведення механічної, термічної, зміцнюючої і фінішної обробки при виготовленні деталей, якість складання, регулювання, припрацювання і випробування вузлів, агрегатів і машин.

Вирішальний вплив на збереження параметрів деталей машин, що забезпечуються їх конструкцією і технологією виготовлення, мають експлуатаційні чинники. До них відносяться:

- чинники, визначені призначенням машин, режимами її навантаження і швидкості, температурою і складом робочого середовища, а також інтенсивністю експлуатації;

- чинники, не залежні від призначення машини (умови експлуатації, своєчасність і повнота технічного обслуговування та ін.).

Різний термін служби (ресурс) деталей обумовлений багатьма причинами. Основними з них є наступні:

- різноманітність функцій деталей в машині;

- широкий діапазон зміни навантажень, що діють на деталі;

- наявність як активних (рухомих), так і пасивних (нерухомих) деталей;

- різноманітність видів тертя в сполученнях; використання в сполученнях деталей різних матеріалів, викликане необхідністю зниження сил тертя; відхилення у властивостях матеріалів;

- точність і якість обробки деталей сполучення;

- умови експлуатації і інше.

 

Види руйнування деталей машин. В’язке та крихке руйнування деталей машин. Хімічна та електрохімічна корозія деталей машин

 

Руйнува́ння (англ. fracture; failure) або руйнува́ння матеріа́лу — зародження та розвиток у матеріалі дефектів і (або) розділення об'єкта на частини.

Під руйнуванням розуміється досягнення матеріалом такого стану, коли порушується конструктивна функція твердого тіла і воно стає непридатним до експлуатації.

Руйнування можна розділити на наступні види.

1. В'язке (пластичне) руйнування — руйнування, що супроводжується розвитком пластичних деформацій у матеріалі. Відбувається після суттєвої пластичної деформації, що проходить у всьому або майже у всьому об'ємі тіла.

2. Крихке руйнування — руйнування без слідів пластичних деформацій у матеріалі. Відбувається після пластичної деформації в результаті поширення магістральної тріщини, зосередженої в області дії механізму руйнування.

Крихке руйнування поділяється на ідеально крихке і квазікрихке (ніби-то крихке). Ідеально крихке або крихке руйнування відбувається без пластичної деформації. Після руйнування можна заново скласти тіло попередніх розмірів із скалок без зазорів між ними. Квазікрихке руйнування припускає наявність пластичної зони перед краєм тріщини (локальна зона пластичної деформації) і наклепаного матеріалу біля поверхні тріщини. Значно більша за величиною решта об'єму тіла знаходиться при цьому в пружному стані.

3. Втомне руйнування — руйнування матеріалу під дією повторно-перемінних (часто циклічних) напружень у результаті накопичення незворотних ушкоджень. При цьому виді руйнування на поверхні тіла спочатку з'являються мікротріщини, одна з яких в результаті багаторазової дії навантаження розростається до макротріщини з наступним повним руйнуванням зразка або деталі. Розрізняють багатоциклову та малоциклову втому.

Багатоциклова втома або просто втома характеризується номінальними напруженнями, меншими за границю плинності; повторне навантаження відбувається в пружній області аж до руйнування. Число циклів навантажувань становить 10⁵ і більше.

Малоциклова втома характеризується номінальними напруженнями, що перевищують границю плинності. При кожному циклі навантаження в тілі виникає макроскопічна пластична деформація. При такому виді навантаження число циклів навантажувань до руйнування не перевищує 10⁴…10⁵.

4. Руйнування в умовах повзучості спостерігається при навантаженнях за досить високих температур в полікристалічних металах та в пластмасах. За цих умов у металевих матеріалах зв'язки на межі кристалічних зерен стають слабшими, ніж самі зерна, і значна частина деформації повзучості відбувається за рахунок ковзання зерен одне відносно іншого. Цей процес має характер в'язкої течії, яка зазнає опору, тому що зерна через неправильну форму взаємодіють одне з одним. Ковзання стає можливим за рахунок пластичної деформації зерен і супроводжується появою міжзеренних тріщин, які призводять до руйнування. Розрізняють декілька різновидів такого руйнування.

Процес повзучості, як правило, можна розділити на три стадії: 1 — неусталену або первинну повзучість, під час якої швидкість деформації зменшується; 2 — усталену або вторинну повзучість, при якій швидкість деформації практично є постійною; 3 — третинну повзучість, при якій швидкість деформації повзучості збільшується (часто досить швидко) аж до руйнування. Такий вид руйнування часто називається розривом при повзучості.

Термічна релаксація спостерігається, коли в процесі повзучості, що приводить до релаксації попередньо напруженої або деформованої деталі, її розміри змінюються так, що деталь вже не може виконувати призначеної функції. Наприклад, якщо попередньо напружені болти з'єднання, що працює в умовах високих температур, релаксують внаслідок повзучості так, що навантаження від максимального тиску перевищує попереднє навантаження і герметичність з'єднання порушується, говорять, що болти руйнуються внаслідок термічної релаксації.

Розрив при короткочасній повзучості тісно пов'язаний з процесом повзучості, однак при цьому значення напружень і температури є такими, що елемент в'язко розділяється на дві частини за відносно короткий період часу. За цих умов період усталеної повзучості є дуже нетривалим або відсутнім зовсім.

5. Корозійне руйнування відбувається за рахунок хімічних і електрохімічних процесів і реакцій. Розрізняють декілька різновидів корозійного руйнування.

Руйнування в результаті корозії під напруженням спостерігається, коли механічні напруження призводять до виникнення локальних поверхневих тріщин, розташованих зазвичай вздовж границь зерен, в деталі, що знаходиться в корозійному середовищі. Часто утворення тріщин ініціює початок процесів руйнування інших видів.

Руйнування в результаті корозії під напруженням є небезпечним видом корозійного руйнування, до якого схильні чавуни, сталі, мідні та алюмінієві сплави.

Руйнування внаслідок корозійного зношування є складним видом руйнування, при якому несприятливі наслідки корозії і зношування призводять сумісно до втрати працездатності деталі. У процесі корозії часто утворюються тверді абразивні частки, які прискорюють зношування, а в процесі зношування в свою чергу з поверхні постійно видаляються захисні шари і оголюється свіжий метал, що прискорює корозію. Взаємний вплив цих процесів один на одного істотно підвищує небезпеку руйнування.

Корозійна втома являє собою складний вид руйнування, при якому спільно позначаються несприятливі ефекти корозії і втоми, що призводять до руйнування. У процесі корозії на поверхні металу часто утворюються ямки, що стають концентраторами напружень. У результаті концентрації напружень процес втомного руйнування прискорюється. Крім того, тріщини в тонкому шарі продуктів корозії служать зародками втомних тріщин, що поширюються в основний метал. З іншого боку, в результаті дії циклічних напружень або деформацій відбувається розтріскування і відшаровування продуктів корозії, тобто відкривається доступ корозійного середовища до свіжого металу. Таким чином, обидва процеси прискорюють один одного, і небезпека руйнування зростає.

Інші види руйнування

До інших видів руйнування можуть бути віднесені: брінелювання, кавітаційне руйнування, зношування (абразивне, ударне, адгезійне тощо), фретинг, руйнування внаслідок радіаційного ушкодження, руйнування внаслідок втрати конструктивної стійкості тощо.

Брінелюва́ння або руйнува́ння втиска́нням — явище руйнування матеріалу, яке відбувається, коли статичні зусилля в місці контакту криволінійних поверхонь призводять до появи локальних пластичних деформацій у одного або в обох дотичних елементах, у результаті чого відбувається необоротна зміна форми поверхні.

Кавітаці́йне зно́шування (руйнува́ння) — механічне зношування в умовах руху твердого тіла в рідині, під час якого бульбашки газу лопаються поблизу поверхні, що призводить до створення локального високого ударного тиску чи високої температури. Кавітаційні руйнування мають локальний характер і проявляються в утворенні місцевих заглибин і каверн.

Руйнування внаслідок радіаційного пошкодження означає, що при радіаційному опромінюванні відбулися такі зміни властивостей матеріалу, що деталь вже не може виконувати свої функції. Звичайно ці зміни пов'язані з втратою пластичності в результаті опромінювання і слугують причиною початку процесу руйнування того або іншого виду. Еластомери і полімери звичайно більш схильні до радіаційного пошкодження, ніж метали, причому характеристики міцності останніх після радіаційного опромінювання іноді поліпшуються, хоча пластичність, як правило, зменшується.

Руйнування при втраті конструктивної стійкості спостерігається, коли при деякій критичній комбінації величини і (або) місця додаткового навантаження, а також форми і розмірів деталі її переміщення або прогинання раптово різко збільшуються при малій зміні навантаження. Така нелінійна поведінка приводить до руйнування, якщо при втраті стійкості деталь вже не може виконувати свої функції.

Зношування

Формування зношуваної поверхні відбувається в результаті сумування різних за інтенсивністю елементарних актів руйнування і зміни механічних та фізико-хімічних властивостей матеріалу під впливом зовнішніх факторів (середовище, температура, тиск, вид тертя і ін.). Сукупність факторів в процесі руйнування поверхні деталі визначає вид зношування і його інтенсивність.

Класифікації видів зношування базуються на виділенні основних чинників, що визначають той або інший процес зношування.

Вид зношування в першому наближенні можна встановити за зовнішнім видом поверхні. Повне підтвердження можна отримати шляхом аналізу складу фізичних і механічних властивостей тонких поверхневих шарів.

Механічне зношування відбувається в результаті тільки механічних взаємодій матеріалів виробу; молекулярно - механічне зношування супроводжується також дією молекулярних або атомарних сил; корозійно-механічне зношування відбувається під час тертя матеріалу, що вступив у хімічну взаємодію із середовищем. Різновиди цих процесів характеризуються специфічними явищами, що викликають руйнування мікрооб'ємів матеріалів під час тертя і неоднаковою інтенсивністю процесу.

Руйнування робочих частин машин і поверхонь деталей, пов’язане з процесом тертя, класифікують так:

- водневе зношування;

- абразивне зношування;

- окислювальне зношування;

- зношування під дією пластичної деформації;

- зношування внаслідок диспергування;

- корозійне зношування;

- ерозійне зношування;

- кавітаційне зношування;

- зношування при фретинг-корозії;

- поверхневе тріщиноутворення;

- вибірковий перенос.

Водневе зношування залежить від концентрації водню в поверхневих шарах деталей, який виділяється із матеріалів пари тертя чи навколишнього середовища, і прискорює процес зношування виробів. До цього виду пошкодження відносяться насичення воднем, водневе окрихчування і зневуглецювання.

Практично всі поверхні тертя стальних і чавунних деталей містять підвищений вміст водню та піддаються водневому зношуванню. Водень, що проникає в сталь, буде поступово дифундувати в поверхню і викликати її зношування. Існує два основних види зношування поверхонь стальних і чавунних деталей під дією водню: зношування диспергуванням і руйнуванням.

Абразивне зношування – це руйнування поверхні деталі в результаті її взаємодії з твердими частинками при відносному русі.

На абразивне зношування може впливати природа абразивних частин, агресивність середовища, властивості зношуваних поверхонь, ударна взаємодія, нагрів та ін. Загальним для абразивного зношування є механічний характер руйнування поверхонь.

Гідро- і газоабразивне зношування відбувається в результаті дії потоку твердих частинок, що захоплюються потоком рідини або газу.

Окислювальне зношування відбувається в тому випадку, коли на спряжених поверхнях утворюються плівки оксидів, які в процесі тертя періодично руйнуються і утворюються. Від інших видів корозійно-механічного зношування воно відрізняється відсутністю агресивного середовища. При кімнатній температурі окиснення поверхонь активізується пластичною деформацією, тому одним з методів боротьби з окислювальним зношуванням є створення поверхонь тертя з високою твердістю. В ряді випадків інтенсивність окислювального зношування можна зменшити заміною мастильного матеріалу та пониженням температури вузла. Підвищення температури сприяє зросту оксидних плівок, а вібрація – їх руйнуванню.

Зношування під дією пластичної деформації (зминання) полягає в зміні розмірів або форми деталі в результаті пластичної деформації її мікрооб’ємів. Пластична деформація викликається або надмірними напруженнями, або випадковими значними перевантаженнями.

Зношування внаслідок диспергування. При нормальних умовах тертя (без схоплювання, подряпин, при наявності мастил і помірних температур) руйнування поверхневого шару відбувається в результаті диспергування (подрібнювання) окремих ділянок контакту. Інтенсивність цього виду спрацьовування не висока, а шорсткість деталей мала. Процес спрацьовування протікає так: матеріал піддається багаторазовій пружній і пластичній деформації, що призводить до втрати міцності, розрихленої на окремих ділянках структури матеріалу, що в свою чергу спричиняє відділення невеликих блоків.

Корозійне зношування. Корозією називається руйнування металів внаслідок хімічної чи електрохімічної взаємодії з корозійним середовищем.

Корозія зазвичай не змінює механічних властивостей матеріалу, а призводить через ерозію матеріалу до поступового рівномірного зменшення розмірів навантаженої деталі чи появи концентраторів напружень, наприклад, внаслідок поступового розчинення. В результаті напруження, що діють в небезпечному перерізі, зростають і, коли вони перевищать граничний рівень, відбудеться руйнування.Навіть незначна корозія на контактуючих металевих поверхнях, що працюють в умовах тертя кочення при високих контактних навантаженнях, дуже знижує границю контактної міцності матеріалу поверхонь.

Чиста металічна поверхня легко піддається хімічному впливу середовища. Але в процесі початкової корозії її продукти утворюють захисну плівку, яка міцно пов’язана з металом та ізолює поверхню від корозійного середовища. Процес штучного утворення тонких окисних плівок на поверхні металу для його захисту від корозії називається пасивацією. Здатністю до пасивації володіють залізо, нікель, хром і ін. метали.

Інтенсивність корозійного руйнування визначається природою і структурою самого металу, а також хімічними властивостями і температурою середовища.

За характером поширення розрізняють рівномірну, місцеву і міжкристалічну корозію. Рівномірна корозія рівномірно поширюється по всій поверхні металу. При місцевій корозії руйнування поширюється вглиб нерівномірно, виявляється тільки на окремих ділянках. Міжкристалічна корозія розвивається вглиб по межах зерен металу. Найнебезпечнішою є міжкристалічна корозія, оскільки вона спричиняє досить значну зміну структури і зниження механічних властивостей на велику глибину.

Залежно від взаємодії металу з навколишнім середовищем корозію поділяють на хімічну й електрохімічну.

Хімічною корозією називають руйнування металу під дією сухих газів і рідких діелектриків (бензин, масла, смоли та ін.), а також у газах за високих температур (клапани і клапанні гнізда двигунів внутрішнього згоряння, лопатки газових турбін, тощо).

У деяких випадках при хімічній корозії на поверхні металу утворюються щільні оксидні плівки, які захищають метал від подальшого руйнування. Такі властивості мають, наприклад, оксидні плівки хрому, нікелю, олова, міді. В атмосфері сухого повітря за звичайної температури щільні плівки утворюються і на залізі. Проте з підвищенням температури вони швидко потовщуються, стають пухкими і відшаровуються від металу.

Електрохімічна корозія протікає при дії на метал рідких електролітів і зумовлена неоднорідністю металу в контакті з електролітом.

Електрохімічна корозія розвивається в електролітах — водних розчинах, що проводять струм. При цьому атоми металу переходять у розчин у вигляді іонів. Інтенсивність такого розчинення визначається електродним потенціалом металу. При зануренні в електроліт двох металів, що контактують і мають різні електродні потенціали, утворюється гальванічна пара і починається процес розчинення металу з більш негативним електродним потенціалом — анода. При зануренні в електроліт неоднорідних за структурою сплавів на їхній поверхні утворюється безліч мікрогальванічних пар, що призводить до розчинення фаз або структурних складових, які виконують роль анодів. Коли між зернами металу і їх межовими ділянками виникає велика різниця потенціалів, ці ділянки руйнуються, тобто відбувається міжкристалічна корозія.

Газова корозія найчастіше протікає при окисленні металу та при високих контактних температурах за рахунок кисню з повітря чи CO₂ і О₂, що містяться в продуктах згоряння палива. На поверхні вуглецевої сталі газова корозія проявляється у вигляді окисних плівок.

Атмосферна корозія відбувається на поверхні металу під дією сконденсованої вологи; ґрунтова корозія — при контакті металів з ґрунтовими водами; морська — при контакті з морською водою.

Ерозійне зношування. Ерозія в машинобудуванні – це процес поверхневого руйнування матеріалу внаслідок механічного впливу високошвидкісного потоку рідини, газу або пари, а також руйнування металів під дією електричних зарядів.

Поділяють ерозію на газову, кавітаційну, абразивну та електричну. Кожен вид ерозії має підвиди, які є поєднанням окремих видів (наприклад, газоабразивна, газоелектрична ерозія).

Ерозійний вплив високошвидкісного потоку середовища складається з тертя суцільного потоку та його ударів у поверхню деталі. Залежно від властивостей матеріалу можливі виривання окремих об’ємів або груп зерен. Рідина, що проникає при ударах в утворені мікротріщини, поводиться подібно до клину, відтискуючи стінки тріщини. Ерозія в початковий період на гладенькій поверхні розвивається досить повільно, але після появи пошкоджених місць посилюється через підвищення крихкості ушкодженого поверхневого шару.

Кавітаційне зношування. Під кавітацією розуміють явище утворення в потоці рідини, що рухається по поверхні твердого тіла, порожнин у вигляді бульбашок, наповнених парами, повітрям або газами. Парогазові бульбашки переміщуються разом з потоком і попадають у зони високих тисків. Пара конденсується, гази розчиняються, з більшим прискоренням спрямовуються частинки рідини; відбувається відновлення суцільності потоку, що супроводжується ударом. Явище кавітації викликає вібрації, стукіт й струси.

Кавітаці́йне зношування — механічне зношування в умовах руху твердого тіла в рідині, під час якого бульбашки газу лопаються поблизу поверхні, що призводить до створення локального високого ударного тиску чи високої температури. Кавітаційні руйнування мають локальний характер і проявляються в утворенні місцевих заглибин і каверн.

При коливаннях твердого тіла відносно рідини або рідини відносно твердого тіла тиск у рідині на межі поділу рідини і твердого тіла може зменшитись і викликати утворення кавітаційних бульбашок. Умови вібраційної кавітації (так іноді називають це явище) залежать від зовнішнього тиску на систему і ступеня насичення рідини повітрям. Вібраційну кавітацію можуть викликати звукові (ультразвукові) коливання. Звукові хвилі прискорюють окислювально-відновлювальні реакції, визначають внутрішньомолекулярні перегрупування речовин, підсилюють диспергування і викликають коагуляцію дрібних частин.

Зношування при фретинг-корозії. Фретинг-корозія – це процес руйнування щільно контактуючих поверхонь пар метал-метал чи метал-неметал при їх коливальних переміщеннях. Руйнування полягає в утворенні на спряжених поверхнях невеликих лунок і продуктів корозії у вигляді «нальоту», плям і порошку. Внаслідок невеликої амплітуди переміщень спряжених поверхонь пошкодження скупчуються на невеликих ділянках дійсного контакту. Продукти зношування не можуть вийти з зони контакту, в результаті чого виникає високий тиск і збільшується їх абразивна дія на основний метал.

Фретинг-корозія протікає у вакуумі, у кисневому середовищі, середовищі азоту і гелію. Таким чином, фретинг-корозія являє собою вид руйнування металів і їх сплавів в мало- і неагресивних корозійних середовищах при одночасному впливі механічних і хімічних факторів.

Вибірковий перенос. Уперше явище вибіркового перенесення було виявлено в середині 1950-х років при дослідженні вузлів тертя літака. Був відкритий ефект спонтанного утворення тонкої плівки міді на поверхні деталей у парах сталь—бронза, що працюють у спирто-гліцериновому мащенні. Металеву захисну плівку, що утворюється в процесі тертя, називають сервовитною. Вона являє собою речовину, утворену потоком енергії та існуючу в процесі тертя. При деформуванні сервовитна плівка не руйнується й не піддається втомному руйнуванню. Вона сприймає всі навантаження.

Адгезійнезношування завжди пов'язане з фрикційним перенесенням матеріалу з одного тіла на інше або з утворенням прошарків. Під час тертя металевих пар адгезійне зношування призводить, як правило, до схоплювання контактуючих ділянок, глибинного виривання матеріалу, перенесення його з однієї поверхні тертя на іншу і дії виниклих нерівностей на поверхню. Цей вид зношування належить до неприпустимих видів пошкодження.