Виды физического износа и разрушений деталей

Виды физического износа. В зависимости от скорости протекания процессов изнашивания различают два вида физического износа — естественный (нормальный) и преждевременный (аварийный).

Естественным износом принято называть изменения в размерах деталей или соединений механизмов, которые образуются в результате длительной эксплуатации машины в нормальных условиях под действием трения, коррозии, эрозии, изменения температуры и других факторов. Нормальный износ показывает, что эксплуатация машины ведется с соблюдением установленных правил. Он имеет определенный характер, и его величина может быть заранее рассчитана и заложена в основу определения норм износа и срока службы машины. Это позволяет планировать сроки и объем ремонта.

Нормальный износ неизбежен, но процесс изнашивания можно замедлить за счет правильного выбора материала и смазки, применения способов обработки, повышающих износостойкость материала, соблюдения правил эксплуатации и других мероприятий. При их невыполнении нормальный износ переходит в повышенный, что может привести к преждевременному износу.

Повышенный износ — это износ, происходящий под действием тех же причин, что и нормальный, но с большей интенсивностью из-за невыполнения указанных выше методов замедления процесса изнашивания.

Преждевременным, или аварийным, называется износ, срок достижения которого значительно меньше нормативного, а значение таково, что дальнейшая эксплуатация машины сопряжена с опасностью аварии (отказа). Наиболее характерные причины аварийного износа следующие:

— ошибки при проектировании;

— некачественное изготовление или восстановление деталей, наличие в них дефектов;

— некачественная сборка узлов и машины в целом;

— нарушение правил эксплуатации машины, ее технического обслуживания, перегрузки при работе;

— неправильное функционирование основных систем машины (управления, охлаждения, смазывания, диагностики и др.);

— несвоевременное или некачественное техническое обслуживание или ремонт машины;

— усталостные явления в материале деталей.

Аварийный износ может происходить в виде необратимых деформаций и разрушений деталей.

Деформации и разрушения деталей. Деформации и разрушения деталей возникают вследствие их растяжения, сжатия, изгиба, кручения, когда действующие напряжения превышают предел упругости, текучести, усталости или прочности материала. Причиной этого может быть резкое возрастание рабочих нагрузок, перераспределение в процессе эксплуатации внутренних напряжений в материале, неравномерное тепловое воздействие.

Деформации вызывают изменение формы и размеров детали и могут быть упругими (обратимыми) и необратимыми (остаточными или пластичными). Упругие деформации возникают, если действующие напряжения в детали не превышают предел упругости материала. Они неизбежны и всегда имеют место при приложении нагрузки. При повышенной температуре упругая деформация может сопровождаться и остаточной деформацией.

Остаточная деформация может и не приводить к разрушению детали, но нарушает нормальную работу машины.

Разрушение приводит к нарушению целостности детали. Разрушения бывают вязкими, хрупкими и усталостными.

В зависимости от свойств материала и характера приложения нагрузки различают вязкое или хрупкое разрушение деталей машин в виде излома.

Вязкое разрушение наступает при напряжениях, превышающих предел текучести материала. Ему предшествует пластическая деформация металла, обычно в виде кручения или изгиба, реже растяжения или сжатия. Место излома при вязком разрушении имеет волокнистое строение со следами сдвига материала.

Для предупреждения вязкого разрушения рекомендуется:

— ограничить нагрузку на детали при помощи специальных предохранительных устройств (срезных штифтов, шпилек, предохранительных муфт);

— изготавливать детали из материалов с повышенными механическими свойствами, применять эффективные методы термической обработки и другие технологические методы;

— применять наклеп в определенных местах для уменьшения напряжений в детали при работе;

— увеличивать жесткость деталей.

Хрупкое разрушение детали совершается под действием нормальных напряжений. Процесс разрушения включает в себя две стадии: зарождение трещины и ее развитие до разрушения детали по всему сечению. Плоскость разрушения оказывается перпендикулярной направлению приложения нагрузки.

Повышение сопротивления детали хрупкому разрушению достигается применением предохранительных и амортизирующих устройств, а также материалов с повышенной прочностью и пластичностью; путем устранения или уменьшения влияния концентраторов напряжений.

Усталостное разрушение материала. Многие детали выходит из строя из-за разрушений, вызванных усталостью материала. Под усталостью металлов понимается процесс их разрушения, состоящий в образовании и развитии первичных трещин в результате длительного действия переменных нагрузок.

Характерными признаками разрушения стали от усталости являются отсутствие заметных остаточных деформаций, наличие на поверхности излома зоны развития трещины с гладкой поверхностью и зоны поломки со следами хрупкого кристаллического излома. Причинами снижения усталостной прочности деталей является наличие концентраторов напряжений из-за несоблюдения радиусов переходов между участками детали, грубой обработки поверхности, наличия на ней надрезов, царапин, меток и других дефектов.

Усталостное разрушение деталей может проявляться также в виде образования раковин на поверхности (питтинг или осповидный износ), которые являются результатом усталости металла от многократного циклического нагружения при трении качения или качения со скольжением между контактирующими деталями. Этот процесс разрушения характерен для шариковых и роликовых подшипников, зубчатых колес в районе делительной окружности.

Применяются следующие методы уменьшения вероятности усталостных разрушений.

Конструктивные: обеспечение виброустойчивости расчетными методами, применением специальных виброгасителей, обеспечением рациональных значений геометрических параметров деталей, жесткости опор и узлов машины, исключение у деталей концентраторов напряжений и др.

Технологические: балансировка вращающихся деталей, устранение или уменьшение технологических концентраторов напряжений (прижоги при шлифовании, риски на обработанной поверхности, закалочные трещины, внутренние дефекты металла, клеймение деталей в опасных зонах), применение методов упрочнения деталей поверхностно-пластическим деформированием, термической (поверхностная закалка) и химико-термической (азотирование) обработки, обеспечивающих повышение усталостной прочности.

Профилактические: систематический осмотр деталей для выявления повреждений, своевременная замена деталей и проведение других мероприятий по техническому обслуживанию машин.