2. інженерно-фізичні основи надійності причини втрати працездатності об'єктів



Скачати 460.39 Kb.
Сторінка2/3
Дата конвертації16.04.2016
Розмір460.39 Kb.
1   2   3

Рис. 2.7. Схема визначення зносу методом вирізування лунок
У формулі (2.3) приймають знак "плюс" для опуклих, "мінус" – вгнутих поверхонь.

Для визначення зносу за вмістом продуктів зношування в мастилі періодично відбирають його проби з порожнин об'єкта, що експлуатується. Відібрані проби спалюються і за допомогою хімічного або спектрального аналізу золи спаленого масла визначається вміст елементів матеріалів, з яких виготовлені деталі. Цей метод не потребує розбирання вузла, але і не дає диференціювати знос різних поверхонь деталей з однаковим хімічним складом.

Метод визначення зносу деталей за допомогою поверхневої активації дає сталу інформацію про вузли діючих агрегатів, які зазнають тертя. Радіоактивність досягається опромінюванням деталей або установкою вставок у зони тертя. У першому способі продукти зношування виносяться маслом разом із радіоактивним ізотопом і проходять через лічильник імпульсів, що визначає радіоактивність масла, яка збільшується по мірі спрацьовування поверхонь деталей. При застосуванні вставок у процесі роботи і зношування активованої зони зменшується активність випромінювання, що реєструється спеціальною апаратурою.

Хід процесу зношування в часі має вигляд кривої залежності зносу u від часу t (рис. 2.8).





Рис. 2.8. Залежність зносу від тривалості часу (обсягу робіт): І – стадія припрацювання; II – стадія нормальної роботи; IIІ – стадія аварійного зношування
Зношування відбувається в три стадії (періоди). На стадії І здійснюється припрацювання контактуючих поверхонь деталей (графік наводить зміни зносу тільки однієї з поверхонь). Ця стадія характеризується нестабільністю параметрів тертя, початковою високою швидкістю зношування du/dt, що обумовлено значними пластичними деформаціями нерівностей поверхневих шарів деталей, перебудовою технологічного мікрорельєфу поверхонь на експлуатаційний та зміною фізико-механічних властивостей.

Найтриваліша – стадія II. Ця ділянка кривої відповідає періоду нормальної роботи з'єднання після припрацювання. При нормальній роботі спостерігається стабілізація параметрів тертя, швидкість зношування відносно невелика і приблизно однакова і стала.

Знос деталей поступово спричиняє до погіршенню умов тертя при роботі з'єднань, у результаті чого швидкість зношування різко зростає. Цей період процесу зношування відповідає кривій на стадії III.

Криві зміни зносу в часі залежно від умов роботи деталей (виду з'єднання, фізико-механічних властивостей поверхонь тощо) можуть мати не всі три стадії вихідної (класичної) кривої, а дві або одну (рис. 2.9).


Рис. 2.9. Приклади графіків процесу зношування: а – відсутня стадія нормальної роботи; б, в – відсутня стадія припрацювання
Представлення законів зношування в аналітичній формі – складне завдання і перебуває в процесі становлення.

Професор О. С. Проніков сформулював особливості, якими повинні характеризувати закони зношування. На його думку закони зношування в аналітичній формі – це залежність зносу від таких факторів:

– силових і кінематичних параметрів і, у першу чергу, від тиску на поверхню тертя і швидкості відносного ковзання (від факторів Р і V);

– параметрів, які характеризують склад, структуру і механічні властивості матеріалів трибосистеми;

– властивостей поверхневого шару деталей;

– видів тертя і мащення;

– зовнішніх умов, які впливають на процес зношування – температури, вібрації та ін.

Крім того, усі закономірності повинні описувати зміни зносу в часі.

Одна із загальних формул для розрахунку зносу u при множинному контакті за теорією І. В. Крагельського має вигляд:

, (2.4)

де К – стала, яка визначається формою і розташуванням по висоті одиничних нерівностей на поверхнях (звичайно К=0,2); – коефіцієнт перекриття, який залежить від відношення номінальної площі контакту Аa до фактичної Аr; h – глибина впровадження; R – радіус одиничної мікронерівності; Ра, Рr – відповідно тиск на номінальній Аа та фактичній Аr площинах контакту; п – кількість циклів, що приводять до руйнування об'єму, який деформується.

Відношення h/R визначає вид фрикційного зв'язку, умови тертя відношення Раr пов'язане з якістю поверхні, множник 1/п характеризує опір втомі та вводить у рівняння часовий зв'язок.

Залежно від теорії контактування, матеріалів, пари тертя, умов роботи з'єднання, необхідної точності розрахунків, в теорії надійності розроблено методики та аналітичні вирази, за допомогою яких виконують інженерні розрахунки для багатьох видів зношування.


2.3. Деформація й руйнування, утома металів
Деталі машин, виготовлені з металів та їх сплавів, під дією прикладених до них зовнішніх навантажень, зазнають деформації.

Деформація – процес зміни взаємного розташування ліній, поверхонь, які визначають конфігурацію деталі (форму і розмір)

Деформація з'являється при виникненні напружень у матеріалі деталі.

Зміни конфігурації деталей можуть відбуватися і без прикладення зовнішніх навантажень. Наприклад, внаслідок старіння матеріалу, тобто поступових змін його фізико-механічних властивостей, пов'язаних зі структурними перетвореннями матеріалу чи релаксаційними процесами.

При відповідних умовах навантаження (досягнення граничних напружень) деформація закінчується руйнуванням – повним або частковим порушенням цілісності деталі.

Деформація може бути оборотною – якщо зникає після зняття навантаження, яке викликає її, і необоротною – якщо залишається після усунення сил, під дією яких вона виникла.

Оборотну деформацію ще називають пружною, її вплив на форму, структуру і властивості тіла повністю зникає після припинення дії навантаження і не викликає помітних залишкових змін у структурі й властивостях матеріалів. Під дією таких напружень виникає незначне зміщення атомів кристалічної ґратки, при якому порушується баланс міжатомних сил тяжіння та відштовхування. Після зняття навантаження ці сили повертають зміщені атоми до врівноваженого стану й у мікромасштабі (конфігурація деталі) деформація зникає. Деталь при цьому зберігає свою первісну форму і розміри.

Необоротну деформацію ще називають пластичною. Вона проявляється у вигляді вигину, скрученості, зміни лінійних розмірів деталей та елементів конструкцій. У кристалічних матеріалах пластична деформація найчастіше відбувається шляхом зміщення (ковзання) однієї частини кристалу відносно іншої під впливом тангенціальних (дотичних) критичних напружень, діючих у площині і напрямку ковзання. Ковзання здійснюється в певних кристалографічних площинах і напрямках з найбільшою атомною щільністю.

Наочно процес деформації наведено на діаграмі зміни деформації матеріалу під впливом зростаючого навантаження (рис. 2.10).





Рис. 2.10. Залежність деформації від навантаження: 0А – область переваги пружних деформацій; АВ – область переваги пластичних деформацій; ВС – область руйнування; 1 – початок руйнування; 2 – повне руйнування
Процес деформації має три послідовні стадії: область переважання пружних деформацій; область переважання пластичних деформацій; область руйнування. Наведений поділ умовний, оскільки неможливо чітко розмежувати стадії прояву деформації на мікроскопічних рівнях, і як пружні, так і пластичні деформації.

Але такий поділ виправданий тим, що дає можливість розмежувати основні закономірності поведінки матеріалів деталей при механічному навантаженні. Зокрема, якщо розглянути хід деформації металу при зніманні навантаження на різних стадіях деформування, то можна помітити суттєві відмінності в ході процесу (рис. 2.11).





Рис. 2.11. Деформація при зніманні навантаження на різних стадіях:

а – знімання навантаження в області пружних деформацій; б – знімання навантаження в області пластичних деформацій; А0 – область залишкової деформації
Якщо навантаження зупинити в області пружної деформації, то деформація при зніманні навантаження зникає (рис. 2.11, а), якщо в області пластичного деформування – зникає тільки пружна складова і проявляється залишкова (пластична) деформація А0 деталі (рис. 2.11, б).

Процес деформування металу при досягненні критичних напружень закінчується руйнуванням – в'язким або крихким. В'язке руйнування з'являється від тангенціальних (дотичних) напружень, крихке – при дії нормальних напружень. В'язкому руйнуванню передує значна пластична деформація матеріалу, при крихкому руйнуванні пластична деформація незначна (рис. 2.12).




Рис. 2.12. Приклад діаграми деформації при крихкому і в'язкому руйнуванні: 1 – деформація при крихкому малопластичному руйнуванні; 2 – деформація при в'язкому пластичному руйнуванні
Є відмінності також у розташуванні площини руйнування – зламу. Для в'язкого руйнування характерним є розташування площини руйнування під кутом до напрямку прикладення навантаження. Злам збігається з напрямом дії тангенціальних напружень. Площина крихкого руйнування часто перпендикулярна напрямку прикладення навантаження. На практиці вид руйнування можна встановити за характером зламу. В'язкий злам має матовий відтінок, крихкий – блискучий.

Здатність матеріалів чинити опір деформації під впливом зовнішніх навантажень визначається механічними властивостями конструкційних матеріалів (межа пружності, текучості, міцності та ін.) і залежить від характеру прикладення зовнішнього навантаження (статичне, динамічне, циклічне тощо) та способу навантаження (розтягування, стискування, згинання, кручення).

При експлуатації сільськогосподарської техніки поява залишкової деформації та руйнування деталей часто є наслідком перевищення розрахункових навантажень, це може трапитись через порушення правил експлуатації або в аварійних, екстремальних ситуаціях. Але з практики відомо, що руйнування металів буває й при навантаженнях, значно менших за критичні. Явище руйнування матеріалів під час експлуатації при напруженнях, значно менших за їх механічні характеристики, називається утомою матеріалів. Під утомою розуміють процес поступового накопичення внутрішніх пошкоджень матеріалу під дією динамічних навантажень, що циклічно змінюються в часі, і в результаті приводять до раптового руйнування деталей.

Багаторазові навантаження обумовлюють руйнування деталей машин при напруженнях, значно менших за границею міцності, текучості, а інколи і пружності матеріалу.

Спостерігаються руйнування через утому в деталях, які підлягають дії розтягування – стискання, згинання і кручення (вали, осі, зуби шестерень, зварні з'єднання та ін.). Це явище притаманне і пошкодженням, які виникають у поверхневих шарах деталей при терті ковзання і кочення. У цих випадках руйнування через утому проявляється як розтріскування і викришування матеріалу з поверхні деталі.

За сучасними уявленнями природа утоми пов'язується з недосконалістю кристалічної будови матеріалів. Розрізняють наступні елементарні дефекти кристалічної структури: вакансії, дислокації, межі зерен, включення та ін.



Вакансія – це точкоподібний дефект, являє собою вільне (без атому) місце у вузлі кристалічної ґратки. У реальних кристалах вакансії постійно зароджуються і зникають під дією теплових флуктуацій.

Іншим видом недосконалості кристалічної будови є дислокація (лінійний дефект) – спотворення структурної ґратки. Дислокації – це джерела внутрішніх напружень у кристалічній гратці. Кількість дислокацій у чистих металах значна: у 1 см3 до 106...107. Поблизу дислокаційної лінії розвиваються великі спотворення і напруження. Ці області навколо дислокацій мають значну потенціальну енергію.

При пластичній деформації під дією зовнішніх сил, термічної активації, тобто при наданні додаткової енергії, можливий рух дислокацій, коли спотворення ґратки від дислокації передаються в інші області кристалу, так звана естафета. При цьому атоми (площини) переміщаються незначно з неврівноваженого положення у врівноважене, виводячи зі стану стійкості сусідні атоми до певного моменту, наприклад виходу дислокації на поверхню кристалу, перетину з іншою дислокацією або взаємодії з іншими дефектами кристалічної ґратки. Рух дислокацій супроводжується появою вакансій. Вони коагулюють, займають певний об'єм, а при першій можливості здатні перерости в мікро- і макроскопічні тріщини від утомленості.

У дислокаційних теоріях І.А. Одінга, В.С. Іванової, М.М. Афанасьєва та ін. запропоновано кілька схем утворення тріщин, але у всіх теоріях механізми зародження, розвитку тріщин і руйнування металу базуються на процесі руху й концентрації дислокацій біля перешкод– межами зерен, атомів, домішок та ін. Узагальнено хід процесу зародження тріщини від утомленості та руйнування металу характеризується кількома періодами.

У перший період основні субструктурні зміни відбуваються по межах зерен. При цьому накопичується пластична деформація, матеріал зміцнюється внаслідок скупчення дислокацій перед перешкодою та дифузії атомів домішок до меж кристалів. Усе це призводить до концентрації вакансій, у другому періоді здійснюється локальне послаблення зв’язків кристалічної ґратки, виникають субмікроскопічні тріщини. Третій період характеризується розвитком субмікроскопічних тріщин у мікроскопічні. Четвертий період настає з моменту досягнення мікроскопічною тріщиною критичних розмірів і триває до руйнування матеріалу.

Дослідами встановлено сумісність проходження пластичної деформації та руйнування металів незалежно від умов деформації й виду руйнування – в'язкого, крихкого чи від утомленості. Різниця лише в тому, що при циклічних навантаженнях генерування дислокацій, їх рух і коагуляція вакансій відбуваються інтенсивніше, ніж при статичному навантаженні.

На практиці закономірності змін циклічних напружень у часі найрізноманітніші. Періодичні закономірності циклічних напружень, що часто спостерігаються, наведено на рис. 2.13.

Коли фактичний закон зміни в часі циклічного напруження встановити складно, його умовно приймають за синусоїдний (рис.2.13, г). До основних характеристик циклічного напруження належать: цикл напружень, період (час) циклу, максимальне і мінімальне напруження (рис. 2.14), коефіцієнт асиметрії циклу R – відношення мінімального напруження до максимального.





Рис. 2.13. Графіки циклічних напружень: а – загальний випадок періодичної закономірності; б – прямокутний; в – пилоподібний; г – синусоїдний



Рис. 2.14. Цикли змінних напружень: а – симетричний; б, в – асиметричний; г – пульсуючий

Розрізняють симетричні й несиметричні цикли. У першому випадку максимальні та мінімальні напруження рівні за абсолютним значенням, але протилежні за знаком; коефіцієнт асиметрії R=–1 (рис. 2.14, а). При несиметричному циклі напруження різні за абсолютними значеннями і можуть мати знаки різні й однакові; коефіцієнт асиметрії R≠0 і R≠–1. У випадку R=0 цикл називається пульсуючим (рис. 2.14, г).

Основним критерієм, який характеризує опір металу руйнуванню від утоми, є границя витривалості (границя утоми) R – значення максимального напруження циклу з асиметрією R, яке може витримати матеріал зразка без руйнування при необмеженій (на практиці – базовій N0) кількості циклів напруження (навантаження).

Другим критерієм, яким характеризується стійкість металу проти утоми , є довговічність. Під довговічністю розуміється кількість циклів напруження N , що витримує деталь до руйнування в даних умовах випробувань.

Величина змінних напружень і кількість циклів зміни цих напружень, що витримується деталлю до руйнування, пов'язані між собою залежністю, яка графічно зображається кривою утоми, або кривою Велера (рис. 2.15).



Рис. 2.15 Крива утоми
Рівняння цієї кривої, доведене експериментально, має вигляд:

, (2.5)

де – максимальне значення змінного напруження, яке викликає руйнування через утомленість; N – кількість циклів змінного напруження до руйнування; m – показник степеня, який залежить від матеріалу деталі, виду деформації, концентрації напружень і коефіцієнта асиметрії.

Після досягнення базового значення кількості циклів (див. рис. 2.15) крива утоми асимптотично наближається до горизонтальної прямої, яка відповідає рівню напруження, що дорівнює границі витривалості R, тобто значення границі витривалості зі збільшенням кількості циклів змінюється дуже повільно. Для практичних розрахунків приймається, що значення границі витривалості залишається постійним. Оскільки відомі базова кількість циклів і границя витривалості, визначають будь-яке значення точки кривої утомленості при заданій кількості циклів. Для цього достатньо навести залежність (2.5) у вигляді:

, (2.6)

а після перетворень отримаємо:



, (2.7)

де – границя витривалості при заданій кількості циклів N; R – границя витривалості при базовій кількості циклів N0; т – показник степеня (визначається за довідниками).

При визначенні границі витривалості реальної деталі необхідно враховувати значну кількість факторів, зокрема вид навантаження, концентрацію напружень у деталі, якість поверхні, вплив посадки з'єднання, дію робочого середовища, температуру.

Одна з формул, за допомогою якої приблизно визначають границю витривалості деталі з урахуванням більшості наведених факторів, така:



, (2.8)

де – границя витривалості деталі при коефіцієнті асиметрії R(R≤1) та ефективному коефіцієнті концентрації K; – границя витривалості гладкого зразка K=1 при симетричному циклі R=–1, яка визначається за лабораторними випробуваннями або за довідковими даними; K – ефективний коефіцієнт концентрації, який враховує геометричну форму деталі, шорсткість поверхні, вплив посадок з натягом; С – коефіцієнт чутливості матеріалу до асиметрії циклу (для вуглецевих і низьколегованих сталей С=0,2; для легованих сталей С=0,3); KM – масштабний коефіцієнт; R – коефіцієнт асиметрії руйнуючого циклу.

Теоретичними та експериментальними дослідженнями встановлено, що границі витривалості деталей в основному залежать від механічних характеристик матеріалу деталей, їх термічної обробки, якості поверхні, геометричної форми і розмірів.

Форма деталі в першу чергу обумовлює можливість існування місць з концентраторами напружень, які викликають локальну зміну (зростання) поля напружень. Концентратори напружень знижують витривалість з інтенсивністю, яка визначається величиною і розподілом напружень до перерізу деталі, а також структурною неоднорідністю металу. Різні матеріали неоднаково чутливі до концентрації напружень. Наприклад, малочутливими є чавуни (за винятком високоміцних), нержавіюча сталь, більшість кольорових металів і м'які пластичні сплави, а найчутливішими є гартовані сталі, при цьому їх чутливість зростає зі збільшенням границі міцності.

Опір утомі також пов'язаний з впливом металургійних факторів, технологій обробки деталей. Забрудненість металу заготовки, з якої виготовлена деталь включеннями, нерівномірність розподілення легуючих елементів, дефекти прокатки або кування знижують опір утомі .На практиці у більшості випадків руйнування від утоми є наслідком дефектів, допущених при обробці поверхні в процесі виготовлення або ремонту. До цих дефектів належать дефекти механічної обробки: підрізи, подряпини та ін.; гартувальні тріщини, залишкові напруження розтягу, перервність наклепаного шару та ін.

За результатами досліджень впливу якості поверхні на стійкість металів проти утоми механічна обробка, різноманітні види поверхневого зміцнення, за яких відбувається зниження шорсткості поверхні та зміна напруженого стану поверхневого шару металу (наклеп), значно впливають на границю витривалості й можуть підвищити її в 1,2...2,0 рази і більше.

Відомості про основні фактори, які впливають на утому матеріалів, дають змогу розробити необхідні для підвищення довговічності деталей машин конструкційні зміни або рекомендації щодо вдосконалення технології виготовлення і ремонту.
2.4. Корозійне руйнування
Корозія – це руйнування металів внаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії їх з навколишнім середовищем. Корозійні процеси значно впливають на довговічність технічних об'єктів. Втрати від корозії в розвинутих країнах складають майже 10 % національного прибутку.

Корозійний процес відбувається на межі "метал – навколишнє середовище", тобто є гетерогенним процесом взаємодії рідкої чи газоподібної фази з металом. Причина корозії в термодинамічній нестійкості металів. Швидкість корозії визначається багатьма факторами: станом поверхні металу і особливостями його структури; температурою, складом і швидкістю руху корозійного середовища, механічними напруженнями тощо.

Оскільки корозійний процес має гетерогенний характер, його швидкість залежить від умов здійснення таких основних стадій: переміщення до поверхні металу корозійно-активних частинок (іонів, молекул) шляхом дифузії або конвекції; реакції цих частинок з металом і відведення продуктів корозії від поверхні металу. Класифікують корозійні процеси за двома типами та 36 видами. Типи корозій металів розрізняють за механізмами взаємодії металу з корозійним середовищем, а види – за умовами проходження (корозійними середовищами, додатковими впливами) і характером ураження поверхонь.

За механізмом перебігу корозійного процесу розрізняють два типи: хімічну та електрохімічну корозію.



Хімічна корозія зумовлена процесами, які відбуваються при хімічній взаємодії металу з агресивним (рідким чи газоподібним) середовищем, що не має властивості електропровідності (сухі гази, рідкі неелектроліти – спирти, мінеральні мастила, бензин, розплави металів та ін.). Найчастіше цей тип корозії спостерігається при високих температурах (газова корозія). Наприклад, окиснення металу в печах при різних видах термообробки, руйнування поверхні випускного колектора двигуна внутрішнього згоряння при взаємодії металу з відпрацьованими газами в зоні високих температур тощо.
1   2   3


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка