Возникновение трещин

Характер ударных нагрузок

В процессе многочисленных наблюдений под микроскопом поверхности осей с надрезами от ударов частиц балласта установлено разнообразие конфигураций надрезов. Следы от большей части ударов имеют вид многочисленных царапин и выбоин небольшой глубины, тогда как от других, наблюдаемые реже,- надрезов глубиной до 2 мм сложной формы с острыми углами. Более того, в случаях наиболее сильных ударов выявлялся феномен адиабатического среза, явления того же типа, что имеет место при испытаниях броневой стали путем обстрела с очень высокой скоростью (d e/ dt = 10⁴ ÷ 10⁵ с^-1). Это доказывает, что ось может подвергаться таким интенсивным ударным нагрузкам, в результате которых происходят квазиадиабатические деформации.

В ходе наблюдений определены многие параметры микронадрезов, влияющие на характер трещинообразования. К этим параметрам относятся глубина и профиль микронадреза, от которых зависит распределение напряжений, степень холодного наклепа и наличие полос адиабатического среза.

В этой связи интересно отметить, что возникновение микронадреза от удара с большой скоростью сопровождается двумя противоположно действующими эффектами. Холодный наклеп и остаточные напряжения сжатия в зоне микронадреза замедляют развитие трещины, а концентрация изгибных напряжений в оси, наоборот, ускоряет его.

Сильные удары способствуют началу усталостного трещинообразования, и поэтому, очевидно, необходимо найти ответ на следующий вопрос: если ось подвергается ударам и зона ударного воздействия не совпадает с местоположением трещин, которые можно обнаружить методами неразрушающего контроля (дефектоскопии), применяемыми при осмотре, можно ли гарантировать безопасность эксплуатации до ближайшего захода на техническое обслуживание.

Этот вопрос требует более глубоких знаний в трех следующих аспектах:

• определение условий начала возникновения трещин;
• оценка влияния микронадрезов на развитие трещин;
• оценка темпов развития трещин с учетом того, что реальный срок службы осей по пробегу примерно равен трем циклам технического обслуживания и ремонта.

Возникновение трещин под воздействием длительных нагрузок рассматривали как результат концентрации напряжений вследствие экструзии/интрузии полос постоянного скольжения (рис. 1).

Рис. 1. Схема образования интрузий/экструзий на поверхности металла

Исследования позволили для изначально чистой, но затем приобретающей разнообразные по геометрии дефекты поверхности определить несколько стадий процесса:

• образование полос постоянного скольжения в зернах феррита;
• появление экструзии/интрузии;
• возникновение вдоль интрузий микротрещин и не связанных между собой трещин небольшой длины;
• развитие трещин преимущественно в зернах феррита вдоль интрузий в каждом зерне или вдоль границ между зернами феррита и перлита.

Развитие в основном происходит под углом 45° относительно направления максимальных напряжений изгиба.

Затем, начиная с определенной длины, происходит слияние коротких трещин в длинные, которые развиваются перпендикулярно направлению максимальных напряжений и поперек зерен перлита.

Одной из задач исследований было определение границы между стадиями зарождения и развития трещин в сталях, применяемых для изготовления осей.

Эксперименты проводили на отшлифованных испытательных образцах (рис. 2), на которых удобно отслеживать возникновение первичных коротких трещин и соответствующее началу стадии развития их превращение в длинные с одновременным определением глубины трещин по их форме.

Рис. 2. Схема образца для предварительных испытаний

Наблюдение за трещинами с измерением их длины в ходе исследований осуществляли с помощью электронного микроскопа по методу репликации. Длину можно соотнести с глубиной, определяемой после шлифовки в разных местах по фронту трещины. Кроме того, выполняя микроскопические срезы, можно визуально проследить эволюцию ориентации трещин.

Результаты исследований позволили установить граничную глубину трещины 300 мкм, после которой начинается стадия развития.

Следует отметить, что до указанного значения глубины трещины практически не поддаются выявлению средствами дефектоскопии. Следовательно, можно предположить, что оси, на которых в процессе текущего осмотра дефекты не обнаружены, все же могут иметь трещины, находящиеся на стадии возникновения или на переходе к стадии развития.

Дата добавления: 2015-07-02