Процессы изменения свойств конструкционных материалов

Процессы, приводящие к неисправностям и отказам автомобилей

В конструкции автомобиля используются весьма разнообраз­ные материалы: различные металлы, пластмассы, резина, ткани, стекло и т.д. По мере эксплуатации автомобиля свойства конст­рукционных материалов меняются также весьма разнообразно. Поскольку автомобиль является машиной, наибольший интерес с позиции надежности представляет изменение механических свойств материалов. Рассмотрим наиболее существенные процессы.

Температурное разупрочнение — характерно для металлов и дру­гих материалов. При повышении температуры для разных метал­лов более или менее снижаются их прочностные характеристики: предел текучести σ_т и предел прочности σ_В. Например, при пере­греве двигателя у поршней могут выламываться перемычки между поршневыми кольцами (рис. 1.2).

На рис. 1.3 показан поршень, подвергшийся перегреву при де­тонационном горении горючей смеси, когда ударные волны сду­вают граничный газовый слой с поверхности деталей камеры сго­рания, что резко увеличивает теплопередачу (всем известен эф­фект от ударов веником в бане), повышает температуру поршня и приводит к его разупрочнению. Локальные взрывные волны, от­раженные от стенок камеры сгорания, в точках их взаимного на­ложения имеют максимальное давление и «выплескивают» разупрочненный металл с днища поршня.

На рис. 1.4 показан поршень дизеля с разрушенной поверхно­стью днища в зоне вихревой камеры. Перегрев поршня привел к стойкому залеганию поршневых колец в канавках и задиру ци­линдрической поверхности поршня.

Температурное разупрочнение характерно не только для алю­миниевых сплавов, имеющих низкую температуру плавления, но и для стали. В качестве примера на рис. 1.5 показан шатун, подверг­шийся деформации при перегреве нижней головки вследствие нарушения подачи масла в зону трения шейки коленчатого вала и вкладышей. На перегрев детали указывает спекание вкладыша с постелью шатуна и наличие обуглившейся пленки масла на по­верхностях. Повышенный момент трения в заклиненном сопря­жении привел к изгибу шатуна по направлению вращения шейки вала.

Весьма существенно повышение температуры влияет на ползу­честь металлов — медленно протекающую деформацию при дли­тельном воздействии нагрузок, когда g<g_t. Например, при пере­греве двигателя часто наблюдается коробление алюминиевой головки блока цилиндров и самого

блока, особенно при неравно­мерной затяжке винтов или шпилек крепления головки (затяну­тая как натянутая струна шпилька постоянно воздействует на со­единяемые детали).

При низкой температуре может наблюдаться хладноломкость металлов — разрушение деталей при нагрузках, совершенно без­опасных при нормальной температуре. Как правило, это хрупкое разрушение деталей при ударных воздействиях, наблюдаемое обыч­но при температурах -40...-50°С.

На рис. 1.6 показан поршневой палец двигателя после запуска автомобиля «ГАЗель» с буксира при температуре -35 "С. Кроме поперечного излома на поверхности пальца имеются дугообразно расходящиеся продольные трещины, что указывает на хрупкое разрушение, которое может быть обусловлено хладноломкостью металла.

Усталость — разупрочнение металлов при циклических нагруз­ках, приводящее к разрушению деталей при напряжениях σ < σ_Т. Накопление усталости объясняют смещением дислокаций (мик­роскопических несплошностей) на гранях кристаллов при их рас­качивании, объединением дислокаций и образованием за счет этого микротрещин. Постепенно микротрещины перерастают в макро­трещины, которые уменьшают живое сечение детали, фактические напряжения за счет этого возрастают и достигают значений σ_В, что приводит к разрушению детали.

Источниками циклических нагрузок могут быть условия есте­ственного функционирования детали (например, при работе ше­стерни зуб воспринимает нагрузку, потом «отдыхает», вновь вос­принимает нагрузку и т.д.), вибрационные нагрузки и т.п.

Реальный спектр нагрузок, воспринимаемых деталями автомо­биля, зависит от режимов его работы. Усталостную прочность обыч­но исследуют при синусоидальной нагрузке с симметричным цик­лом (амплитудные значения растяжения и сжатия одинаковы). Чис­ло циклов N, выдерживаемых образцом до разрушения, связано с амплитудным напряжением зависимостью Велера σ ^mN = const, где m — эмпирический коэффициент. Кривая Велера может быть представлена на графике с линейными шкалами, но чаше ее изоб­ражают на графике с логарифмическими шкалами (рис. 1.7).

Большинство металлов имеют характерную точку перегиба при σ_-1 — это наименьшая амплитуда напряжений, при которой про­исходит смещение дислокаций, т.е. наблюдается накопление ус­талостных повреждений. Величину σ_-1 называют пределом устало­стной прочности, или пределом выносливости. Некоторые метал­лы, например медь, не имеют точки перегиба, т.е. могут быть разрушены даже при очень небольших циклических нагрузках.

Кривая Велера строится по результатам испытаний долговеч­ности образцов, подверженных симметричной синусоидальной нагрузке (рис. 1.8, а). Постоянная составляющая напряжений о_т (рис. 1.8, б) оказывает существенное влияние на долговечность деталей снижая ее. Для большинства металлов напряжения растя­жения снижают долговечность деталей сильнее, чем напряжения сжатия.

Спектр напряжений, которые испытывают детали автомоби­ля, движущегося по неровной дороге, часто носит случайный ха­рактер, как по амплитуде, так и по частоте. Для оценки повреж­дающего воздействия на деталь реальный спектр напряжений пред­ставляют набором синусоид, амплитуду и число которых рассчи­тывают по числу пересечений, наносимых на осциллограмму с некоторым шагом линий, параллельных оси пройденного пути. Проводя такую обработку осциллограммы, записываемой при прохождении автомобилем определенного пути (например, 100 м), можно построить график спектра, по оси абсцисс которого от­кладывается число амплитуд (циклов нагружения), а по оси ор­динат соответствующие амплитуды напряжений.

Накопление усталости в детали зависит от числа циклов нагружений и значений амплитуды напряжений, связанных между со­бой уравнением Велера. Усталостное разрушение происходит при выполнении условия

где n_i — число циклов напряжений с амплитудой σ _i, в анализиру­емом спектре; N_i — число циклов, которое выдержит деталь до разрушения, если она испытывает синусоидальные нагружения с тем же напряжением.

На основании этого условия и известной кривой Велера для рассматриваемой детали можно провести сравнительный анализ повреждающего воздействия различных нагрузочных спектров. На рис. 1.9 иллюстрируется ход такого анализа.

В правой части графика построены кривые двух спектров 1 и 2 (по результатам обработки двух осциллограмм напряжений в де­тали на оси абсцисс отложены числа циклов, а по оси ординат — соответствующие им напряжения). Здесь же условно показана кривая Велера (поскольку N_i, много

больше n_i, кривая должна распо­лагаться по оси гораздо правее). Просчитывая для различных амп­литуд отношения p_i = n_i/N_i и откладывая их в некотором масштабе в левой части графика, можно получить кривые повреждений, составляющих спектры напряжений. Площадь П, ограничиваемая этими кривыми, характеризует общее повреждающее воздействие спектров. Повреждающее воздействие спектра 2 больше повреждающего воздействия спектра 1.

На основании данных сравнительного анализа можно сделать вывод, что долговечность деталей автомобиля по усталостным разрушениям существенно зависит от условий эксплуатации. Режим работы, характеризующийся спектром больших редких нагрузок и большим числом циклов с малыми нагрузками, может оказаться менее опасным, чем режим работы с большим числом средних нагрузок.

Большое влияние на накопление усталости имеет величина среднего напряжения σ_m когда цикл нагрузок не симметричен, т.е. циклические нагрузки накладываются на некоторое постоянное напряжение в детали. Это могут быть не только напряжения, возникающие при функционировании автомобиля, но и напряжения, образующиеся при изготовлении детали. Наличие остаточных напряжений затрудняет не только прогнозирование долговечности деталей автомобиля, но и мест появления усталостных трещин. Например, трещины в стойке кузова появляются в том месте, где не возникают большие напряжения при работе автомобиля, но существуют большие остаточные напряжения после штамповки; перешлифованный под ремонтный размер коленчатый вал ломается,

а причиной тому являются внутренние напряжения, возникающие при нарушении режимов Шлифования, и т. п.

Следует иметь в виду, что спектры напряжений в деталях и накопление усталости зависят не только от дорожного покрытия и скорости движения автомобиля, но и от вибрационных характе­ристик перевозимого груза. Может, например, оказаться, что рама грузового автомобиля, перевозящего 10 т влажного зерна, подвергается усталостному разрушению меньше, чем при перевозке 5 т досок (вибрация груза может вызывать вибрацию деталей автомобиля, а влажное зерно играет роль амортизатора).

Появление усталостной трещины в элементе сложной пространственной конструкции может изменить жесткость этого элемента и перераспределить нагрузки в элементах конструкции. После этого трещина может прекратить свое развитие. Известны случаи, когда после появления видимой трещины деталь работала 90 % от общего срока ее службы [1].

Признаком усталостного разрушения является «хрупкий» излом и наличие двух зон на изломе детали: часть сечения детали имеет блестящую поверхность, а часть — шероховатую («сахарную») поверхность. Шероховатая поверхность — это зона свежего излома, обнаруживающего кристаллическую структуру металла, а блестящая — это зона трещины, которая развивалась медленно, долго, и за счет упругой деформации детали вершины кристаллов терлись друг о друга и сглаживались. На рис. 1.10 показан вид сломанной пружины подвески, а на рис. 1.11— излом коленчатого вала двигателя.

Таблица 1.1

Дата добавления: 2014-12-10