Опасные явления, которые приводят к аварийно-преждевременному разрушению деталей машин

Развитие техники требует повышения прочности, стойкости против износа и долговечности деталей машин, аппаратов и оборудования. Увели­чение скоростей и других эксплуатационных параметров машин и аппара­тов вызвало необходимость повышения прочности металлов, в основном стали и других сплавов, однако влияние рабочих сред часто не позволяет повышать прочность за счет традиционного легирования и термо­обработки. Во многих средах прочность отпущенных и низколегирован­ных среднеуглеродистых сталей значительно выше, чем отожженных и низкоотпущенных.

Создание сталей с пределом прочности до 2500 МПа не привело к повышению предела усталости на воздухе выше 1000 МПа. Это объяс­няется тем, что в высокопрочных сталях одновременно с повышением предела прочности происходит уменьшение пластичности и сталь становится достаточно чувствительной к концентраторам напряжений типа надрезов, рисок и трещин.

Повышение прочности стали дает отрицательный эффект в боль­шинстве рабочих средах (снижение циклической прочности отожженных и низкоотпущенных сталей намного больше, чем нормализованных).

Материалы, с которых изготовлены машины, механизмы, аппараты и оборудование, особенно в строительной, химической, нефтяной и газовой промышленностях, подвергаются влиянию различных сред, которые значительно изменяют их прочность, выносливость и долговечность. В новой технике детали машин и аппаратуры часто подвергаются облуче­нию или влиянию таких теплоносителей, как жидкометаллические рас­плавы и тому подобное.

Следует отметить, что инженерную практику интересует несущая способность деталей машин, аппаратов и оборудования, поскольку потеря несущей способности даже в одном сечении детали вследствие его ослабления средой выводит из строя эту деталь.

Важнейшей проблемой материаловедения является разработка методов получения новых материалов с заранее заданными свойствами, а также повышение стойкости, долговечности и прочности существующих материалов при одновременном действии на них механических напряже­ний и активных рабочих сред.

В процессе деформации, особенно в упруго-пластичной зоне, влияние рабочих сред на физико-механические свойства металла оказывается значительно выше, чем это же влияние на ненапряженный металл. При помощи деформации можно заставить дифундировать в твердый металл почти все жидкие легкоплавкие металлы. В процессе деформации значительно ускоряется наводороживание стали; оно происходит почти за несколько минут и поражает те части металла, которые связаны с концентрацией вакансий и дислокаций в плоскостях сдвигов. При дефор­мации явления электрохимической коррозии происходят намного активнее, чем на ненапряженном металле.

Вид деформации также влияет на взаимодействие среды с деформи­рованным металлом, поэтому следует изучать влияние различных видов деформации и величины напряжений на механические свойства металла в различных средах. Особенно неблагоприятно влияют на механические свойства в рабочих средах те виды нагрузок, которые вызывают локаль­ные изменения в металле, усиливая его гетерогенность.

Влияние среды на физико-механические свойства металлов зависит от вида нагрузки, интенсивности и скорости изменения напряжения, вызванного тем или другим его видом. Известны такие виды нагрузки: кратковременная нагрузка статическими силами; одноразовая ударная; долговременная статическая; нагрузка повторно-действующими стати­ческими силами; нагрузка повторно-переменными (циклическими) сила­ми; нагрузка многократными ударами; нагрузка поверхности повтор­ными силами. Кратковременная нагрузка статическими силами может вызывать в металле, в зависимости от его свойств, или хрупкое, или пластическое разрушение. Этот вид нагрузки используется для определения механических характеристик стали: предела прочности и текучести, действительного сопротивления разрыва, относительного удлинения и относительного поперечного сужения.

Одноразовая ударная нагрузка при достаточной энергии удара приво­дит к разрушению металла. Этот вид нагрузки почти не встречается при эксплуатации, но широко используется для лабораторных испытаний — ударной вязкости и работы деформации. Долговременная статическая нагрузка может вызывать два вида разрушения в зависимости от свойств металла. В первом случае будет наблюдаться непрерывная, малая, медлен­но растущая деформация при постоянной нагрузке, которая приводит к относительно хрупкому разрушению, во втором — деформация практи­чески не наблюдается, но со временем может вызывать хрупкое разруше­ние. Разрушение в обеих случаях происходит при напряжениях, меньших от предела прочности, определенной при кратковременной статической нагрузке.

Первое явление имеет название ползучести металла, чаще всего оно наблюдается при повышенных температурах, но известны случаи пол­зучести мягкой стали, которая наблюдалась при минусовых температурах (-75 °С). Второе называют замедленным разрушением или статической усталостью металла.

Статическую усталость стали характеризует предел долговременной прочности или статической усталости, который равен напряжению, которое выдерживает металл при длительной нагрузке статическими силами.

Длительная нагрузка статическими силами в некоторых рабочих средах может вызывать коррозионное растрескивание или водородную статическую усталость при соответствующем действии коррозионной рабочей среды или среды, которая вызывает наводороживание стали. Корро­зионное растрескивание стали является одним из опасных видов повреж­дений оборудования. Коррозионное растрескивание характеризуется почти полным отсутствием пластичной деформации микрообъемов металла. Данный вид разрушения может быть причиной аварий и значительного материального ущерба. Особая опасность существует при эксплуатации оборудования, которое работает под высоким давлением (например, теплоэнергетическое, газоперерабатывающее) или в случае повышенных температур и использовании опасных химических веществ (кислот, щелочей). Понятно, к каким последствиям может привести коррозионное растрескивание напряженной арматуры при строительстве промышлен­ных и гражданских объектов. Например, коррозионное растрескивание в условиях влажной атмосферы было причиной разрушения «Серебряного» моста через речку Огайо в США 15 декабря 1967 г. Результат — погибло 46 человек и нанесен большой экономический ущерб государству.

Следует также особенно выделить опасность повреждения деталей транспортных средств (морских судов, самолетов). В газодобывающий промышленности при разведке и эксплуатации месторождений газа с повышенным содержимым сероводорода приходится встречаться с сульфидным растрескиванием сталей. Случаются хрупкие разрушения магистральных газовых трубопроводов.

Наибольшее количество случаев коррозионного растрескивания сталей отмечается в теплоэнергетике и, невзирая на обширные исследо­вания в этой области, в наше время значительное количество ядерных установок приходится переводить на более низкий режим эксплуатации или останавливать на ремонт через коррозионное растрескивание деталей с аустенитных сталей. Кроме этого наблюдаются случаи разрушений, достоверность которых не была установлена при профилактических осмотрах. Например, после четырех лет эксплуатации 19 сентября 1969 г. разрушилась паровая турбина «Хинклей пойнт А N5». Причиной аварии послужило коррозионное растрескивание металла в конденсате паров. Интересно, что коррозионное растрескивание вызывает разрушение оборудования не только из углеродистых, но и с високолегированных сталей. Также замечено коррозионное растрескивание магниевых сплавов, аустенитных нержавеющих сталей, титановых сплавов.

Актуальность проблемы удачно отмечена: «Повреждение аустенит­ных нержавеющих сталей наблюдалось на разнообразных изделиях — от кофейников до оборудования тяжелой индустрии».

В связи с тенденцией к повышению прочностных характеристик сталей и повышению рабочих параметров оборудования опасность коррозионного растрескивания металлов растет. Поэтому ознакомление с основами коррозионно-механических повреждений металла и методами их защиты необходимы для ряда специалистов, в первую очередь конструкторов.

Для наглядности можно сослаться на один из трагических случаев — железнодорожную катастрофу в США, которая произошла в результате коррозийного растрескивания литой рамы вагона. Разрушение рамы произошло вследствие попадания на нее солевого раствора. Результат — катастрофа железнодорожного состава с 23 изотермическими вагонами и ущерб в сто тысяч долларов. Это легко было предупредить изменением конструкции таким образом, чтобы предотвратить попадание солевого раствора на раму. Уже хрестоматийным, но достаточно поучительным являются случаи аварий в результате коррозионного растрескивания 25 паровых котлов, в течение 19 лет.

Коррозионное растрескивание, например, занимает, по данным двух­летних обследований причин поломок оборудования фирмы «Dupont», 21,6% в общем количестве зарегистрированных случаев коррозионных повреждений. В силу приведенных выше причин судьба коррозионного растрескивания в таких повреждениях растет, когда выбор материалов и конструирование оборудования, которое работает под действием агрессивных сред, не будет проводиться на соответствующем научно-техническом уровне.

Нагрузка повторно-переменными (циклическими) силами при напря­жениях, низших от предела текучести, вызывает явление так называемой усталости металлов. В этом случае может состояться внезапное макро­скопическое — хрупкое разрушение металла. Усталость металлов хара­ктеризует предел, т.е. напряжение, при котором металл уже не разру­шается от усталости.

Повторно-переменные циклические нагрузки при повышенных температурах также вызывают явление усталости металлов, при котором, аналогично к предыдущему случаю, происходит микроскопически-хрупкое внезапное разрушение.

Нагрузка повторно-переменными циклическими силами при одно­временном действии рабочей среды может вызывать явление адсорб­ционной, коррозионной или водородной усталости металла. Адсорб­ционная усталость наблюдается в поверхностно-активных средах, коррозионная — в коррозионно-агрессивных, водородная — при насы­щении металла водородом.

Усталость металла при действии коррозионной среды или водорода характеризует условный предел усталости, т.е. такое напряжение, при котором металл не разрушается от усталости в течение заданного времени или выдерживает без разрушения заданное число изменений нагрузок.

Интенсивное использование металлов в XIX ст. привело к тому, что число аварий и несчастных случаев достигло невероятных размеров. В течение десятилетия с 1860 по 1870 число людей, которые погибли в Великобритании во время железнодорожных катастроф было порядка двух сотен. Большинство несчастных случаев происходило из-за трещин в колесах, осях и рельсах.

С отчетов о несчастных случаях за последние 200 лет Андерсон составил интересную справку. Приведем некоторые выдержки: «19 марта 1830 около 700 людей собрались на висячем мосте, чтобы наблюдать за соревнованиями по гребле. В это время одна из основных цепей разо­шлась.., что привело к определенным человеческим жертвам»; «22 января 1866 г. провалилась часть крыши на железнодорожной станции в Ман-честери, что повлек за собой смерть людей. Это происшествие было вызвано разрушением отлитых с железа подставок...» «Водопровод высокого давления взорвался в Бостоне 3 января 1913 г. и затопил все вокруг.» «Наиболее значительным железнодорожным событием недели было 20 апреля (1887 г.); трое людей было убито и двое смертельно раненых через поломку соединительного бруса.»

С появлением сварных конструкций несчастные случаи участились. С 2500 кораблей типа «Либерти», построенных во время второй мировой войны, 245 разломались пополам и почти 700 потерпели серьезные разрушения. Подобная судьба судилась большинству мостов и других конструкций.

На многих сварных автодорожных мостах были замечены трещины, хотя материал, который использовался, отвечал нормативному качеству, и напряжение в момент разрушения, в основном, были значительно ниже допустимого уровня.

Разрушение часто происходили при непрерывном действии малых напряжений (несколько кораблей разрушились неожиданно, когда нахо­дились в гавани), что делало эти разрушения, еще более непонятными. В результате во многих странах были проведены развернутые исследо­вания, которые позволили установить, что в этих случаях ответственными за разрушение были концентраторы напряжений, и, до некоторой степени, внутренние напряжения.

Разрушение происходило так, будто материал конструкции был хрупким; оно сопровождалось очень малыми пластическими деформа­циями. Как выяснилось, хрупкое разрушение стали вызывалось низкими температурами и условиями, в которых возникает концентрация напря­жений, имеющие место в острой выемке или раковине. При этих условиях сталь может растрескиваться без заметных пластических деформаций.

Сейчас используются высокопрочные материалы. Эти материалы ча­сто используют там, где нужно уменьшить вес конструкции. Конструк­ции, выполненные с высокопрочных материалов, имеют только неболь­шой запас прочности. Это значит, что рабочие напряжения могут быть достаточными для образования трещины (чему может содействовать агрессивная среда), особенно когда в материале с самого начала есть большие концентрации напряжений и раковины. Высокопрочные мате­риалы обладают малой трещиностойкостью (вязкостью разрушения); остаточная прочность при наличии трещины низкая. Даже когда есть только маленькие трещины, конструкция, выполненная с высокопроч­ных материалов может разрушаться при напряжениях, меньших от максимального рабочего, на которое они были рассчитаны. Было отмечено, что большинство этих разрушений происходит после того, как конструкция поддавалась действию большого числа циклов нагрузок. Таким образом, инженеры встретились с явлением усталости металлов.

Наиболее характерной чертой усталостного разрушения является отсутствие деформации в зоне разрушения даже в таких материалах, как мягкие стали, которые являются высокопластичными при статическом разрушении. Это является опасной особенностью усталостного разру­шения, так как нет признаков, которые этому предшествуют. Усталостные трещины как правило, мелкие, и их тяжело заприметить, пока они не достигнут макроскопического размера, после чего быстро распро­страняются и вызывают полное разрушение за короткий промежуток времени.

Установлено, что около 90% всех деталей машин разрушаются в результате усталости металлов (В. X. Мюмзе).

При проектировании конструкций, которые несут повторные нагрузки, необходимо заранее определить число повторов и величину нагрузок. После этого на основании данных исследований и опыта проектирования конструктор может выбрать наиболее выгодную форму конструкции, включая все ее детали, и назначить размеры элементов и соединений конструкций, которые обеспечат прочность при заданных нагрузках.

Явления усталости нередко недооцениваются, иногда их не прини­мают во внимание при конструировании и расчетах. Это связано с опре­деленной инерцией мышления, наличием в многочисленных справоч­никах только статических свойств металла в технической литературе — начиная с учебных курсов и заканчивая пособиями по проектированию — на статические расчеты. Проблема усталости материалов — сложный и многоплановый процесс — требует дальнейших исследований и накопле­ния фактических данных для различных материалов в реальных усло­виях, усовершенствования испытательной техники и расчетных приемов. Точный расчет прочности конструкций в условиях усталости сопро­вождается большой трудностью через ограниченный объем данных, имею­щиеся в наличии. Тем не менее, исследование и сравнение данных лабора­торных исследований усталости и данных усталостных разрушений в эксплуатации показывают, что результаты лабораторных исследований могут быть очень полезны для ориентирования при выборе формы и разме­ров деталей конструкций.

При проектировании конструкции необходимо выбирать материалы и элементы конструкции с высоким сопротивлением усталости.

В конструкциях практически нужно отойти от использования дета­лей с концентраторами напряжений. Тем не менее, необходимо стремиться к тому, чтобы значительная концентрация напряжений в деталях кон­струкций по силе возможности не имела места. При невыполнении этого условия сопротивление конструкции усталости может быть неудовле­творительным, невзирая на использование материала с высокой выно­сливостью.

Конструктор должен задавать размеры и форму сварных соединений, не рассчитывая на то, что это сделает технолог-изготовитель. Тем не менее, изготовитель конструкции должен понимать, что концентрация напря­жений значительно влияет на поведение конструкции, которая работает на усталость. При изготовлении конструкции нельзя допускать острых надрезов, трещин и других дефектов, которые могут служить исходными точками развития усталостных трещин.

Нагрузка переменнодействующими статическими силами, которые вызывают напряжение выше предела текучести, приводит к своеобразному виду усталости материалов, названной малоцикловой или пластической усталостью, поскольку весь процесс происходит в упруго-пластической зоне. Разрушение металла в этом случае проходит после сравнительно небольшого количества нагрузок. Оно характеризуется заметными следами пластической деформации, особенно на участке окончательного разрушения.

Повторная пластическая нагрузка характеризуется локализацией деформации в опасном сечении; только там происходит разрушение и деформация, в то время как остальной металл деформации не подлежит. Этот вид нагрузки наблюдается при так называемых технологических пробах на перегиб и закручивание, а также при работе некоторых деталей машин в условиях одноразовых высоких перегрузок. Например стати­ческими переменными силами подвержены шасси самолетов, стенки корпусов подлодок и тому подобное. В новой технике этот вид нагрузки будет очень распространенным потому, что для многих деталей машин, срок службы сильно ограничен, и поэтому возможная их перегрузка выше предела текучести.

Исследования на малоцикловую усталость проводят преимущест­венно при заданных уровнях пластической деформации, а результаты на­носят на диаграммы в координатах уровней пластической деформации — число циклов или время.

Для повышения сопротивления малоцикловой усталости конструк­ционных материалов, в агрессивных средах авторами был проведен целый комплекс исследований. Изучали металлургические методы (рафинирую­щие обработки), технологические (упрочняющие обработки), антикорро­зионные покрытия и тому подобное. Основные результаты этих исследо­ваний приведены в работах:

Пистун И.П. и др. Влияние вибрационной обработки на повышение сопротивления высокопрочной стали воздействию водорода. — Защита металлов, 1976, № 5, с. 619—620; Михеев А. А., Пистун И. П. и др. Влияние плакирования на коррозионную выносливость высокопрочной стали. — Защита металлов, 1976, № 6, с. 696—697; Карпенко Г. В., Пистун И. П. и др. Существенное уменьшение опасного воздействия водорода в сталей, упрочненной ударной волной. — ДАН СССР, 1976, т. 230, № 2, с.392—394; Пистун И. П. Куслицкий А. Б. и др. Влияние качества поверхностного слоя на МЦУ конструкционных сталей в рабочих средах. — Проблемы прочности, 1977, № 9, с. 58—60; Пистун И. П. и др. Влияние давления ударной волны на МЦУ стали. — Металловедение и термическая обработка металлов. 1977, № 12, с. 45—46; Пистун И. П., Куслицкий А.Б. Исследование совместного влияния металлургической технологии и механической обработки на МЦУ сталей. — ФХММ, 1979, № 1, с. 87—88; Катков И. Н., Пистун И. П. и др. Влияние алюминиевых металлизационных покрытий на коррозионную усталость стали. — Защита металлов, 1983, № 4 с. 596—598; Пистун И. П., Березовецкий А. П. Влияние жидких консервантов кормов на циклическую проч­ность стали. — Тракторы и сельхозмашины, 1985, № 6, с. 10—11; Пи-стун И. П. и др. Циклическая прочность стали, упрочненной взрывом, в консервантах кормов. — Защита металлов, 1986, № 1, с. 142—144; Пистун И. П., Березовецкий А. П. Малоцикловая усталость стали 35 в среде органических удобренный. — Защита металлов, 1990, т. 26, с. 137—138. и другие.

Нагрузка многократными ударами вызывает так называемую удар­ную усталость, которая занимает промежуточное место между обычной усталостью и явлением, вызванным одноразовым разрушительным ударом.

При ударной усталости наблюдается макроскопическое хрупкое разрушение, которое мало отличается от разрушения при обычной уста­лости. Этот вид нагрузки часто встречается в таких деталях, как клапаны, бойки ударника, кулачки и тому подобное.

Ударную усталость характеризует предел ударной усталости, ниже от предела усталости при циклической нагрузке на 20—25%, коэффи­циенты же концентрации напряжений могут быть на 50% выше для ударной усталости, чем для обычной.

Нагрузка поверхности повторными силами, вызывающая местные контакты напряжения, широко наблюдается при работе шарико- и роли­коподшипников, зубчатых колес и многих других деталей. Она характе­ризуется локальностью действия напряжений.

При этом виде нагрузки может наступить локальная контактная усталость материала, которая вызывает выкрошивание металла, так называемого оспообразного изнашивание или питтинг. При этом виде нагрузка может наблюдаться также и в отслаивание небольшой чешуи металла — лущение. Контактно-усталостное разрушение чаще всего наблюдается в закаленных и низкоотпущенных сталях.

Дата добавления: 2014-12-29