Виды механического разрушения

7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА РАЗРУШЕНИЯ

Вид разрушения можно определить как физический процесс или несколько взаимосвязанных между собой процессов, приводящих к разрушению.

Классификация всех возможных видов разрушения. Эта система основана на учете трех факторов: (1) характера разру­шения, (2) причин разрушения и (3) места разрушения. Подробно эти факторы определяются ниже. Каждый отдельный вид разру­шения характеризуется тем, как проявляется разрушение, что его вызывает и где оно происходит. Используя различные комбинации этих факторов, можно указать буквально сотни видов разрушения. Чтобы подробнее пояснить суть этой системы классификации, рас­кроем содержание каждого из этих трех факторов.

По характеру разрушения можно выделить четыре класса (при­чем некоторые из них могут состоять из подклассов):

1.Упругая деформация.

2.Пластическая деформация.

3.Разрыв, или разделение на части.

4.Изменение материала: (А) металлургическое; (В) химическое; (C) ядерное.

По причинам разрушения можно определить четыре класса:

1.Нагрузки: (А) установившиеся; (В) неустановившиеся; (С) циклические; (D) случайные.

2.Время процесса: (А) очень малое; (В) малое; (С) продолжи­тельное.

3.Температуры: (А) низкие; (В) комнатные; (С) повышенные; (D) установившиеся; (Е) неустановившиеся; (F) циклические; (G) случайные.

4.Воздействия окружающей среды: (А) химические; (В) ядерные.

По месту разрушения существует два типа разрушения: (А) объемное; (В) поверхностное.

Для точного описания какого-либо вида разрушения необходи­мо выбрать характеристики процесса из указанного перечня, не упуская из виду ни одного из трех основных факторов. Например, для описания разрушения в качестве характерного проявления можно выбрать пластическую деформацию, в качестве причин — установившуюся нагрузку и комнатную температуру, а в качест­ве типа — объемный тип разрушения. Таким образом, указанный вид разрушения можно определить как объемное пластическое де­формирование под действием установившейся нагрузки при ком­натной температуре. Такой вид разрушения обычно называется течением. Отметим, однако, что термин течение обычно определяет не только указанный вид разрушения: этот термин имеет более общий смысл.

Используя перечисленные классы и подклассы трех основных факторов, определяющих вид разрушения, можно дать определе­ние многих других видов разрушения. Приведенный перечень ха­рактеристик процесса разрушения нуждается в дополнительном пояснении и конкретизации, особенно применительно к наиболее опасным видам разрушения.

7.2. НАБЛЮДАЕМЫЕ ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ

В приведенном перечне содержатся все обычно на­блюдаемые виды механического разрушения.

1. Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и (или) температуры.

2.Текучесть.

3.Бринелирование.

4.Вязкое разрушение.

5.Хрупкое разрушение.

6.Усталость: (А) многоцикловая; (В) малоцикловая; (С) терми­ческая; (D) поверхностная; (Е) ударная; (F) коррозионная; (G) фреттинг-усталость.

7.Коррозия: (А) химическая; (В) электрохимическая; (С) ще­левая; (D) точечная (питтинговая); (Е) межкристаллическая; (F) избирательное выщелачивание; (G) эрозионная; (Н) кавитационная; (I) водородное повреждение; (J) биологическая; (К) коррозия под напряжением.

8.Износ: (А) адгезионный; (В) абразивный; (С) коррозионный; (D) поверхностный усталостный; (Е) деформационный; (F) ударный; (G) фреттинг-износ.

9.Разрушения при ударе: (А) разрыв при ударе; (В) деформи­рование при ударе; (С) ударный износ; (D) ударный фреттинг; (Е) усталость при ударе.

10. Фреттинг: (А) фреттинг-усталость; (В) фреттинг-износ; (С) фреттинг-коррозия.

11. Ползучесть.

12.Термическая релаксация.

13.Разрыв при кратковременной ползучести.

14.Тепловой удар.

15.Заедание и схватывание.

16.Откол.

17.Радиационное повреждение.

18.Выпучивание.

19.Выпучивание при ползучести.

20.Коррозия под напряжением.

21.Коррозионный износ.

22.Коррозионная усталость.

23.Ползучесть с усталостью.

7.3. КРАТКАЯ СВОДКА ВИДОВ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и (или) температур. Этот вид разрушения имеет место, когда уп­ругая (обратимая) деформация элемента, возникающая при дейст­вии эксплуатационных нагрузок и температур, становится настоль­ко большой, что элемент утрачивает способность выполнять пред­назначенную ему функцию.

Текучесть имеет место, когда пластическая (необратимая) де­формация пластичного элемента, возникающая при действии экс­плуатационных нагрузок, становится настолько большой, что эле­мент утрачивает способность выполнять предназначенные ему функции.

Бринелирование, или разрушение вдавливанием, происходит, когда статические усилия в месте контакта криволинейных поверх­ностей приводят к появлению локальных пластических деформаций у одного или у обоих соприкасающихся элементов, в результате чего происходит необратимое изменение формы поверхности. На­пример, если шарикоподшипник статически нагружен так, что ша­рик вдавливается в обойму, пластически деформируя ее, то по­верхность обоймы становится волнистой. При дальнейшем исполь­зовании подшипника могут возникнуть недопустимые вибрации, шум и перегрев, т. е. налицо его разрушение.

Вязкое разрушение наблюдается, когда пластическая деформа­ция пластичного элемента достигает такой величины, что он разделяется на две части. Разрушение происходит в результате про­цесса зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения при этом гладкая и волнистая.

Хрупкое разрушение происходит, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся тре­щины быстро распространяются до полного разрушения; поверх­ность разрушения при этом неровная, зернистая.

Термин усталость применяется для обозначения разрушения в виде неожиданного внезапного разделения детали или элемента машины на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок или деформаций. Раз­рушение происходит путем зарождения и распространения трещи­ны, которая после достижения некоторого критического размера становится неустойчивой и быстро увеличивается, вызывая разру­шение. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Когда величины нагрузок и перемещений таковы, что разрушение происходит более чем через 10 000 циклов, явление обычно называется многоцикловой устало­стью. Когда же величины нагрузок и перемещений таковы, что разрушение происходит менее чем через 10 000 циклов, явление называется малоцикловой усталостью.

Когда циклические нагрузки и деформации возникают в дета­ли в результате действия циклически меняющегося температурно­го поля, явление обычно называется термической усталостью. Разрушение, называемое поверхностной усталостью, обычно про­исходит при наличии вращающихся контактирующих поверхнос­тей. Проявляется оно в виде питтинга, растрескивания и выкра­шивания контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине у поверхности возникают максимальные по величине цик­лические касательные напряжения. Эти напряжения приводят к возникновению трещин, которые выходят на поверхность, при этом некоторые частицы материала отделяются. Это явление часто считается разновидностью износа. Ударная усталость, коррозион­ная усталость и фреттинг-усталость будут описаны ниже.

Коррозия — термин, используемый для обозначения широкого класса видов разрушения, при которых деталь или элемент машины утрачивает способность исполнять свою функцию из-за нежела­тельной порчи материала в результате химического или электро­химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионное разрушение часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, такими, как износ или усталость. Среди многих типов коррозии отметим следующие. Химическая коррозия представляет собой, по-видимому, наиболее общий тип коррозии вследствие не­посредственного контакта поверхности детали с коррозионной сре­дой. Химическая коррозия происходит более или менее равномерно по всей открытой поверхности детали. Электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют часть элект­рической цепи, замыкаемой раствором или пленкой электролита или коррозионной средой.

Щелевая коррозия — в значительной степени локализованный быстропротекающий процесс в щелях, трещинах или стыках, т. е. в местах, где задерживаются малые количества раствора, соприка­сающегося с корродирующим металлом. Точечная (питтинговая) коррозия представляет собой локализованные воздействия, в ре­зультате которых происходит образование углублений и ямок на поверхности металла. Межкристаллическая коррозия характери­зуется локальными воздействиями на границах зерен некоторых медных, хромовых, никелевых, алюминиевых, магниевых и цинко­вых сплавов после неправильной термообработки или сварки. Об­разование локальных гальванических ячеек, в которых осажда­ются продукты коррозии, приводит к существенному снижению прочности материала в результате межкристаллической корро­зии.

Избирательное выщелачивание представляет собой коррозион­ный процесс, в результате которого из сплава удаляется какой-либо элемент. Примерами могут служить процессы обесцинкования латуни и графитизации чугуна. Эрозионная коррозия — это быст­ропротекающий химический процесс, при котором в результате воздействия абразивных веществ или потоков вязких материалов на поверхности материала постоянно в месте контакта с коррози­онной средой обнажается свежий незащищенный материал. Кави­тационная коррозия наблюдается, когда под влиянием давления пара пузырьки и каверны в жидкости лопаются у поверхности сосуда давления, в результате чего удаляются частицы материала и открывается доступ коррозионной среде к свежему, незащищен­ному материалу.

Водородное повреждение, хотя само и не является какой-либо разновидностью коррозии, вызывается ею. К этому виду поврежде­ния относятся насыщение водородом, водородное охрупчивание и обезуглероживание. Биологическая коррозия представляет собой процесс коррозии вследствие активности живых организмов, а именно процессов поглощения ими пищи и выделения отходов. Отходами являются вызывающие коррозию кислоты и гидроокиси. Коррозия под напряжением — очень важная разновидность корро­зии.

Износ является нежелательным процессом постепенного изме­нения размеров вследствие удаления отдельных частиц с контак­тирующих поверхностей при их движении, обычно скользящем, относительно друг друга. Износ является в основном результатом механического действия. Это сложный процесс, точнее даже ряд различных процессов, которые могут протекать как независимо, так и взаимосвязано. Результатом этих процессов является удале­ние материала с контактирующих поверхностей вследствие слож­ного взаимодействия локальных сдвигов, вдавливаний, сваривания материала, разрывов и других механизмов.

Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, сваривания между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникаю­щей при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаления или переноса металла. При абразивном износе частицы удаляются с поверхности в результате режущего или царапающего действия неровностей более твердой из контактирующих поверхностей или твердых частиц, задержав­шихся между поверхностями. Когда одновременно возникают усло­вия как для адгезионного, так и для абразивного износа и корро­зии, эти процессы взаимодействуют между собой, и происходит кор­розионный износ.

Поверхностный усталостный износ представляет собой изнаши­вание вращающихся или скользящих относительно друг друга кри­волинейных поверхностей. При этом в результате действия цикли­ческих касательных напряжений на небольшой глубине у поверх­ности возникают микротрещины, выходящие на поверхность, отка­лываются макрочастицы материала и на поверхности образуются ямки. Деформационный износ происходит в результате повторного пластического деформирования изнашиваемых поверхностей, при­водящего к образованию сетки трещин, при росте и объединении которых образуются частицы износа. Деформационный износ часто наблюдается при действии ударных нагрузок. Ударный износ имеет место при повторном упругом деформировании в процессе действия ударных нагрузок, образовании сетки трещин, которые растут так же, как при поверхностной усталости. Фреттинг-износ описан ниже.

Разрушение при ударе происходит, когда в результате действия неустановившихся нагрузок в детали возникают такие напряжения или деформации, что деталь уже не в состоянии выполнить предназ­наченную ей функцию. Разрушение происходит в результате взаи­модействия волн напряжений и деформаций, являющихся следст­вием динамического или внезапного приложения нагрузок. Взаи­модействие волн может приводить к возникновению локальных напряжений и деформаций, во много раз превышающих возни­кающие при статическом приложении тех же самых нагрузок. Если величины напряжений и деформаций таковы, что происходит разделение детали на две или более частей, то налицо разрыв при ударе. Если удар приводит к возникновению недопустимых упру­гих или пластических деформаций, такое разрушение называется деформированием при ударе. Если при повторных ударах возникают циклические упругие деформации, в результате чего появляется сетка усталостных трещин, при росте которых наблюдается описан­ное ранее явление поверхностной усталости, то процесс называется ударным износом.

Если в результате малых относительных поперечных смещений двух поверхностей при ударе, которые могут вызываться попереч­ными деформациями или действием случайных малых боковых составляющих скоростей, происходит фреттинг (подробнее это яв­ление будет описано ниже), то разрушение называется ударным фреттингом. Усталость при ударе наблюдается, когда разруше­ние происходит при повторном действии ударных нагрузок вследст­вие образования и распространения усталостных трещин.

Фреттинг может происходить на поверхности контакта двух твердых тел, прижатых друг к другу нормальной силой и совер­шающих относительно друг друга циклические движения малой амплитуды. Фреттинг обычно имеет место в местах соединений, там, где движения не должно быть, но в результате действия вибра­ционных нагрузок или деформаций незначительные циклические смещения все-таки есть. Обычно отколовшиеся при фреттинге час­тицы материала задерживаются между контактирующими поверх­ностями, поскольку относительные смещения их малы.

Фреттинг-усталость представляет собой преждевременное ус­талостное разрушение детали машины, на которую действуют цик­лические нагрузки или деформации в условиях, способствующих фреттингу. Поверхностные повреждения и микротрещины, появ­ляющиеся в результате фреттинга, играют роль зародышей уста­лостных трещин, в результате роста которых усталостное разруше­ние происходит при таких нагрузках, которые в других условиях не вызывали бы разрушения. Фреттинг-усталость — очень опасный и коварный вид разрушения, поскольку фреттинг обычно происхо­дит в местах соединений, не доступных для наблюдения, и приво­дит к преждевременному или даже неожиданному (внезапному) катастрофическому усталостному разрушению.

Фреттинг-износ наблюдается, когда изменения размеров кон­тактирующих деталей в результате фреттинга становятся недопус­тимо большими или такими, что появляются концентраторы на­пряжений и локальные напряжения превышают допустимый уро­вень. Фреттинг-коррозия происходит, когда в результате фреттин­га свойства материала детали ухудшаются настолько, что она не может выполнять своих функций.

Разрушение в результате ползучести происходит, когда пласти­ческая деформация элемента машины или конструкции, накоплен­ная в течение некоторого времени действия напряжений и темпе­ратуры, приводит к изменениям размеров, вследствие которых элемент не может удовлетворительно выполнять предназначенную ему функцию. Процесс ползучести, как правило, можно разделить на три стадии: (1) неустановившуюся, или первичную, ползучесть, во время которой скорость деформации уменьшается; (2) установив­шуюся, или вторичную, ползучесть, во время которой скорость деформации практически постоянна, и (3) третичную ползучесть, при которой скорость деформации ползучести увеличивается (час­то довольно быстро) вплоть до разрушения. Такой вид разрушения часто называется разрывом при ползучести. Произойдет или нет такое разрушение — зависит от характера изменения во времени напряжений и температуры.

Термическая релаксация наблюдается, когда в процессе ползу­чести, приводящей к релаксации предварительно напряженной или деформированной детали, ее размеры изменяются так, что де­таль уже не может выполнять предназначенной ей функции. На­пример, если предварительно напряженные болты сосуда давления, работающего в условиях высоких температур, релаксируют вследст­вие ползучести так, что нагрузка от максимального давления пре­вышает предварительную нагрузку и герметичность соединения нарушается, говорят, что болты разрушаются вследствие термиче­ской релаксации.

Разрыв при кратковременной ползучести тесно связан с процес­сом ползучести, однако при этом зависимость напряжений и темпе­ратуры от времени такова, что элемент разделяется на две части. При этом напряжения и температура, как правило, таковы, что период установившейся ползучести очень непродолжителен или совсем отсутствует.

Тепловой удар происходит, когда градиенты возникающего в детали температурного поля настолько велики, что вследствие пере­падов температурных деформаций начинается текучесть или разру­шение.

Заедание наблюдается в случае, когда на две скользящие друг по другу поверхности действуют такие нагрузки и температуры, а скорость скольжения, смазка и условия окружающей среды тако­вы, что в результате значительной пластической деформации шеро­ховатостей поверхностей, их сваривания, отламывания и царапаю­щего действия происходит существенная деструкция поверхности и перенос металла с одной поверхности на другую. Заедание можно считать очень интенсивным процессом адгезионного износа. Когда указанные процессы приводят к значительному ослаблению сое­динения или, наоборот, к схватыванию, говорят, что соединение разрушается в результате заедания. Схватывание является, по существу, интенсивным процессом заедания, при котором контак­тирующие детали практически свариваются и их относительное перемещение становится невозможным.

Разрушение отколом происходит, когда от поверхности детали самопроизвольно отделяется часть материала, в результате чего нормальная работоспособность элемента машины утрачивается. На­пример, бронеплита разрушается в результате откола, когда при ударе снаряда о наружную поверхность бронезащиты в плите возникают волны напряжений, приводящие к отколу с внутренней стороны части материала, которая сама становится смертоносным снарядом. Другим примером разрушения отколом может служить разрушение подшипников качения или зубьев шестерен вследствие описанного ранее явления поверхностной усталости.

Разрушение вследствие радиационного повреждения означает, что при радиационном облучении произошли такие изменения свойств материала, что деталь уже не может выполнить своих функ­ций. Обычно эти изменения связаны с потерей пластичности в ре­зультате облучения и служат причиной начала процесса разруше­ния того или иного вида. Эластомеры и полимеры обычно более подвержены радиационному повреждению, чем металлы, причем прочностные характеристики последних после радиационного об­лучения иногда улучшаются, хотя пластичность, как правило, уменьшается.

Разрушение выпучиванием наблюдается, когда при некоторой критической комбинации величины и (или) места приложения на­грузки, а также формы и размеров детали ее перемещения или про­гибы внезапно резко увеличиваются при малом изменении нагруз­ки. Такое нелинейное поведение приводит к разрушению выпучива­нием, если потерявшая устойчивость деталь уже не может выпол­нять своих функций.

Разрушение вследствие выпучивания при ползучести происхо­дит, когда по истечении некоторого времени в результате процесса ползучести возникает неустойчивое состояние, т. е. нагрузки и геометрические параметры детали становятся такими, что теряется устойчивость и происходит разрушение.

Разрушение в результате коррозии под напряжением наблюда­ется, когда действующие напряжения приводят к возникновению локальных поверхностных трещин, располагающихся обычно вдоль границ зерен, в детали, находящейся в коррозионной среде. Часто образование трещин инициирует начало процессов разрушения других видов. Разрушение в результате коррозии под напряжением представляет собой очень опасный вид коррозионного разрушения, поскольку ему подвержены многие металлы. Например, разнооб­разные чугуны, стали, нержавеющие стали, медные и алюминиевые сплавы подвержены коррозионному растрескиванию под напряже­нием в некоторых коррозионных средах.

Разрушение вследствие коррозионного износа является сложным видом разрушения, при котором неблагоприятные последствия коррозии и износа приводят совместно к потере работоспособности детали. В процессе коррозии часто образуются твердые абразивные частицы, которые ускоряют изнашивание, а в процессе изнашива­ния в свою очередь с поверхности постоянно удаляются защитные слои и обнажается свежий металл, что ускоряет коррозию. Взаимное влияние этих процессов друг на друга существенно повышает опас­ность разрушения.

Коррозионная усталость представляет собой сложный вид раз­рушения, при котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и усталости, приводящие к разрушению. В про­цессе коррозии на поверхности металла часто образуются ямки, служащие концентраторами напряжений. В результате концентра­ции напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того, трещины в хрупком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных трещин, распространяющихся в основ­ной металл. С другой стороны, в результате действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и от­слаивание продуктов коррозии, т. е. открывается доступ коррози­онной среде к свежему металлу. Таким образом, оба процесса уско­ряют друг друга, и опасность разрушения может быть очень боль­шой.

Разрушение вследствие ползучести с усталостью является видом разрушения, происходящего в условиях, вызывающих одновремен­но и усталость, и ползучесть.

8. УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Стойкость металлов против усталостного разрушения является одним из важных факторов, влияющих на надежность и долго­вечность машин. Явление усталостного разрушения деталей свя­зано с пластической деформацией, при которой происходит реали­зация различных механизмов взаимодействия дислокаций, скоп­ление вакансий и зарождение усталостной трещины.

В этом сложном процессе большую роль играют адсорбция, диффузии, коррозия. Процесс усталостного разрушения услож­няется при одновременном циклическом нагружении и нагружении трением в условиях воздействия внешней газовой и жидкой сред. В таких условиях работает большинство деталей машин.

Установлено, что многократное приложение нагрузок вызывает разрушение деталей машин и элементов конструкций при напря­жениях, значительно меньших, чем в случае однократного их нагружения. При большом числе повторных нагружении напряжения, при которых происходит разрушение, могут быть ниже не только предела прочности и предела текучести, но и предела упругости. Это явление было названо усталостью металлов.

Внешним проявлением усталости металлов является возникно­вение и распространение при многократных нагрузках характер­ного вида трещин на поверхности изделий в тех местах, где имеют­ся следы обработки инструментом, переходы от одного сечения к дру­гому или другие концентраторы напряжений. Трещины усталости появляются не сразу, а постепенно. Сначала в металле накаплива­ются необратимые изменения, приводящие к возникновению микро­скопических трещин, а затем происходит постепенное увеличение и углубление их внутрь изделия по его сечению, пока ослабление последнего не приводит к завершающему хрупкому разрушению металла.

Многолетние исследования усталостных повреждений позволили сделать вывод, что усталость охватывает две значительно отличаю­щиеся друг от друга области циклического нагружения и дефор­мирования, в каждой из которых разрушение является следствием действия различных физических механизмов. Одна из этих областей — циклическое нагружение, при котором во вре­мя каждого цикла возникают значительные пластические деформа­ции. Эта область характеризуется большими по величине нагрузками и малыми долговечностями, т. е. небольшим числом циклов до усталостного разрушения. Обычно эта область называется малоцикловой усталостью.

Другая область — циклическое нагружение, при котором дефор­мация во время каждого цикла в значительной степени упруга. Для этой области характерны малые нагрузки и большие долговеч­ности, т. е. большое число циклов до разрушения. Эта область обыч­но называется многоцикловой усталостью. Малоцикловая усталость обычно ассоциируется с областью, для которой число циклов до разрушения не превышает 10⁴—10⁵, а многоцикловая усталость с областью, которая характеризуется долговечностью более 10⁴ — 10⁵ циклов.

Повторно-переменные нагружения по своему характеру могут быть разнообразными. Различают следующие виды циклов напря­жения: знакопеременный симметричный цикл, знакопеременный асимметричный, пульсирующий, знакопостоянный (рис. 15). Цикл напряжений характеризуется максимальным напряжением σ_mах, минимальным σ_min, амплитудой, средним напряжением и коэффициентом асимметрии цикла .

Принимая, что напря­жения растяжения положительны, а сжатия— отрицательны, каждый из представленных на рис. 15 видов циклов, напряжений можно опи­сать, используя эти ос­новные параметры. Так, например, знакопере­менный симметричный цикл описывается следующим образом:

Основным критерием, характеризующим сопротивление метал­ла усталостному разрушению, является предел выносливости (пре­дел усталости), который для знакопеременного симметричного цик­ла обозначается σ_-1.

Под пределом выносливости при данном R подразумевается то наибольшее напряжение цикла σ_mах, которое может выдержать металл образца без разрушения от усталости при неограниченном числе циклов нагрузки.

При испытаниях обычно принимают заданное число перемен нагрузки (база), которое не должно вызывать усталостного разру­шения. Базу устанавливают в зависимости от программы испытаний и служебного назначения испытуемого металла.

Вторым критерием, которым можно характеризовать стой­кость металла против усталости, является долговечность. Долго­вечность N — это число циклов напряжения, при котором проис­ходит разрушение в данных условиях испытания. Испытание на выносливость заключается в установлении зависимости σ_mах от соответствующей долговечности N. Кривую выносливости (долговечности) строят по данным, полученным при испытаниях.

Существует несколько способов построения кривых выносливости (долговечности). Чаще всего их строят в координатах σ_mах— lgN и σ_mах—N.

В настоящее время в литературе описано много методов усталостных испытаний, которые используют для построения кривых выносливости.

Методика усталостных испытаний включается в следующем. Из испытуемого металла изготавливают серию стандартных образцов (10—12 штук), которые подвергают испытанию на специальных машинах. Величину напряжения и число нагружений, при которых ломаются образ­цы, наносят на координатную систему с осями напряжение а — число цик­лов нагружений N. При испытании последующего образца напряжение уменьшают. В результате многократ­ного повторения испытаний образует­ся система точек, соединив которые получают кривую выносливости.

Рис. 16. Диаграмма выносли­вости (долговечности) стали: 1 — кривая выносливости (долговечности); 2— кри­вая повреждаемости.

При испытании на выносливость, как правило, наблюдается рачительный разброс точек, поэтому необходимо проводить испы­тания большого числа образцов. Как видно из рис. 16, кривая выносливости 1 асимптотически приближается к горизонтальной пинии, соответствующей уровню напряжения, равному пределу зыносливости σ_R.

Отношение (— напряжение при числе циклов N) называется коэффициентом циклической перегрузки детали. Этот коэффициент характеризует перегрузку детали при усталостном разрушении.

Для стали кривая выносливости, полученная при испытании в сухом воздухе, приблизительно после 1—2 млн. циклов нагруже­ний становится почти горизонтальной, т. е. коэффициент К₀ при­ближается к 1. Поэтому при определении предела выносливости обычно ограничиваются 6—10 млн. циклов нагружений.

Кривые выносливости цветных металлов медленно приближают­ся к горизонтальному участку, поэтому нельзя определить их ис­тинный предел выносливости. За условный предел выносливости в этих случаях принимают то циклическое напряжение, которое выдерживает образец, не разрушаясь при условном числе циклов N, обычно равном (50...100) 10⁶. Кривая повреждаемости 2 показывает связь между числом циклов и напряжениями, при которых разру­шения металла еще нет, но уже происходят необратимые измене­ния его свойств и появляются первые усталостные трещины.

Усталостный излом имеет две резко отличных друг от друга зоны. Первая — чрезвычайно мелкозернистая (фарфоровидная), имеющая гладкую, как бы притертую поверхность и характерные концентрические линии,— является зоной постепенного разруше­ния от усталости. Вторая зона, имеющая обычное кристаллическое строение и напоминающая хрупкий излом при статическом разруше­нии, является зоной мгновенного заключительного разрушения. Чаще всего образование очагов разрушения начинается с поверх­ности циклически нагруженной детали.

8.1. Влияние внешних механических воздействий на усталость

Результаты исследования процесса выносливости металла в воз­духе показали, что предел выносливости практически не зависит от закона изменения напряжений в течение одного цикла и частоты изменения циклов до 1000 Гц. В основном на предел выносливости оказывает влияние вид напряженного состояния, величина и знак максимального и минимального нагружении и степень асимметрии цикла.

Влияние асимметрии цикла характеризуется диаграммой пре­дельных напряжений (полной диаграммой выносливости). Одним из видов такой диаграммы в координатах — максимальное и среднее напряжение цикла — представлен на рис. 17. При построении диаграммы масштабы для напряжений по обеим осям взяты одина­ковыми. Линия ОК, проходящая через начало координат под уг­лом 45°, указывает на постоянство во времени напряжения σ_mах и в то же время является нулевой линией для амплитуд напряжений σ_а. Точка С на этой прямой соответствует пределу прочности матери­ала σ_в, а точка К - пределу текучести σ_T.

Для построения полной диаграммы выносливости при опреде­ленном виде напряженного состояния экспериментально находят его пределы выносливости σ_R при различной степени несимметрич­ности цикла. Кривые АС и ВС, проведенные по экспериментальным точкам, отвечают изменению соответственно наибольшего σ_mах и наи­меньшего σ_min напряжений цикла выносливости, т. е. являются гра­ницами циклической прочности.

Очевидно, что только часть предельных напряжений этой диа­граммы будет иметь практическое значение, так как максимальные напряжения выше предела текучести будут вызывать недопустимые пластические деформации. Поэтому для получения реальной диа­граммы через точку К проводят две прямые: горизонтальную KL, ограничивающую максимальные напряжения циклов пределом те­кучести, и прямую КМ, образовавшуюся при отложении амплитуд напряжений σ_а вниз от линии ОС. Область, заключенная внутри ломаной кривой ADLKMEB,— область сочетания безопасных пе­ременных σ_а и постоянных σ_m напряжений асимметричного цикла.

Точки А и В соответствуют пределу выносливости при сим­метричном цикле. В этом случае σ_m = 0; σ_mах = — σ_min; σ_R = σ_mах = σ_-1. Точка D соответ­ствует пределу выносливости пульсирующего цикла растяже­ния, который характеризуется следующими параметрами: σ_min = 0, σ_а = σ_m = σ_mах/2, σ_R= σ_mах= σ₀. Точки L и М соответствуют знакопостоянному асимметрично­му циклу растяжения (σ_m >0; R >0).

Анализ диаграммы предель­ных напряжений показывает, что при σ_m > 0 с увеличением асим­метрии цикла предельные напря­жения выносливости увеличива­ются (σ_R = σ_mах), хотя величина амплитуды σ_а с увеличением среднего напряжения σ_m умень­шается. Наименьший предел вы­носливости наблюдается при симметричном цикле (R = —1).

Рис. 17. Диаграмма предельных на­пряжений при асимметричном цикле для конструкционной стали при растяжении-сжатии

Это обстоятельство указывает на то, что для повышения предела выносливости большое значение имеет сочетание переменной и ста­тической напряженности. У металла, находящегося в хрупком со­стоянии, статическая составляющая позволяет увеличить сопротив­ление выносливости в области статического сжатия, что широко используется в технологии поверхностного упрочнения деталей машин.

Результаты исследований показали, что на усталостную прочность большое влияние оказывает форма и размеры детали, поэтому сведения о пределе выносливости материала, полученные при испытании цилиндрических гладких образцов, еще недостаточны для заключения о сопротивлении детали усталости в условиях эксплуатации.

Форма детали в первую очередь обусловливает возможность существования мест с концентраторами напряжений в результате конструкции детали и особенности технологии ее изготовления. Концентраторы напряжения снижают выносливость с интенсивно­стью, которая определяется максимальными напряжениями, гра­диентом их распределения по сечению, а также структурной неод­нородностью металла. Различные материалы не оди­наково чувствительны к концентрации напряжений. Чугун, не­ржавеющая сталь, многие цветные металлы и мягкие пластичные стали мало чувствительны к концентрации напряжений. Наиболее чувствительными являются закаленные стали, причем чувствитель­ность их возрастает с увеличением предела прочности. Мелкозер­нистая сталь более чувствительна к концентрации напряжений, чем крупнозернистая, хотя первая обычно имеет большую вынос­ливость, чем вторая. С увеличением абсолютных размеров детали ее усталостная прочность снижается, особенно резко это проявля­ется у закаленных сталей при наличии концентратов напряжений.

Сопротивление усталости также связано с влиянием металлур­гических факторов и технологии изготовления деталей. Оно умень­шается с увеличением загрязненности металла неметаллическими включениями, неравномерности распределения легирующих эле­ментов и укрупнением зерен металла, с появлений закалочных трещин, дефектов прокатки или ковки, при скоплении свободных карбидов, особенно по границам зерен, обезуглероживании поверх­ности. Однако практика показывает, что в большинстве случаев разрушение от усталости является результатом дефектов, допу­щенных при обработке поверхности деталей. К ним надо отнести некачественную механическую обработку, вызывающую появление трещин, рваных мест, прерывистость наклепанного слоя, шлифо­вочных ожогов, остаточных напряжений растяжения и т. п.

Изучение влияния вида напряженного состояния на выносли­вость стали позволило установить для симметрических циклов нагружения определенное соотношение между пределами усталости при изгибе σ_-1 кручении τ_-1, и растяжении—сжатии (σ_-1)_p для гладких образцов:

.

Меньшая выносливость стали при растяжении—сжатии объяс­няется тем, что в этом случае все сечение детали оказывается в на­пряженном состоянии и возможность проявления слабых мест больше, чем при изгибе.

В результате многочисленных исследований установлен ряд зависимостей между статистическими механическими характеристиками и пределом выносливости. В качестве примера можно привести следующие эмпирические зависимости:

8.2. Некоторые теории усталости и модель процесса разрушения при усталости

В настоящее время еще не существует единой общепризнанной теории усталостного разрушения, построенной на представлениях о физических процессах, сопровождающих это явление. Многие исследователи объясняют это тем, что в зависимости от структурного состояния материала и условий циклического нагружения возни­кают и действуют различные механизмы зарождения и развития усталостных трещин.

Из первых теорий усталостного разрушения известны так назы­ваемые теории упрочнения, предложенные в разное время В. Гра­фом и Р. Хансоном, Е. Орованом, Ю. Делингером и др. К более поздним относятся статистические теории Н. Н. Афанасьева, А. М. Фрейдёнталя и др.

Однако применение теории несовершенств кристаллического строения реального металла к изучению процесса разрушения ме­талла в условиях циклического нагружения позволило более близ­ко подойти к раскрытию физической природы усталостного разру­шения.

Несмотря на то, что в настоящее время еще не установлена единая точка зрения на явление усталости, применение теории дис­локаций при изучении усталостного разрушения существенно по­могает раскрыть природу этого явления. Факторами, определяю­щими закономерность разрушения при усталости, являются возвратно-поступательные движения дислокаций и их взаимодействия между собой и другими дефектами кристаллической решетки. Воз­никающие при этом эффекты аннигиляции дислокаций, возникно­вение вакансий, локальное повышение напряжений и температуры способствуют зарождению трещин.

Движение дислокаций и реализация различных механизмов их взаимодействия приводит к образованию большого количества вакансий. Последующая коагуляция вакансий в процессе цикли­ческого изменения напряжений обусловливает образование их ко­лоний, которые представляют собой зародыши трещин. Дальней­шее развитие усталостных трещин происходит за счет осаждения вакансий на поверхностях этих трещин, которое заканчивается в конечном итоге усталостным разрушением металла. Таким обра­зом, усталостное разрушение имеет двойственный характер. С од­ной стороны, оно сопровождается осаждением вакансий на поверх­ностях микротрещин в плоскостях максимальных нормальных напряжений, а с другой,— коагуляцией вакансий в плоскостях максимальных касательных напряжений.

Развитие процесса разрушения металла при усталости можно разделить на несколько периодов.

В первом периоде (инкубационном) происходит накопление пластической деформации и упрочнение материала в результате скопления дислокаций перед препятствиями, в основном у приповерхностных слоев. Таким образом можно считать, что первой стадией процесса усталости является активизация источников дислокаций. Указанные процессы преимущественно протекают при высоких напряжениях. Релаксация локальных напряжений в приповерхностном слое приводит к образованию большого числа вакансий. Образование во время инкубационного периода полосы скольжения также способствует накапливанию вакансий. Второй период характеризуется образованием микротрещин, развитие которых до критических размеров происходит в третьем периоде. Последний, четвертый, период развития процесса усталости наступает с момента достижения трещиной критических размеров и продолжается до хрупкого разрушения металла.

На основании существования единой зависимости времени, про­текающего до разрушения, от величины растягивающего напряже­ния и температуры можно сделать вывод о том, что наличие этой единой зависимости прочности твердых тел указывает на общие закономерности пластической деформации и разрушения незави­симо от условий деформации и вида разрушения — вязкого, хруп­кого или усталостного.

При циклическом деформировании интенсивность процесса ге­нерирования дислокаций, их движение, коагуляция и аннигиля­ция вакансий происходят более интенсивно, поскольку скорость протекания локальных пластических деформаций на несколько порядков выше скорости пластической деформации при статическом нагружении.

В существующих дислокационных теориях предлагается нес­колько схем образования трещин, но во всех этих теориях глав­ные дислокационные механизмы зарождения, развития трещины и разрушения металла основаны на процессе скопления дислока­ций у препятствий.

При использовании существующей аналогии между процессами поглощения энергии кристаллической решеткой при механическом нагружении до разрушения и нагреве металла до состояния пол­ного расплавления, была построена структурно-энергетическая теория усталости металлов. В этой теории явление усталости связывается с развитием в локальных объемах металла двух ос­новных процессов: накопления неупругих искажений кристалли­ческой решетки до критической величины и нарушения межатомных связей в объемах металла с предельно искаженной кристаллической решеткой.

Энергия, расходуемая на указанные процессы, состоит из энер­гии предельного искажения и энергии разрушения. Причем рас­сматривается не общая энергия, поглощенная металлом при повтор­ном деформировании до разрушения, а удельная энергия предель­ного искажения и разрушения для критического объема искажения и предельного объема разрушения. Удельную энергию предельного искажения определяют как величину , где Т_n — заданная температура; T_s — температура плавления; С_р —теплоем­кость.

Удельную энергию разрушения принимают равной скрытой теп­лоте плавления L _пл. В случае нагрева металла от заданной темпе­ратуры до температуры плавления и в процессе плавления поглощаемая удельная энергия равна + L _пл. В данном случае энергия , характеризующая изменение теплосодержания металла при нагреве от заданной температуры до температуры плавления, расходуется на возбуждение атомных колебаний крити­ческой величины без нарушения межатомных связей. Нарушения межатомных связей происходят тогда, когда кристаллическая ре­шетка поглощает дополнительную энергию, равную скрытой теп­лоте плавления.

При механическом нагружении предельное искажение кристал­лической решетки обусловлено скоплением в локальных объ­емах металла дислокаций до критической плотности, при которой дальнейшее поглощение энергии кристаллической решеткой при­водит к нарушению межатомных связей.

Так как в процессе нагрева и плавления энергия поглощается равномерно по всему объему металла, а при механическом нагру­жении вследствие анизотропии свойств и дефектов строения кри­сталлической решетки — неравномерно, необходимо учитывать те локальные объемы металла, удельная энергия которых имеет предельную величину, равную F. Уравнение для общей энергии, поглощаемой металлом в процессе деформирования и разрушения при механическом нагружении имеет следующий вид:

где: V_s —суммарный рабочий объем пластически деформированно­го и разрушенного металла; V_R — критический объем искажения; n — постоянный коэффициент; V_p — предельный объем разрушения.

Чем больше значение Q_мex, тем выше способность металла по­глощать энергию при механическом нагружении и больше его прочность.

Структурно-энергетическая теория предлагает энергетические критерии усталостного разрушения, не зависящие от условий нагружения и исходного структурного состояния металла, исполь­зуя их, можно получать усталостные характеристики путем прове­дения ускоренных методов испытаний. Структурно-энергетическая теория в настоящее время наиболее полно и всесторонне объясняет физику процесса усталостного разрушения.

На основании современных представлений о дислокационных механизмах образования и развития трещин под действием дефор­маций была предложена модель физического предела усталости. Сущность модели состоит в следующем. В процессе цикличе­ского нагружения при критическом напряжении σ₀' в поверхност­ном слое толщиной 1—3 диаметра зерна происходит поверхностное упрочнение за счет повышения плотности вновь образующихся дислокаций и процесса старения (рис. 18, а — в). По мере уве­личения числа циклов нагружении и достижения линии образова­ния субмикротрещин А'Б' происходят скопления дислокаций критической плотности. В отдельных зернах появляются субмикротрещины (рис. 18, г). Дальнейшее увеличение нагружения до ба­зового количества циклов N_R приводит к образованию равномерного упрочненного слоя с повышенной плотностью закрепленных дисло­каций и большим количеством субмикротрещин и микротрещин, размер которых меньше размера зерна (см. рис. 18, д). В таком слое при сколь угодно большом числе циклов нагружения дальней­шего развития повреждений не наблюдается. Напряжение, при котором создается упрочненный поверхностный слой, соответствует физическому пределу усталости σ_R. При напряжениях, превышаю­щих этот предел, происходит образование критической и развитие магистральной усталостной трещины (рис. 18, е), что приводит к хрупкому разрушению.

Рис. 18. Схематическое представление процессов, происходящих при циклическом нагружении: а — диаграмма растяжения: б — диаграмма выносливости; в, г, д, е — различные стадии образования упрочненного поверхностного слоя и развития процесса усталостного разрушения.

8.3. Влияние качества поверхности на усталость

Теоретически и экспериментально установлено, что почти во всех случаях процесс усталостного разрушения начинается с по­верхности. Это объясняется тем, что металл поверхностного слоя может находиться в неблагоприятных условиях нагружения, на­пример, напряжения на поверхности могут достигать наивысших значений (даже при условии некоторого изгиба деталей, номиналь­но нагруженных по оси). Изменение сечения детали, повреждения и шероховатость поверхности вызывают местную концентрацию напряжений, достигающую наивысших значений на поверхности. В поверхностном слое при воздействии поверхностно-активных и коррозионных сред зарождаются и развиваются критические трещины усталости. В связи с этим становится очевидным, что от качества поверхности зависит интенсивность процесса усталостного разрушения металла.

В результате исследований было установлено, что кислород и другие газы, вступающие в соединение с испытуемым металлом, увеличивают скорость распространения трещин, в результате чего снижается долговечность образцов, а поэтому почти всякое уста­лостное испытание представляет собою испытание на коррозионную усталость.

Процесс коррозионной усталости, протекающий в жидкой хими­чески активной среде, обладающей свойствами электролита, зна­чительно сложнее процесса, протекающего в газовой среде, так как в этом случае, кроме химических процессов, наблюдаются и элек­трохимические. При наличии коррозионно-агрессивной среды одно­временно протекают электрохимические процессы коррозии и цикли­ческого деформирования металла. Этим процессам предшествует адсорбция из коррозионной среды (ионов либо целых молекул) на поверхности металла, вызывая явление адсорбционной усталости. При высоких амплитудах нагружения в кислых средах происходит процесс наводораживания катодных участков пол и кристалличе­ского металла, вызывая их охрупчевание и разрушение. Коррозионная усталость сопровождается протеканием коррозион­ных процессов, среди которых основную роль играет адсорбция, способствующая росту числа сдвигов, что в конечном итоге приводит к образованию усталостных микротрещин. При дальнейшем разви­тии усталостного разрушения адсорбционные явления уступают место чисто коррозионным явлениям, происходящим внутри сдви­гов или внутри уже возникших трещин усталости, в которых проис­ходит снижение электродного потенциала под влиянием концен­трации напряжений и разрушения действующими напряжениями пассивирующих пленок окислов. Этот процесс в свою очередь спо­собствует росту трещин усталости вследствие расклинивающего действия продуктов коррозии, имеющих больший объем, чем объем металла, из которого они образовались. Увеличение числа пачек скольжения под влиянием адсорбционного эффекта является при­чиной преимущественного образования внутрикристаллических трещин при коррозионной усталости.

Выносливость стали в коррозионных средах есть функция вре­мени пребывания металла в коррозионной среде под нагрузкой, поэтому при коррозионной усталости кривые усталости в отличие от кривых, получаемых в неактивной или в поверхностно-активной средах, не приближаются асимптотически к прямой, параллельной оси абсцисс, а продолжают снижаться с различной интенсивностью для различных сталей и коррозионных сред (рис. 19). Поэтому коррозионная усталость не может быть охарактеризована только величиной напряжений без указания числа циклов. Таким образом, о коррозионной усталости можно говорить только как об ограниченном пределе выносливости.

Рис. 19. Кривые уста­лости для образцов из ста­ли 20Х, испытанных в различных средах: 1 — в воздухе; 2 — в активи­зированном масле; 3 — в ртути; 4 — в воде.

К факторам, влияющим на интенсивность снижения выносли­вости при коррозионной усталости, относятся: химический состав стали, ее механическая и термическая обработка, свойства коррозионной среды, напряженное состояние и частота приложения на­гружения.

Результаты исследований показали, что при увеличении твер­дости и прочности стойкость стали против коррозионной усталости снижается. Более устойчивыми к коррозионной усталости являются коррозиестойкие стали. Термическая обработка (закалка на мартенсит с после­дующим отпуском на троостит и сорбит) увеличивает стойкость против коррозион­ной усталости, причем это увеличение осо­бенно заметно после закалки ТВЧ.

Отрицательное влияние коррозионной среды увеличивается по мере роста ее аг­рессивности.

В растворах электролитов интенсив­ность снижения выносливости больше, чем в чистой воде. Общая же коррозия (потеря в весе) часто не зависит от агрессивности среды вследствие образования пассивирую­щей защитной пленки, которая при цик­лическом нагружений разрушается и не предохраняет от протекания коррозионно-усталостного процесса.

Вид напряженного состояния и частота изменения напряжения главным образом проявляются при нулевых циклах. Так, например, выносливость стали воздухе и в воде почти одинакова при пульсирующем сжатии и сильно снижается при пульсирующем растяжении в воде.

Это позволяет утверждать, что качество поверхности является важным фактором, с помощью которого можно добиваться изме­нения предела выносливости деталей машин.

Результаты многочисленных исследований влияния качества поверхности на стойкость металлов против усталости показали, что механическая обработка, различные виды поверхностного упрочнения, при которых происходит изменение шероховатости поверхности и изменение напряженного состояния поверхностного слоя металла, в большой степени влияют на предел выносливости. Снижение шероховатости поверхности и повышение механических свойств (наклеп), в результате возникновения в по­верхностном слое деталей собственных напряжений сжатия, повышает предел выносливости от 20 до 100% и более.

Степень шероховатости зависит от вида и режима механической обработки. Предел выносливости снижается при повышении шероховатости и предела прочности стали.

Влияние микрогеометрии (шероховатости) на выносливость ста­ли связано с чувствительностью ее к концентрации напряжений, поэтому в более прочных и мелкозернистых сталях влияние микро­геометрии проявляется сильнее, чем в мягких, пластичных сталях или в материалах с большой внутренней неоднородностью, напри­мер в чугунах, которые малочувствительны к качеству обработки поверхности.

Повышение стойкости против усталости пластичных материалов в значительной степени зависит от прочности поверхностного слоя в результате наклепа при механической обработке. Для повышения стойкости против усталости твердых и хрупких материалов поло­жительное влияние оказывают остаточные напряжения, способные изменять асимметрию цикла.

Трудно исследовать влияние микрогеометрического параметра поверхности (шероховатость) на стойкость металла против уста­лостного разрушения отдельно от влияния характеристики упроч­нения и напряженного состояния поверхностного слоя. При сопо­ставлении данных шерохозатости поверхности с пределом выносли­вости было сделано заключение о том, что между значением ше­роховатости поверхности и пределом выносливости существует простая экспоненциальная зависимость. Однако на предел усталости влияют и другие факторы, определяющие качество по­верхности. Технологически можно получить поверхность с одина­ковой величиной шероховатости, но с различными степенями упроч­нения структуры и напряженностью поверхностного слоя. Так, на­пример, при шлифовании получают шероховатость поверхности R_z =2...2,5 мкм, такую же шероховатость можно получить при точении. Одинаковая шероховатость может быть получена при механической и электролитической полировке. Однако стойкость против усталости в этих случаях будет различная, так как уста­лостная прочность зависит от шероховатости, механических свойств, напряженного состояния поверхностного слоя, которые являются результатом обработки поверхности.

Усталостная прочность шлифованных деталей, работающих в воздушной среде, меньше по сравнению с усталостной прочностью полированных. Это объясняется появлением в результате шлифования значительных остаточных напряжений растяжения. Однако различные способы шлифования в различной степени влияют на усталостную прочность стали. При тонком шлифовании в продольном направлении предел выносливости при изгибе не изменяется, а при грубом — понижается на 20...25%. Чем выше класс чистоты поверхности, меньше концентраторов напряжений и больше величина остаточных сжимающих напряжений, интенсивность и глубина наклепа, тем выше выносливость стали в воздухе.

8.4. Коррозионная усталость

Коррозионная усталость — это процесс разрушения металла при одновременном воздействии многократного (циклического) деформирования и химически агрессивных сред.

При коррозионной усталости так же, как и при усталости, трещины появляются в поверхностном слое детали и постепенно распространяются вглубь, приводя к уменьшению несущего сечения. Процесс заканчивается быстрым разрушением оставшегося сечения детали от механических напряжений. На изломе от коррозионной усталости обычно различают две зоны: усталостную (с участием коррозии) и зону долома.

Коррозионная усталость зависит не только от структуры метал­ла, полученной в результате термической обработки, но и от струк­туры и состояния поверхностного слоя, образующегося при других способах поверхностного упрочнения. Нанесение на металлические детали тонких слоев покрытия из высокополимерных материалов (капрона, эпоксидной смолы и т. д.) позволяет получить в 3%-ном растворе NaCl коррозионно-усталостную прочность, равную уста­лостной прочности в воздушной среде.

Эффективным средством защиты от коррозии в морской воде являются комбинированные металло-полимерные покрытия: сначала плазменное напыление, например алюминием, а затем нанесение слоя высокополимерного материала.

8.5. Адсорбционная усталость

Адсорбционная усталость — это процесс разрушения металла при одновременном воздействии многократного (циклического) дефор­мирования и адсорбирующихся поверхностно-активных веществ.

Циклическое нагружение стали в растворе поверхностно-ак­тивного вещества существенно снижает ее выносливость по сравне­нию с неактивной средой. В результате действия поверхностно-активной среды может наблюдаться как снижение, так и повышение усталостной прочности стали, что зависит от величины циклической перегрузки, определяющей механизм зарождения трещин усталос­ти и проявления действия внешнего или внутреннего адсорбцион­ного эффекта.

Значительные скорости миграции адсорбированных молекул определяют независимость адсорбционных факторов снижения вы­носливости от времени пребывания металла в среде, содержащей поверхностно-активные вещества, что, в свою очередь, обусловли­вает форму кривой адсорбционной усталости. Здесь необ­ходимо подчеркнуть то обстоятельство, что для сравнения в ка­честве неактивной среды в этих исследованиях был принят воздух, обладающий значительным коррозионным действием. Причем, ин­тенсивность коррозионного воздействия кислорода, находящегося в воздухе, может быть больше интенсивности адсорбционного пони­жения прочности.

Несмотря на специфические особенности разрушения металла при циклическом деформировании, многие положения адсорбцион­ного влияния поверхностно-активных сред при статическом нагру­жении можно использовать и для объяснения причин усталостного разрушения. В условиях одновременного действия напряжений, способствующих развитию дефектов кристаллической решетки ме­талла, и наличия физически адсорбирующихся поверхностно-ак­тивных веществ происходит адсорбционное пластифицирование (облегчение пластической деформации) и адсорбционное понижение прочности (возникновение хрупкого разрушения при малых интенсивностях напряженного состояния, вплоть до самопроизвольного диспергирования).

Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты Ребиндера. Внешний адсорбционный эффект возникает в процессе адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на внешней по­верхности деформируемого твердого тела и приводит к его пласти­фицированию, т. е. к снижению предела текучести и коэффициента упрочнения. При таком действии адсорбционных поверхностных слоев всегда наблюдается значительное измельчение пачек сколь­жения и зеренной структуры деформируемого металла.

Внутренний адсорбционный эффект возникает в процессе ад­сорбции на внутренних поверхностях раздела — зародышевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Это приводит к снижению работы, которая затрачи­вается на образование новых поверхностей и к облегчению разви­тия микротрещин, что проявляется в повышении хрупкости и рез­усом снижении прочности.

В основе внешнего адсорбционного эффекта лежит чисто поверхностное взаимодействие материала со средой, поскольку диффузия органических молекул ПАВ в решетку металла невозможна. В ре­зультате обратимой адсорбции происходит снижение свободной энергии поверхности. Эффект пластифицирующего действия наблю­дается в определенной области скоростей деформирования.

Механизм возникновения избыточной поверхностной энергии как результат излишка сил взаимодействия поверхностных атомов становится понятным из рассмотрения символической схемы сило­вого взаимодействия атомов, расположенных возле граничной по­верхности (за которой предполагается отсутствие внешней среды) (рис. 19, а). На схеме излишек сил взаимодействия поверх­ностных атомов обозначен тремя, а обычная связь в объеме систе­мы — двумя силовыми линиями.

В результате взаимодействия атомов свободной граничной по­верхности с атомами поверхностно-активной среды поверхностный слой приходит в более равновесное состояние (рис. 19, б). Воз­действие поверхностно-активной среды может почти полностью урав­новесить граничный слой атомов и таким образом снизить поверх­ностную энергию до значений, близких к нулю. При этом силовое взаимодействие поверхностных атомов становится практически таким же, как взаимодействие атомов в объеме. Однако снижение по­верхностной энергии связано не только с уменьшением силовой связи поверхностной цепочки атомов системы в результате воздействия поверхностно-активной среды, но и с наличием в поверхностном слое металла микротрещин. Установлено, что поверхностная энер­гия таких трещин убывает, достигая нулевого значения в верши­не трещины, соизмеримой с параметром решетки (рис. 19, в).

В результате взаимодействия атомов поверхностно-активной среды с атомами основного металла в вершине трещины, где кон­центрируются напряже­ния от внешних нагру­зок, уменьшаются силы взаимодействия поверх­ностных атомов по срав­нению с силами взаимо­действия между атомами в объеме твердого метал­ла (рис. 19, г). Это способствует развитию микротрещин под воз­действием поверхностно-активной среды, вслед­ствие чего значительно уменьшаются прочность и пластичность деформи­рованного металла. Механизм образова­ния усталостной трещи­ны при адсорбционной усталости аналогичен механизму ее образова­ния при обычном про­цессе усталости, однако, после выхода трещины на поверхность по ней начинает мигрировать поверхностно-активная среда, что способствует развитию микротрещин в поверхностном слое в ре­зультате активизации внутренних источников дислокаций. Про­веденные электронографические исследования влияния поверх­ностно-активных сред на формирование дислокационной структуры при усталостном разрушении металлов показали, что в результате воздействия поверхностно-активной среды (вазелиновое масло с до­бавкой 0,2% олеиновой кислоты) плотность дислокаций в поверх­ностных слоях металла значительно возрастает по сравнению с плот­ностью в нейтральной среде (вазелиновое масло). Так, при испыта­ниях на усталость в вазелиновом масле плотность дислокаций составляла 80 1/Мм², а в 0,2%-ном растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле — в пять раз больше; при этом долговечность образцов понизилась примерно в два раза.

Р

Дата добавления: 2014-01-07