Сударикова Е.В. Неразрушающий контроль в производстве. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

121

Изнашиванию подвержены сопряженные пары деталей, имеющие

относительное перемещение. Изнашивание происходит в результате

действия сил трения и ударных нагрузок. Изнашивание при трении

сопряженных подвижных деталей связано с механическими, тепло

физическими и химическими процессами. Значительно усложняет

анализ процессов изнашивания одновременное протекание процес

сов деформации поверхностных слоев деталей и тепловых явлений,

деформации и адсорбции, деформации и диффузии и других одновре

менно протекающих процессов.

Интенсивность изнашивания зависит от механических и хими

ческих свойств материала трущейся пары, вида трения (без смазки –

сухое, граничное или жидкостное), характера и величины нагрузки,

вида сопряжения и шероховатости поверхности, относительной ско

рости перемещения трущихся поверхностей, их взаимодействия с

внешней средой и т. д. Изнашивание при трении в значительной сте

пени зависит от прочности поверхностных слоев.

Большое влияние на работу трения оказывает смазка, устраняю

щая непосредственный контакт сопряженных металлических повер

хностей. В настоящее время в сопряженных парах изделий, как пра

вило, реализуется режим граничного трения, при котором на отдель

ных микро и макроучастках рабочих поверхностей наблюдается тре

ние без смазки. В этом случае тончайшие слои металла трущихся

поверхностей подвергаются пластической деформации и одновремен

но взаимодействуют с окружающей средой.

В результате изнашивания происходит постепенное изменение

размеров и формы деталей, следовательно, увеличиваются зазоры,

принятые для данной сопряженной пары. В современных изделиях

зазоры между трущимися деталями исчисляются сотыми и тысяч

ными долями миллиметра, поэтому часто даже небольшой износ мо

жет привести к нарушению нормальной работы изделия. При возра

стании зазора выше допустимого в сопряжении возникают ударные

нагрузки, под действием которых интенсивность изнашивания еще

больше возрастает.

Различаются три периода изнашивания сопряженных пар

(рис. 2.2). Начальный период, или период приработки а характери

зуется интенсивным изнашиванием трущихся поверхностей. Посте

пенно изнашивание уменьшается, и наступает период установивше

гося изнашивания б. Этот период характеризуется относительным

постоянством скорости изнашивания при данных конкретных усло

виях работы сопряженной пары. После превышения некоторой пре

дельной величины допускаемого для данного сопряжения износа,

последний прогрессивно возрастает (период в), резко изменяются раз

122

меры и геометрическая форма деталей, следовательно, и зазоры, т.е.

нарушается нормальная работа деталей и возникает необходимость

в их ремонте.

Необходимо иметь в виду, что при одинаковых условиях изнаши

вания после приработки устанавливается оптимальная, с точки зре

ния износа, шероховатость, независимо от первоначальной шерохо

ватости, полученной при механической обработке (рис. 2.3).

При трении сопряженных пар различаются следующие виды из

нашивания (по ГОСТ 16429–70):

механическое: абразивное, гидроабразивное, эрозионное, устало

стное и кавитационное;

молекулярномеханическое (или изнашивание при заедании);

коррозионномеханическое: окислительное, изнашивание при

фреттингкоррозии.

Рис. 2.2. Изменение величины износа деталей в зависимости от време

ни их работы

5;8G8=0

87=

>A0

@5<O

@01>B

Рис. 2.3. Изменение установившейся (оптимальной) микрогеометрии по

верхности в процессе приработки в зависимости от исходной

шероховатости: А – грубая обработка; В – тщательная обра

ботка; С – оптимальная обработка

8: @>35>< 5B

<: <

@5<O, G.

@<0

;

87=>

123

В основе всех видов изнашивания лежат процессы пластических

деформаций, упрочнения, возникновения металлических связей и их

разрушения, адсорбции, диффузии и образования химических соеди

нений, возникновения термоэлектронного эффекта, нагрева и изме

нения свойств металла в результате тепловых явлений, микрореза

ния и усталостных явлений.

Основными, наиболее часто встречающимися видами изнашива

ния являются следующие.

Абразивное – это изнашивание материала в результате режущего

или царапающего действия твердых тел или частиц. Оно возникает

при наличии абразивной среды в зоне трения и может существовать в

самом широком диапазоне скоростей скольжения и удельных давле

ний. Сущность абразивного изнашивания не меняется в том случае,

если абразивные частицы попадают в трущееся сопряжение не извне,

а образуются в самом процессе трения. Абразивное изнашивание ха

рактеризуется внедрением абразивных частиц в металл поверхнос

тей трения при их проскальзывании и срезании микрообъемов ме

талла с этих поверхностей трения. Абразивные частицы, имеющие

тупые углы и небольшую высоту выступающих частей, не режут,

а скользят с большими усилиями по поверхности трения, пластичес

ки деформируя при этом поверхностные слои металла. Поэтому при

абразивном изнашивании происходит также местное упрочнение по

верхностных слоев за счет пластической деформации.

Гидроабразивное – это изнашивание в результате воздействия твер

дых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости.

Газоабразивное – изнашивание в результате воздействия твердых

тел или частиц, увлекаемых потоком газа.

Эрозионное – это изнашивание поверхности в результате воздей

ствия потока жидкости или газа. Этот вид изнашивания включает

собственно эрозионное разрушение, а также элементы трения и кор

розии. Происходит по еще недостаточно полно изученным законо

мерностям физики твердого тела и учения о явлениях в поверхност

ных слоях под действием внешних сил. Эрозионное изнашивание на

блюдается при обтекании деталей потоком жидких или газообраз

ных частиц, а также при электрических разрядах. Вследствие ударов

о поверхность металла мельчайшие частицы потока разрушают его

поверхностный слой. Эрозионный износ возрастает с повышением

шероховатости поверхности и с увеличением кинетической энергии

частиц потока, особенно если деталь или поток имеют высокую тем

пературу. Если носителем частичек является агрессивная среда, то

возникающее химическое взаимодействие приводит к еще более зна

чительному износу. Изнашивание может происходить или в виде рав

124

номерного «сдувания» мельчайших частичек поверхностного слоя

детали, или в виде явно выраженного локального разрушения повер

хности. Эрозионный износ зависит от механических свойств матери

ала детали, состояния поверхности и параметров воздействующего

потока частиц и среды. Эрозионное изнашивание можно подразде

лить на изнашивание в потоке газа и в потоке жидкости, а также

изнашивание под действием электрических (импульсных) разрядов.

Усталостное – это изнашивание поверхности трения или отдель

ных ее участков в результате повторного деформирования микрообъ

емов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению

частиц. Возникает при трении качения без смазки, а со смазкой – при

удельных давлениях, превышающих предел текучести материала

поверхностных слоев. Усталостное изнашивание характеризуется

разрушением металла с возникновением в поверхностных слоях мик

ротрещин, единичных и групповых впадин, вызванных процессами

микропластических деформаций сжатия, упрочнения и разупрочне

ния металла поверхностных слоев, возникновением остаточных на

пряжений и особыми явлениями усталости.

Кавитационное – это изнашивание поверхности при относитель

ном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. Оно

является результатом процесса кавитации, представляющего собой

возникновение парогазовых пузырьков в ограниченном объеме пото

ка жидкости, где давление ниже соответствующего давления паров

жидкости при данной температуре, и последующего сокращения

(уничтожения) этих пузырьков в зоне повышенного давления. Край

не вредным следствием явления кавитации, нарушающим нормаль

ную работу агрегатов, является разъедание поверхности материала

деталей. Кавитационное изнашивание металла является следстви

ем чисто механических ударов, которые возникают при быстром «зах

лопывании» парогазовых кавитационных пузырьков, попадающих

в область более высоких давлений. Кавитация может возникнуть,

например, в местах сужения потока, где скорость увеличивается.

Помимо этого, разнообразные местные сопротивления в трубопрово

дах и гидроагрегатах, способствующие образованию криволинейных

течений, приводят к возникновению зон различного давления, а сле

довательно, и кавитационных пузырьков. Кавитационное разруше

ние подразделяется на местное и общее. Под местным понимается

локальное разрушение (точечный износ), вызываемое местным паде

нием давления в потоке вследствие обтекания различных препят

ствий и криволинейности течений. Общее разрушение является след

ствием процесса образования парогазовых полостей при понижении

давления в большой области или во всем потоке до давления насы

125

щения, т. е. парообразования, соответствующего данной темпера

туре.

Изнашивание при заедании – это изнашивание в результате схва

тывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной

поверхности трения на другую и воздействия возникших неровнос

тей на сопряженную поверхность.

Подразделяется оно на изнашивание схватыванием первого рода

(контактное сваривание) и второго рода (тепловое изнашивание).

Контактное сваривание характеризуется возникновением металли

ческих связей между контактирующими участками поверхностей

вследствие больших пластических деформаций, упрочнением схва

тывающихся объемов металла и разрушением впереди лежащих сло

ев. Возникает при трении скольжения с малыми скоростями относи

тельного перемещения трущихся поверхностей и при удельных дав

лениях, превышающих предел текучести на участках фактического

контакта, при отсутствии в них смазки и защитной пленки окислов.

Повреждения поверхности деталей, характерные для износа схва

тыванием, имеют большое распространение.

Возникновение металлических связей происходит при интенсив

ной пластической деформации поверхностных слоев при трении

скольжения, сопровождающейся выходом на поверхность участков

поверхностей, свободных от адсорбированных пленок, пленок окис

лов и загрязнений. При этом происходит максимальное сближение

контактирующих поверхностей.

Из существующих видов изнашивания этот вид является наибо

лее нежелательным, так как происходит интенсивное разрушение

сопряженных поверхностей, причем на одной трущейся поверхности

происходит отделение металла, а на другой – налипание отделив

шихся частиц. Места вырывов являются концентраторами напря

жений, в них образуются микротрещины и трещины, развитие кото

рых может привести к усталостному разрушению деталей. Прива

рившиеся налипшие частицы под действием больших усилий упроч

няются и в дальнейшем действуют как абразив.

Тепловое изнашивание возникает при трении скольжения с боль

шими скоростями относительного перемещения, большими удель

ными давлениями, вызывающими интенсивный рост температуры в

поверхностных слоях трущихся деталей, работающих по тем или

иным причинам без смазки или с недостаточной смазкой. Этот вид

изнашивания характеризуется возникновением металлических свя

зей между контактирующими поверхностями вследствие термичес

кой пластической деформации, вызванной действием теплоты внеш

него трения на металл трущихся поверхностей. При трении происхо

126

дит мгновенный нагрев тонких поверхностных слоев металла. Тем

пература поверхностей фактического контакта при тепловом износе

может для стали превышать 800–900 °С, максимальная же может

достигать температуры плавления трущихся металлов.

Окислительное – это изнашивание при наличии на поверхностях

трения защитных пленок, образующихся в результате взаимодей

ствия материала с кислородом. Характеризуется образованием на

сопряженных поверхностях подвижных окисных пленок (слоев)

вследствие микропластических деформаций и диффузии кислорода,

взаимодействие которых приводит к образованию твердых раство

ров и возникновению химических соединений газа с металлом. Этот

вид изнашивания возникает при трении скольжения и трении каче

ния. При трении качения при нормальных нагрузках оно является

ведущим.

Дефекты, вызванные коррозией

Коррозия деталей происходит в результате их химического или

электрохимического взаимодействия с внешней средой. Различают

атмосферную, газовую, контактную, коррозию под напряжением, в

неэлектролитах и электролитах. Характер коррозионных разруше

ний (поражений) приведен на рис. 2.4.

а) б) в)

г) д) е)

ж) з) и)

Рис. 2.4. Характер коррозионных повреждений: сплошная коррозия: а –

равномерная; б – неравномерная; в – структурноизбиратель

ная; местная коррозия: г – пятнами; д – язвами; е – точками;

ж – межкристаллитная; з – внутрикристаллитная; и – под

поверхностная

127

Детали, соприкасающиеся с атмосферой, подвергаются атмосфер

ной коррозии вследствие наличия в атмосфере влаги, осадков в виде

дождя или снега, а также различных окислов и солей, особенно в

приморских районах и около больших городов. Резкие перепады тем

пературы сопровождаются конденсацией влаги, что также вызывает

коррозию.

Элементы конструкции различных изделий имеют обычно лакок

расочные, окисные или металлические защитные покрытия. Но все

эти покрытия далеко не полностью защищают изделия от воздей

ствия внешних агрессивных условий и возникновения коррозии.

Лакокрасочные покрытия и окисные пленки в большей или мень

шей степени влаго и газопроницаемы, а следовательно, пропуска

ют влагу и газы к металлической поверхности элемента конструк

ции. Металлические покрытия, разрушаясь, перестают защищать

основной металл. Особенно сильно проявляется ненадежность раз

личного рода покрытий на деталях из магниевых сплавов. Продук

ты коррозии магниевых сплавов обладают щелочной реакцией. Вла

га, проникая сквозь пленку лакокрасочного покрытия, увлажняет

продукты коррозии вследствие их гигроскопичности. В результате

слой лакокрасочного покрытия теряет сцепление с металлом и от

слаивается, скопление продуктов коррозии вызывает вспучивание

лакокрасочного слоя. Помимо этого в различных изделиях часто

имеется значительное количество деталей, не имеющих защитных

покрытий.

В элементах конструкции машин, где имеется неблагоприятное

сочетание сопрягаемых металлов, в случае нарушения защитных по

крытий может возникать коррозия изза образования гальваничес

кой пары. Металл, имеющий более отрицательный потенциал, в этом

случае будет разрушаться. Например, детали из магниевых сплавов

в соединениях со стальными деталями или деталями из алюминие

вых сплавов разрушаются в случае разрушения на них защитных

покрытий.

Влияние рабочей жидкости на интенсивность коррозионного раз

рушения особенно часто наблюдается на деталях гидравлических

систем. В результате в элементах гидравлических систем может на

блюдаться значительная коррозия.

Коррозия под влиянием газовой среды при высоких температурах

вызывается воздействием на металл продуктов сгорания топлива.

Этому виду коррозии в процессе эксплуатации особенно подвержены

элементы энергетических машин. Совместное действие высоких тем

ператур и продуктов сгорания топлива вызывает на поверхности эле

ментов таких изделий более или менее значительную коррозию.

128

Дефекты, вызванные усталостью

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений под

действием повторнопеременных напряжений, приводящий к умень

шению долговечности, образованию трещин и разрушениям. На ус

талостную прочность деталей оказывают влияние самые различные

факторы:

1) концентраторы напряжений и их распределение;

2) размеры и форма деталей;

3) вид деформации;

4) режим нагружения (в том числе частота нагружения);

5) температурные условия;

6) объемный наклеп;

7) среда;

8) термообработка;

9) величина зерна;

10) металлургические факторы;

11) величина и знак остаточных напряжений;

12) состояние поверхности, которое зависит от ряда технологи

ческих факторов (механическая обработка, упрочняющая техноло

гия, химикотермическая обработка и электролитические покрытия)

и всевозможных эксплуатационных факторов.

В результате влияния всех указанных факторов, хотя детали рас

считываются так, чтобы рабочие напряжения в них были ниже пре

дела выносливости, в деталях нередко возникают процессы усталос

ти. В наиболее слабом месте детали (концентрация напряжений, не

металлическое включение, остаточные растягивающие напряжения

и т. д.), чаще всего в зоне максимальных растягивающих напряже

ний, возникают микротрещины, развивающиеся в дальнейшем в ус

талостные, которые приводят к внезапному разрушению детали без

видимых предварительных пластических деформаций.

Снижению усталостной прочности детали способствуют также

местные повреждения поверхности (забоины, риски, коррозионные

раковины и т. п.).

Усталостные разрушения наблюдаются и на различных сварных

элементах конструкции. Этому в значительной степени способству

ют острые углы между сопрягаемыми деталями, резкие переходы от

сварного шва к основному металлу, отверстия вблизи сварных швов

и т. д.

Появлению трещин и даже иногда разрушению элемента конст

рукции способствует концентрация напряжений около заклепочных

отверстий.

129

Большое влияние на снижение выносливости деталей оказывают

теплосмены (термическая усталость), так как при этом в поверхно

стных слоях детали периодически возникают напряжения сжатия и

растяжения. Термическая усталость проявляется на таких деталях,

как камера сгорания, лопатки соплового аппарата и газовой турби

ны и др.

Заметно снижает предел выносливости деталей коррозия. При

одновременном воздействии коррозии и переменных нагружений на

чинает проявляться так называемая коррозионная усталость, в ус

ловиях которой разрушение деталей происходит при напряжениях,

значительно меньших предела выносливости (рис. 2.5). Это требует

(в процессе эксплуатации и выполнения ремонтных работ) выявить

места конструкции, пораженные коррозией. При этом или должны

приниматься меры к полному удалению следов коррозии или необхо

димо производить замену детали или агрегата при сильном их пора

жении.

Излом при усталостном разрушении имеет две характерные зоны:

зона усталостного разрушения и зона окончательного излома (мгно

венного разрушения). Излом детали происходит в тот момент, когда

трещина увеличивается до таких размеров, что оставшееся живое

сечение детали недостаточно, чтобы сопротивляться действующим

нагрузкам. Поверхность первой зоны гладкая, притертая.

Дефекты изза неправильной эксплуатации

Неправильное или небрежное техническое обслуживание, нару

шение правил эксплуатации изделий может привести к появлению

серьезных дефектов. Например, использование несоответствующего

Рис. 2.5. Кривые истинной и коррозионной усталости: 1 – предел выносли

вости (истинный); 2 – условный предел коррозионной выносли

вости (при N = 10

)

= 10

'8A;> F8:;>2 N ?5@5<5==>3> =03@C65=

0?@O6

5=85

130

данной операции инструмента может привести в негодность отдель

ные детали, а иногда и дорогостоящие узлы и агрегаты.

Несвоевременное или недоброкачественное выполнение регламен

тных работ может вызвать дефекты, отказы изделий или даже их

выход из строя вследствие аварии.

Перегрузка изделий вызывает деформацию их отдельных частей,

повышенный износ.

Незначительные, на первый взгляд, отклонения от правил эксп

луатации машин (например, нарушение правил контровки) могут

вызвать появление дефектов, приводящим к очень неприятным по

следствиям.

2.4. Влияние дефектов на работоспособность деталей

Из всего разнообразия дефектов рассмотрим: 1) влияние на рабо

тоспособность деталей нарушения сплошности материала детали (га

зовые поры, закалочные, шлифовочные трещины, горячие и холод

ные трещины в отливках, трещины в сварных швах, неметалличес

кие включения и др.) и 2) влияние на выносливость деталей некото

рых видов изнашивания.

Отметим, что не всякое нарушение сплошности материала детали

является ее дефектом. При оценке степени влияния дефекта на рабо

тоспособность детали следует учитывать условия работы детали,

свойства материала, характер и местоположение самого дефекта.

В общем случае при определении опасности дефекта следует при

нимать во внимание следующие факторы:

1) характер нагружения детали (статическое, динамическое, пе

ременное и др.);

2) уровень действующих напряжений;

3) возможность и характер перегрузок;

4) рабочую среду и температуру;

5) ресурс;

6) чувствительность материала к концентраторам напряжений;

7) местоположение и ориентировка дефекта;

8) характер дефекта (величина, создаваемая им степень концент

рации напряжений и др.).

Надо учитывать, что нарушения сплошности (и др. отклонения),

являющиеся дефектами для одних деталей, могут не быть дефекта

ми для других. Например, нарушение сплошности материала явля

ется дефектом для детали, работающей при знакопеременных нагруз

ках, но не всегда является дефектом для детали, работающей под

действием статической нагрузки.