Физико-химические процессы разрушения деталей машин

1. ЛЕКЦИЯ 5. Физико-химические процессы разрушения деталей машин

1. Процессы разрушения
деталей машин
2. Дефекты и повреждения,
способствующие
разрушению
3. Механизм и виды
разрушений

2.

Физика твердого тела рассматривает 2
разрушение материала как постепенный
кинетический процесс, развивающийся в
механически напряженном материале с
момента приложения нагрузки любой
величины. Скорость процессов
механического разрушения деталей зависит
от структуры и свойства материала,
геометрической формы и состояния
поверхности, от напряжения, вызываемого
нагрузкой и температурой.

3.

3
Иными словами под разрушением
понимают процесс зарождения и развития
в металле трещин, приводящий к
разделению его на части.
Кинетика развития трещины состоит
из четырех стадий:
- инкубационного периода,
- зарождения трещины,
- медленного роста;
- быстрого развития трещины.

4.

4
Разрушение принято разделять с учетом
величины пластической деформации,
предшествовавшей разрушению на вязкое и
хрупкое.
Вязким называется такое разрушение,
которому предшествовала значительная
пластическая деформация. Если же
деформация составляет менее I.. .2 %,
разрушение считается хрупким.

5.

5
С точки зрения микроструктуры
существуют два вида разрушения транскристаллитное и
интеркристаллитное. При
транскристаллитном разрушении
трещина распространяется по телу зерна,
а при интеркристаллитном она проходит
по границам зерен.

6.

Развитие хрупкого разрушения, как правило, 6
определяют концентраторы напряжений,
источником которыми обычно являются
дефекты. Дефекты могут быть внутренними
или поверхностными, в виде пор, шлаковых
включений, горячих и холодных трещин,
микротрещин, непроваров и т.п. С увеличением
остроты и размеров дефектов склонность к
хрупкому разрушению возрастает. Чем выше
скорость деформации, тем больше
склонность металла к хрупкому разрушению.

7.

7
При хрупком разрушении величина
пластической зоны в устье трещины
мала, вместе с тем скорость
распространения хрупкой трещины
весьма велика (для стали скорость роста
трещины достигает 2500 м/с).
Понижение температуры способствует
переходу от вязкого разрушения к
хрупкому. Это явление получило название
хладоломкости.

8.

8
При вязком разрушении величина
пластической зоны, идущей впереди
распространяющейся трещины
велика, а сама трещина защемляется
у своей вершины, что снижает
скорость разрушения.

9.

Поверхность раздела, возникающая при 9
разрушении объекта называется изломом.
В соответствии с вышесказанным все
изломы подразделяются на 2-е группы:
хрупкие и вязкие.
В зависимости от приложенных нагрузок
изломы подразделяются на:
- динамические;
- усталостные;
- изломы от превышения предела
прочности;
- изломы при изгибающих и скручивающих
нагрузках.

10.

10
К динамическим относятся изломы,
происходящие внезапно под действием
нагрузок или удара.
К усталостным относятся изломы
под действием переменных нагрузок в
области упругих деформаций.

11.

11
Изломы, вызванные превышением
предела прочности, характеризуются
большой поверхностью зоны
доламывания, а также наличием на
поверхности излома отдельных,
приходящих на больших расстояниях
линии нагрузки или уступов.
По направлению излома можно
судить о том, какая перегрузка вызвала
разрушение (растяжение, изгиб,
кручение).

12.

12
Механизм разрушения материала
определяется постепенным
накоплением в материале локальных
дефектов - деформации и трещин.
Локальные дефекты материала,
создавая местные напряжения,
становятся центрами разрушения.

13.

Разрушения, как правило,
осуществляются посредством двух
основных процессов:
13
- разрывом механических связей под
действием физических и тепловых
полей;
- направленной диффузией вакансий
кристаллической решетки к трещинам
(вакансии - узлы кристаллической
решетки, в которых отсутствует
атом или ион).

14.

14
В зависимости от условий и
характера протекания процессы
разрушения могут подразделяться на
следующие виды:
- усталостное разрушение;
- терморастрескивание;
- образование трещин от
перенаклепа;
- разрушение при контактных
нагрузках;
- водородное растрескивание;
- коррозия.

15.

Для каждого материала
существует такое максимальное
значение нормального напряжения,
при котором изделие выдерживает
практически неограниченное число
перемен усилий не разрушаясь. Это
напряжение Ок называется пределом
выносливости или пределом
усталости материала и является
одним из критериев оценки
сопротивления металла
усталостному разрушению.
15

16.

16
Другим критерием сопротивления
усталостному разрушению является
циклическая прочность - число циклов
напряжения, вызывающее разрушение
в данных условиях работы объекта.

17.

Характерной чертой усталостного 17
разрушения является отсутствие
деформаций в районе разрушения, даже
в таких материалах, как мягкие стали,
которые высокопластичны при
статическом разрушении. Усталостные
трещины обычно мелкие и их трудно
обнаружить пока они не достигнут
макроскопического размера, после чего
они быстро распространяются и
вызывают полное разрушение за
короткий промежуток времени.

18.

Признаки усталостного разрушения 18
деталей: почти нет остаточных
деформаций и на поверхности излома
видны зона развития трещины с
гладкой поверхностью и зона поломки с
шероховатой поверхностью.
Сопротивление деталей
усталостному разрушению повышают
конструкторскими и технологическими
мероприятиями.

19.

Концентрацию напряжений
снижают оптимальной формой и
размерами деталей.
19
Чем меньше шероховатость
поверхности деталей, тем лучше они
сопротивляются переменным
нагрузкам. Наилучшей является
поверхность, полученная не резанием, а
смятием микронеровностей при
поверхностном пластическом
деформировании.

20.

20
Упрочнение деталей термической,
химико-термической и
термомеханической обработками
значительно повышает их
циклическую прочность.

21.

21
Терморастрескивание растрескивание поверхностей трения в
результате термического воздействия.
Мерой борьбы с терморастрескиванием
является выбор материала. Чем выше
термопроводимость материала, чем
меньше температурное расширение, чем
пластичнее материал, тем меньше
вероятность образования в нем трещин.
Высокая точность обработки
поверхностей - дополнительное средство
борьбы с растрескиванием.

22.

Образование трещин от
перенаклепа. Такое разрушение
встречается в основном в условиях
трения качения, когда твердость
поверхности не настолько низка,
чтобы произошла заметная
пластическая деформация, и не
настолько высока, чтобы
предупредить микропластическую
деформацию в пределах всей рабочей
поверхности.
22

23.

Разрушение при контактных
23
нагрузках. Стали и сплавы
представляют собой конгломерат
кристаллических зерен, имеющих, как
правило, случайную ориентацию
кристаллографических осей. В зернах
неблагоприятно ориентированных
относительно статически приложенной
силы, уже при очень малой ее величине
происходит пластическое
деформирование, структурно
обнаруживаемое в виде полос
скольжения, и возникают остаточные
напряжения.

24.

24
Водородное растрескивание результат наводороживания и
охрупчивания сталей водородом.
Коррозия - самопроизвольное
разрушение твердых тел, вызванное
химическими и электрохимическими
процессами, развивающимися на
поверхности тела при его
взаимодействии с внешней средой.

25.

25
Методы защиты от коррозии условно
разделяются на методы воздействия на
металл и методы воздействия на среду. К
методам воздействия на металл
относятся: легирование металлов,
обработка поверхностей, нанесение
защитных покрытий. Методы воздействия
на среду - электрохимическая защита,
герметизация, осушка воздуха и создание
искусственных сред. При применении одних и
вторых методов защиты, а также метода
рационального конструирования - они
относятся к комбинированным методам
защиты.

26.

26
Коррозия нарушает гладкость
поверхности, резко разупрочняет
поверхностный слой детали, образуя
пятна, язвы, коррозионное
растрескивание. Эти дефекты
способствуют возникновению
микротрещин и усталостному
разрушению. Поэтому защита
металлов от коррозии также
значительно повышает сопротивление
деталей усталостному разрушению.