Лекция №3. Виды разрушений деталей

Классификация видов разрушения деталей. В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообраз­ные повреждения деталей.

Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все виды разрушения материалов деталей разделить на три основные группы:

1. деформация и изломы; 2) износ; 3) химико-тепловые повреждения.

Деформация и изломы происходят при напряжениях, превышающих предел текучести или предел прочности материала детали.

Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел. Характер трущихся тел и условия их взаимодействия обусловливают особен­ности процесса изнашивания.

Химико-тепловые повреждения — результат комплексного воздействия на рабочие поверхности деталей факторов, среди которых факторы теплового воздействия превалируют.

Деформация и изломы. Деформация материала детали происходит в результате приложения нагрузки и выражается изменением формы и размеров детали.

Эти изменения могут быть временными (упругие деформации, исчезающие после снятия на­грузки), или остаточными (пластические деформации, остающиеся после снятия нагрузки). Повреждения деталей происходят в результате пластической де­формации и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний.

При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма деталей в результате приложения в основном динамических нагрузок.

Скручивание деталей вызывается приложением крутящего момента, превосходящего расчетный.

Излом материала детали также происходит в результате приложения нагрузки и выражается в разрушении детали.

В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, ди­намический и усталостный изломы.

Статический излом является результатом воздействия значи­тельных местных нагрузок. Чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных местах в деталях корпусов в виде трещин, особенно в деталях, изготовленных из чугуна.

Динамический излом является следствием сильных поверхност­ных ударов и часто наблюдается на литых деталях.

Хрупкий излом характеризуется полным отсутствием или весьма незначительной величиной пластических деформаций. Причинами хрупкого излома чаще всего служат хладноломкость материала детали, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении и мгновенное приложение нагрузки.

Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Разрушение материала детали при вязком изломе — результат резкого возрастания приложенной статической нагрузки. Вязкий излом появляется в результате превышения предела текучести материала детали.

Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является усталостный излом, в основе которого лежит явление усталости, т.е. разрушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих в течение определенного времени. Свойство материала детали, характеризующей ее способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносливостью. Установлено, что усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины, появлению которой способствует наличие концентратора напряжений или какого-либо микродефекта в опасном сечении детали. Возникнув, усталостная трещина под действием циклической нагрузки распространяется в глубь детали, что приводит в конечном итоге к ее разрушению. Практика показала, что разрушение вооружения шарошек буровых долот начинается с появления усталостных трещин.

Износ. Износ деталей — основной дефект, приводящий к выходу машин из строя Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.

Трение— сопротивление, возникающее при взаимном перемещении соприкасающихся поверхностей тел.

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения тел чаще всего встречаются два вида трения: трение скольжения и трение качения.

В зависимости от состояния трущихся поверхностей различают:

-трение без смазки — трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала всех видов;

-граничное трение — тре­ние двух твердых тел при наличии на поверхности трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающи­мися от объемных;

-жидкостное трение-явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются ее объемные свойства.

На процессы трения влияют механические, физико-химические, тепловые и электрические факторы. Различное сочетание этих факторов приводит к многообразию видов изнашивания.

Изнашивание — процесс постепенного изменения размеров тела при тре­нии, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Износ— результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала.

Гидродинамическое давление смазки, развивающееся вследствие движения ее в пространстве между цапфой и подшипником, уравновешивает внешнее давление на цапфу. Поскольку площади поперечных сечений этого простран­ства в радиальном направлении различны, щель приобретает форму клина.

При движении смазки отдельные ее слои перемещаются с различными ско­ростями по отношению друг к другу, поэтому возникает жидкостное трение.

Закон жидкостного трения можно представить следующей формулой:

F=µQ, (3.1)

где F — сопротивление трения, кгс; µ - абсолютная вязкость смазки, кгс с/м²; Q — площадь трущихся поверхностей, м²; v — относительная скорость скольжения, м/с; h — толщина слоя смазки, м.

На основе этого закона и ряда экспериментов получена формула, устана­вливающая условия, при которых обеспечивается всплывание цапфы:

h= (3.2)

где h_min — толщина слоя масла в самом тонком месте, мм; п — частота враще­ния вала, об/мин; d — диаметр цапфы, мм; I — длина цапфы, мм; S — наиболь­ший зазор в состоянии покоя, мм; Р — удельная нагрузка на вал, кгс/м².

Для нормальной работы деталей, как это следует из формулы (3.2), главное значение имеют величина первоначального зазора и качество смазки. Осуществить постоянство условий для обеспечения жидкостного трения невозможно, так как при запуске машины цапфа переходит из нижнего положения в верхнее; при полужидкостном трении, что приводит к изнашиванию сопряженной пары. Такое же положение возникает при изменениях режима работы машины и ocoбенно при ее перегрузке, когда снижается скорость вращения п и увеличивается нагрузка Р.

Классификация видов изнашивания. Механическое изнашивание — изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное.

Абразивное изнашива­ние механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, по­падающими между трущимися поверх­ностями (например, с загрязненной смазкой). Абразивное изнашивание по­верхности деталей происходит при бу­рении скважин, резании грунтов, дроблении камня, перемешивании твер­дых смесей, а также при буксовании колеса по поверхности дороги.

Абразивная эрозия, гидро- и газоабразивное изнашивание — основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, арматуры, дымососов, вен­тиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых по­током жидкости или газа.

При усталостном изнашивании поверхности трения или отдельных ее участков повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. Это особенно проявляется при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения. Многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки вызывают явления контактной усталости.

Усталостное изнашивание часто является одной из причин выхода из строя основной опоры вертлюга, основной и вспомогательной опор ротора, шестерен бурового насоса и ротора, а также элементов подшипников скольжения, в ко­торых выкрашивается антифрикционный слой баббитовых и бронзовых вкла­дышей.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации.

При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания.

Факторы, влияющие на изнашивание деталей. На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние различных факторов, которые можно разделить на две группы:

1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;

2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.

Под изнашиваемостью в данном случае подразумевается свойство мате­риала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость есть свойство, противоположное износостойкости.

Факторы, влияющие на износостойкость деталей: качество ма­териала детали и качество рабочей поверхности детали.

К факторам, влияющим на изнашиваемость деталей, относятся: вид трения сопряженных деталей; характер и величина удельных нагрузок на поверхностях трения; относительные скорости перемещения трущихся по­верхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; усло­вия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участ­вующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой.

Из физико-механических свойств, твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. Более твердые металлы и сплавы изнашиваются медленнее. Твердые металлы по сравнению с мягкими менее пластичны и ока­зывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается.

При выборе материала для деталей, работающих при ударной нагрузке, кроме твердости, следует учитывать еще их вязкость во избежание повышения хрупкости. Детали, изготовленные из малоуглеродистых конструкционных или легированных сталей и подвергнутые поверхностной химико-термической обработке, имеют высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей, а также высокую вязкость сердцевины.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура.

Наиболее износостойкий сплав — сталь, имеющая мелкозернистую струк­туру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость. Введением в сталь добавок кремния, марганца, хрома, никеля, вольфрама и молибдена повышается ее износостойкость, благодаря образованию химиче­ских соединений легирующих элементов с углеродом и твердых растворов с железом, обладающих весьма высокой твердостью. Перечисленные легирующие элементы при термической обработке обеспечивают получение мелкозернистой структуры.

На износостойкость чугуна оказывает значительное влияние структура основы: серые чугуны с перлитной структурой изнашиваются в 1,5—2 раза меньше, чем чугуны с ферритной структурой. Большое влияние оказывает также форма и характер распределения графитовых включений, являющихся более слабой составляющей структуры, и снижающих износостойкость чугуна. Износостойкость серого чугуна возрастает с повышением содержания связанного углерода. Легирующие присадки — никель, хром, молибден (с последующей термической обработкой) — повышают прочность и износостойкость чугунных деталей. Наиболее износостойкими считаются чугуны с содержанием никеля 1,2—1,5% и хрома 0,4—0,5%. Увеличение износостойкости деталей из легированных чугунов наблюдается также при поверхностной закалке их paбочих поверхностей нагревом токами высокой частоты, а также при использовании азотирования. Так, износостойкость азотированных гильз ДВС в 2—2,5 раза выше износостойкости гильз, изготовленных из хромистого чугуна.

Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей машин, является качество поверхности трения после механиче­ской обработки. Качество обработанной поверхности характеризуется совокупностью геометрических параметров и физико-механических свойств по­верхностного слоя материала.

К геометрическим параметрам относятся макрогеометрия, волнистость, шероховатость и направление штрихов (рисок), т.е. следов обработки поверхности.

Физико-механические свойства обусловливаются структурой, микротвердостью, величиной наклепа, видом остаточных напряжений, харак­тером взаимодействия со смазкой и т.д.

Литература: 1 осн. [20-29], 3 осн. [30-57], 7 доп. [28-30]

Контрольные вопросы:

1. Каковы причины появления естественного износа?

2. Чем отличаются друг от друга виды трения?

3. Что такое усталостное разрушение?

4. Какие методы повышения долговечности деталей существуют?