Типичные усталостные изломы

Особенности строения изломов лучше всего изучать на типичных усталостных изломах, поскольку они отличаются наибольшей чет^ костью. Это целесообразно также потому, что характерные особен­ности строения типичных усталостных изломов встречаются также и на изломах других групп, хотя и в менее четкой форме. Из типичных усталостных изломов наибольшей четкостью отличаются изломы стальных деталей после комбинированного нагружения, например, у коленчатых валов, работающих на изгиб и кручение.

Усталостные изломы характеризуются наличием очага разру­шения, зоны постепенного собственно усталостного развития и зоны долома.

Очаг разрушения включает в себя фокус излома, а зона соб­ственно усталостного развития — участки избирательного и уско­ренного развития.

Таким образом, на усталостном изломе имеются следующие 5зониучастков (рис. 26 и 27):

1) фокус излома — микроскопическое место зарождения излома;

2) очаг разрушения — макроскопическое место зарождения излома, образующееся после слияния нескольких рядом располо­женных фокусов;

участок избирательного развития, занимающий обычно почти всю поверхность зоны собственно усталостного развития;

3) участок ускоренного развития, образующийся перед окон­чательным разрушением детали;

4) зона окончательного разрушения (зона долома или дорыва).
Кроме перечисленных зон и участков, на поверхности усталостного излома можно выделить:

а) ступеньки и рубцы, образующиеся в результате слияния нескольких фокусов (точнее зародышевых трещин);

6) усталостные линии, образующиеся вследствие изменения величины действующих напряжений или изменений напряженного состояния;

а	б
Рис. 26. Усталостный излом (а) и схема излома (б) шатунной шейки коленчатого вала с типичными знаками (сталь 40ХНМА): 1- фокус излома и зона очага разрушения; 2- вторичные ступеньки и рубцы; 3- усталостные линии; 4- зона ускоренного развития излома; 5- зона долома.
а	б
Рис. 27. Усталостный излом (а) и схема излома (б) узла крепления моторной рамы самолета (сталь 30ХГСА) со ступеньками и рубцами в зоне очага разрушения (отмечены стрелками)

в) пасынковые трещины, образующиеся при резком поворотенаправления развития излома;

г) вторичные ступеньки и рубцы от слияния пасынковых трещин;

д) участки хрупкого проскальзывания от промежуточного одно­кратного приложения нагрузки, которая по величине может превышать максимальную циклическую.

Ступеньки и рубцы располагаются в очаге разрушения, устало­стные линии, пасынковые трещины с вторичными ступеньками и рубцами — в зоне избирательного развития, а участки хрупкого проскальзывания чаще всего располагаются в переходной зоне или на участке ускоренного развития.

Для строения усталостных изломов характерно наличие гра­ницы раздела зоны постепенного усталостного развития излома и зоны долома, иногда называемой демаркационной границей и закономерное изменение шероховатости поверхности постепен­ного развития излома на различных его участках, а также на различ­ных изломах в зависимости от величины перегрузки детали.

Рассмотрим особенности строения и условия образования выше­перечисленных зон, участков и линий.

Фокусомизлома называется точка, точнее весьма малая зона, где возникает и откуда развивается разрушение. Фокус излома является более локальной зоной, чем очаг разрушения, и поэтому более точно указывает на место зарождения излома. В результате слияния двух трещин, идущих из соседних фокусов, может образо­ваться складка или ступенька в зависимости от того, на каком рас­стоянии эти фокусы расположены друг от друга. Если зародышевые трещины расположены под небольшим углом друг к другу, то после их слияния образуется характерная выпуклость на одной стороне излома и вогнутость на другой.

Образование фокуса излома соответствует первоначальной ста­дии развития усталостного разрушения, на которой возникают зародышевые или субмикроскопические трещины, называемые также надрывами, которые не выявляются при обычных устало­стных испытаниях.

Фокус излома возникает в месте наиболее неблагоприятного сочетания напряжений и прочности материала детали. Усталостные трещины обычно начинаются от наружных, как правило, наиболее нагруженных и чаще повреждаемых участков детали, реже — под поверхностью при внутренних дефектах материала или достаточ­ной глубине поверхностного упрочненного слоя. (рис. 28). Очагом зарождения излома под поверхностным слоем (рис. 28, а) явилось наличие ферритных включений.

а

б

Рис. 28. Участок излома кулачковой шайбы поршневого двигателя (х45) с очагом зарождения, расположенным в цементированном слое (а), и поверхность излома главного шатуна из стали 40ХНМА поршневого двигателя с очагом зарождения, расположенным под слоем, наклепанным в процессе ненормальной работы шатуна (б)

Очагомразрушенияназывается макроскопическая зона зарождения усталостной трещины. Очаги разрушения или началь­ные трещины нередко выявляются на деталях в процессе профилак­тического осмотра или ремонта узла, машины или механизма.

Зона излома, представляющая собой очаг разрушения, обычно характеризуется наибольшими блеском и мелкозернистым строе­нием поверхности.

Причиной образования блестящей, как бы при­тертой, поверхности может служить ее истирание вследствие повтор­ных открываний и закрываний трещины, а также микроизбирательность развития излома. В очаге разрушения при наличии нескольких рядом расположенных фокусов образуется радиально расходящиеся складки и рубцы. От очага разрушения, как из центра, расходятся усталостные линии. В узкой зоне непосредственно в очаге разрушения усталостные линии обычно незаметны.

Изучение поверхностей изломов образцов и деталей показывает, что одновременно может зарождаться несколько трещин усталости из разных фокусов. Чаще всего начальные трещины появляются в виде серии мелких надрывов, располагающихся в большинстве случаев параллельно один другому, с небольшими интервалами, иногда даже перекрывая друг друга или образуя сетку тонких начальных трещин (рис. 29).

Рис. 29. Схема образования ступенек и рубцов: начальные надрывы (а) и излом с рубцами и ступеньками (б).

Если начальные трещины располагаются почти в одной пло­скости, то место их соединения отмечается лишь небольшим руб­цом. Если начальные трещины располагаются на значительном расстоянии друг от друга, то образуются более крупые уступы или отделяются от излома своеобразные иглы и лепестки (рис. 30).

Рис. 30. Участок излома с иглами, отделившимися от поверхности разрушения

Количество ступенек или рубцов, образующихся в результате слияния начальных трещин, указывает на количество фокусов и косвенно на величину перегрузки. Чем выше перегрузка, тем больше в изломе ступенек и рубцов, если только возникновение нескольких фокусов не вызвано влиянием резких и многочисленных концентраторов напряжений (коррозионные раковины, следы грубой механической обработки и т. д.). Высота уступов зависит от формы и расположения концентраторов. Так, например, при вытянутом в линию концентраторе типа надреза с очень малым радиусом закругления, располагающимся перпендикулярно полю главных нормальных напряжений, рубцы в зоне очага могут или совсем отсутствовать или быть очень незначительными. Ступеньки и рубцы также могут отсутствовать в случае развития разрушения от одного точечного концентратора напряжений.

Форма и размеры различных ступенек и рубцов на изломе зави­сят также от степени перегрузки: Чем выше перегрузка, тем вероят­нее возникновение очагов разрушения на более значительном рас­стоянии одий от другого, тем крупнее ступеньки; чем меньше степень перегрузки, тем уже зона цачала разрушения, тем мельче ступеньки, и, следовательно, выше чистота поверхности на участке зарождения излома.

Если начальные трещины расположены на значительном рас­стоянии одна от другой и не оказывают существенного взаимного разгружающего влияния, то возможно разрушение детали по двум и более поверхностям (рис. 31). Например, на рис. 31 показано разрушение болта, которое произошло по двум почти параллельным поверхностям. Если имеется несколько рядом расположенных очагов разру­шения, то трещина, развиваясь по наименьшей поверхности, вырав­нивает ступеньки, образующиеся от слияния нескольких очагов разрушения (рис. 32).

а	б
Рис. 31. Излом (а) и схема излома (б) болта из стали 45, образовавшегося по двум сечениям

Рис. 32. Выравнивание рубца на изломе (ст. 40ХНМА)

Последовательность возникновения очагов разрушения оцени­вается по густоте усталостных линий и блеску поверхности около очагов. Более густое расположение усталостных линий и больший блеск поверхности означает более медленное распространение тре­щин, следовательно, более раннее их возникновение.

Так, из рассмотрения излома шатунной шейки коленчатого вала авиационного двигателя видно (рис. 33), что около одного очага усталостные линии расположены чаще, а поверхность излома более мелкозернистая, что, по-видимому, указывает на первона­чальное зарождение этого очага 1 и образование второго очага 2после перераспределения напряжений в детали, ослабленной трещиной.

Рис. 33. Поверхность (а) и схема (б) излома коленчатого вала из ст. 40ХНМА по масло подводящему отверстию шатунной шейки.

На поверхности излома коленчатого вала другого авиационного двигателя имелось несколько очагов разрушения с примерно оди­наковым блеском поверхности излома около них и одинаковой густотой усталостных линий. Последнее указывает на-одновремен­ное или почти одновременное возникновение очагов вследствие более высокой перегрузки этого вала по сравнению с показанным на рис. 33.

Участок избирательного развития. Усталостные трещины при своем продвижении могут неоднократно изменять направление дальнейшего развития, что приводит к образованию на изломах пасынковых трещин, усталостных линий и других знаков. Изменения в направлении развития трещин вызываются изменением напряженного состояния, которое может происходить от различных причин:

а) при изменении условий внешнего нагружения (например, при появлении изгибающих нагрузок при повторном скручивании и т.п.);

б) из-за перераспределения напряжений, обусловленных развитием трещины;

в) под влиянием соседних близко расположенных трещин, дефектов материала, остаточных напряжений и т.д.

При изменении направления развития первоначальной трещины могут образоваться зародыши трещин, развивающихся в другом направлении. От слияния этих, так называемых, пасынковых трещин образуются вторичные ступеньки и рубцы. Таким образом, пасынковыми т рещинами называются такие трещины, которые развиваются по новому (измененному) направлению, а вторичными ступеньками и рубцами называются уступы, образующиеся от слияния пасынковых трещин. Пасынковые трещины, вторичные ступеньтки и рубцы образуются у границ участка избирательного развития излома.

Лабораторная работа № 9