Старение, коррозия и усталость металлов

Под старением понимается самопроизвольное необратимое изменение свойств и (или) состояния материала, обусловленное структурными превращениями в результате химических и физических процессов, развивающихся в нем при эксплуатации и хранении.

Старению подвержены многие материалы, в первую очередь полимерные и резино-технические материалы, доля которых в конструкции современных машин постоянно возрастает. При старении происходит изменение физико-механических свойств материала (повышение хрупкости, снижение эластичности и износостойкости), искажение геометрических параметров деталей (формы, размеров, положения осей отверстий относительно базовых поверхностей). Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы; менее существенно на старение влияет влага. Процессы старения ускоряются под действием механических напряжений. Различают старение тепловое, световое, озонное и атмосферное.

Процессы старения всегда связаны со временем. В связи с этим для решения задач ремонта необходимо знать законы старения, устанавливающие зависимость процессов старения от времени. Использование этих закономерностей позволяет прогнозировать потерю работоспособности машин и их составных частей.

Коррозия – это поверхностное разрушение металла вследствие его окисления. Процесс разрушения при коррозии протекает самопроизвольно в результате химического и электрохимического взаимодействия металла с окружающей средой. Поэтому коррозионному разрушению подвергаются как работающие машины, так и неработающие, причем последние в большей степени. Все конструкционные металлы и сплавы подвержены коррозии особенно стали и чугуны.

По виду коррозионного процесса различают химическую, электрохимическую и смешанную коррозию.

Химическая коррозия возникает от взаимодействия металла с газами, растворами кислот, щелочей и солей, которые всегда присутствуют в окружающей среде (влага, углекислый газ, кислород и др.). В результате такого взаимодействия на поверхности стальных деталей образуется рыхлый, хрупкий слой оксидов железа (ржавчина), который значительно снижает долговечность деталей.

Электрохимической коррозией называют процесс самопроизвольного взаимодействия металла с жидкостью-электролитом, в ходе которого последовательно протекает окисление металла и восстановление окислительного компонента, при этом окислительный компонент не входит в состав продукта коррозия. Этот процесс возникает в местах контакта двух разнородных металлов или фаз сплава, обладающих различным электродным потенциалом. При наличии в месте такого контакта растворов солей и кислот (электролита) образуется гальваническая пара, где анодом является электрод и более низким электродным потенциалом, а катодом – с более высоким. В гальванической паре возникает процесс перехода ионов анода в раствор электролита, который продолжается до полного растворения анода. Слой электролита при этом может быть весьма незначительным, – достаточно небольшой конденсации влаги из воздуха на поверхности металла. Поэтому электрохимическая коррозия наблюдается и в закрытых помещениях. До 50 % отказов машин являются следствием коррозии из-за нарушения правил хранения (залегание клапанов топливных насосов, засорение жиклеров карбюраторов, отказы контактных пар электроприборов, заклинивание поршней тормозных цилиндров и др.).

Усталостью материала называется процесс постепенного накопления повреждений материала под воздействием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению.

Усталостное разрушение деталей происходит при напряжениях, значительно меньших, чем в случае однократного нагружения. Процесс усталостного разрушения можно разделить на три периода. Пе

Рис. 1.5 – Усталостное разрушение металла

1 – очаг разрушения; 2 – зона стабильного развития трещины; 3 – зона долома; 4 – усталостные бороздки

риод зарождения очага разрушения (микротрещин), период стабильного развития трещины, период окончательного разрушения. Характерный вид усталостного разрушения показан на рисунке 1.2.

На рисунке явно выражены: очаг разрушения 1 – место зарождения микротрещины, зона стабильного развития трещины 2 и зона развития трещины при окончательном разрушении 3. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности в местах наибольшей концентрации напряжений. Поверхность как наиболее нагруженная часть сечения претерпевает микродеформацию (подвергается наклепу), а затем в наклепанной зоне образуются подповерхностные микротрещины, которые развиваются, продвигаясь в глубь металла и образуют усталостную трещину (очаг разрушения). Зарождению очага разрушения способствуют наличие различного рода дефектов поверхности и коррозия.

Первоначально скорость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не становится столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит быстрое разрушение. Время с момента зарождения первой микроскопической трещины усталости размером 0,5-1,0 мм до окончательного разрушения характеризует живучесть конструкции и имеет особое значение для надежности изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем периодического контроля различными физическими методами для выявления усталостных трещин (пружины, рессоры, торсионные и коленчатые валы, поворотные цапфы, полуоси и др.). Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.