Усталостные изломы

7.1. Основные типы усталостных изломов

В авиации, железнодорожноми автомобильномтранспорте и других областях техники усталостные изломы являются наиболее распространенным видом разрушения деталей машин и механизмов, В связи с этим умение правильно анализировать усталостные изломы часто имеет решающее значение для установления причин поломок.

Усталостные изломы возникают после многократного нагруженияобразцов или деталей при напряжениях, обычно не превышающих предел текучести материала, или более низких. Этим объясняется отсутствие следов макропластической деформации на участке соб­ственно усталостного развития излома.

Зарождению усталостной трещины, обнаруживаемой существую­щими экспериментальными методами, предшествует возникновение сдвигов и первоначальных или зародышевых трещин. Некоторые из трещин, располагающиеся в относительно наиболее напряженном месте, сливаются и дают начало основной или магистральной уста­лостной трещине. На пути продвижения магистральной усталостной трещины в микрообъемах происходят пластические деформации. Поэтому усталостные изломы по признакам 1 рода (макроскопи­ческим) можно отнести к категории хрупких, при микроскопи­ческом же рассмотрении они являются пластичными.

По мере постепенного развития трещин усталости поперечное сечение детали все сильнее ослабляется и, наконец, оказываетсянедостаточным для восприйтия действующих нагрузок. Тогда насту­пает период окончательного разрушения, долома, который протекает с повышенной скоростью.

Строение усталостных изломов зависит в основном от трех усло­вий:

1) нагружения в процессе зарождения и развития усталостной трещины;

2) сопротивления детали, определяемого ее геометрической фор­мой, свойствами материала и состоянием поверхности;

3)внешней среды (температура, коррозионные воздействия и пр.).
В настоящее время термин «усталостный излом» объединяетнесколько групп изломов:

- типичные усталостные изломы;

- повторно-статические изломы (а также повторно-ударные изломы);

- ударно-усталостные изломы;

- коррозионно-усталоетные изломы;

- изломы термической усталости;

- усталостные изломы при повышенных температурах.

Особую группу составляют поверхностные усталостные разру­шения, образующиеся под действием многократных контактныхнагружений. Эти разрушения не отнбсятся к изломам в обычном смысле, так как поверхность контактного разрушения является сочетанием многочисленных, часто очень мелких сколов и состоит из серии элементарных изломов. Ниже приводится краткая характеристика каждой из перечисленных групп изломов.

7.2.Типичные усталостные изломы

Типичные изломы образуются без существенного влияния коррозионно-активных и адсорбционных веществ и температуры при частотах от сотен до десятков тысяч нагружений в минуту, причем количество циклов до разрушения превышает сотни тысяч.

Типичные усталостные изломы являются наиболее распростра­ненным видом усталостных разрушений. Описание их строения дается ниже в отдельном разделе.

7.3. Повторно-статические изломы

Повторно-статические изломывозникают после сравнительно небольшого количества статических нагружений — обычно не более десяти тысяч, причем частота нагружения, как правило, не превышает нескольких десятков циклов в минуту. Изломы этого типа являются промежуточными между типично-усталостными и статическими.

Повторно-статические изломы встречаются, например, в деталях шасси самолетов, которые испытывают повторные перегрузки при посадках самолетов.

Повторно-статические изломы характеризуются заметными сле­дами пластической деформации, особенно на участке окончатель­ного разрушения (половинки излома при приложении их один к дру­гому соприкасаются неполностью). На поверхности повторно-стати­ческих изломов иногда образуются радиальные лучи, сходные с наблю­даемыми при статическом хрупком разрушении детали. Однако часто поверхность повторно-статических изломов имеет характерные для типичных усталостных изломов признаки: две зоны (собственноусталостного развития и долома), усталостные линии (рис. 22).

а	б
Рис. 22. Поверхности повторно-статических изломов деталей из дуралюмина марки Д1 с двумя зонами (а) и усталостными линиями (б).

Характерной особенностью повторно-статических, так же как и Типичных усталостных, изломов является наличие своеобразных отложений на поверхности изломов, образующихся, по-видимому, в результате разрушения материала в микрообъемах и окисления мельчайших обломков материала.

Однако удаление этих отложений с поверхности типичных усталостных изломов путем протирания канцелярской резинкой проясняет строение, тогда как после удаления отложений с поверхности повторно-статических изломов исчезает характерный рисунок и часто становятся почти неотличимыми зоны собственно усталостного развития и долома.

7.4. Ударно - усталостные изломы

Ударно-усталостные изломы образуются от много­кратного приложения ударной нагрузки, например, в деталях огне­стрельного оружия, клапанных механизмов поршневых двигателей и др. По своему строению ударно-усталостные изломы мало отличаютсяот типичныхусталостных¹. Поэтому обособление ударно-усталостных изломов в отдельную группу полезно лишь для характеристики условий их образования.

7.5.Коррозионно-усталостные изломы

Коррозионно-усталостные изломы образуются от одновременного действия многократных нагрузок и среды, вызы­вающей коррозию материала.

Коррозионно-усталостные трещины распространяются не ориен­тированно, как при усталостных разрушениях в неагрессивной среде, а идут в разных направлениях. По своему строению трещины, вызванные коррозионной усталостью, аналогичны трещинам, возникающим только при одной коррозии без воздействия внешних нагрузок. Сумма же повреждений от переменных нагрузок и от коррозии в отдельности гораздо меньше, чем от их совместного действия. Это объясняется отчасти тем, что, отлагаясь в трещинах, продукты коррозии вызывают их расклинивание и тем самым ускоряют процесс коррозионно-усталостного разрушения.

При разрушении от коррозионной усталости вначале образуются очаги коррозии, от них развиваются трещины, после заполнения которых продуктами коррозии происходит коррозионное растре­скивание или коррозионно-усталостное разрушение. Рядом с изломом обычно можно выявить сетку коррозионно-усталостных трещин (фиг. 23). Поверхность коррозионно-усталостного излома резко отличается от типичного усталостного, так как она глубоко повреждена коррозией и испещрена сеткой трещин.

Рис. 23. Участок разрушения (а) и поверхность коррозионно-усталостного излома (б) обшивки самолета из дуралюмина марки Д1.

7.6. Изломы термической усталости

Изломы термической усталостивызываются циклическими температурными напряжениями в результате повтор­ных нагревов и охлаждений.

Впервые термическую усталость изучал Д. К. Черновпри установлении причин растрескивания артиллерийских стволов. При­мерами разрушений от термической усталости являются растрески­вание охлаждаемых водой штампов для горячей штамповки деталей, бандажей колес железнодорожных вагонов вследствие многократ­ных нагреваний при торможении.

В последние годы разрушение от термической усталости интен­сивно изучается для деталей реактивных двигателей и атомных реакторов

.

7.7. Усталостные изломы при повышенных тем­пературах

Усталостные изломы при повышенных тем­пературах по наличию цветных, иногда радужных, полос-колец роста трещин напоминают изломы вследствие термической усталости, однако отличаются от последних более четким выделе­нием фокуса и зон развития.

На рис.24 показан излом головки цилиндра порш­невого двигателя из литого алюминиевого сплава марки Ал5.

а	б
Рис. 24. Поверхность (а) и схема излома (б) головки цилиндра поршневого двигателя вследствие усталости при повышенной температуре.

Аналогичный излом был получен при специальном испытании нового цилиндра при повышенных температурах на двигателе. При испытании были несколько ухудшены условия охлаждения головки цилиндра, имитирующие «перегрев» двигателя в эксплуа­тации. Трещины образовались за 30 час.работы двигателя. При эксплуатации подобные трещины иногда появлялись на двигателях через 1000, чаще после 2000 час.работы. В течение этого времени, головка цилиндра испытывает примерно 1000—5000 циклов смены температур в то время, как при испытании было всего 30 остановок (30 температурных циклов).

7.8. Контактное усталостное разрушение

Контактное усталостное разрушение,назы­ваемое также питтингом, шелушениемили осповидным износом, заключается в выкрашивании материала с поверхности контактируюшихся деталей, имеющих значительные взаимные перемещения (подшипники качения и скольжения, зубья зубчатых колес, поверх­ности катания бандажей и головок рельсов и т. п.).

Выкрашивание образуется там, где направление силы трения и направление перемещения точки контакта взаимно противопо­ложны, таким образом, при скольжении двух цилиндрических поверхностей, перекатывающихся друг по другу, питтинг образуется только на отстающей, но не на опережающей поверхности.

Лабораторная работа № 8