Классификация процессов старения

1. Классификация процессов старения по их внешнему проявлению.

 

    Поскольку процессы старения характеризуются  сложными и разнообразными явлениями, происходящими  в материалах деталей  машины, их классификацию целесообразно  провести в зависимости от того внешнего проявления, к которому привел данный процесс. По внешнему проявлению, т.е. по деформации детали, ее износу, изменению свойств и другим показателям, можно судить о степени повреждения материала детали и, следовательно, оценить близость изделия к предельному состоянию.

    Процесс старения может затрагивать весь объем материала детали, или поверхностные  слои, либо протекать при контакте двух сопряженных поверхностей. В  таблице 1 приведена классификация  процессов старения по их внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса.

      
 

    

2. Процессы повреждения  материала детали (объемные явления)

 

    Разрушение  материала детали (его излом) относится, как правило, к недопустимым видам  повреждения. Это связано с тем, что поломка деталей в результате разрушения часто носит лавинообразный характер и протекает с большой скоростью. Поэтому расчеты, связанные с прочностью, оценивают не скорость процесса разрушения, а те условия, при которых данный процесс не возникает. Разрушение материала детали может произойти как в результате возникновения недопустимых статических или динамических нагрузок, так и при длительном действии переменных нагрузок, приводящих к усталостным разрушениям. 
 

    В первом случае будут иметь место  внезапные отказы, так как превышение внешними нагрузками допустимых значений не связано с длительностью предшествующей эксплуатации изделия. Усталостные разрушения относятся к постепенным отказам, так как при работе детали происходит изменение несущей способности материала, и время предшествующей эксплуатации (число циклов нагружения) влияет на вероятность возникновения отказа – усталостной поломки детали. 
 

    Процесс усталостного разрушения рассматривается  как три последовательные стадии:

1. Начальная стадия действия циклических напряжений, когда в металле происходит накопление упругих искажений кристаллической решетки.
2. После определенного числа циклов нагружений упругие напряжения кристаллической решетки достигают критической величины и появляются субмикроскопические трещины.
3. Затем субмикроскопические трещины развиваются до размеров микротрещин, и происходит окончательное разрушение испытуемого образца.

 
 
 

    Обобщенная  диаграмма усталости  приведена на рисунке 1, где ABC -  кривая выносливости (кривая Велера). При напряжениях ниже длительного предела выносливости микротрещины не развиваются. A’B’C’  - линия начала появления субмикроскопических трещин и A’C’ – линия начала образования микротрещин или линия необратимой повреждаемости (линия Френча). При критическом напряжении усталости разрушение происходит через циклов (критическое число циклов).

     Рис. 1. Обобщенная диаграмма усталости.

    

    Рис. 2 Примеры разрушения деталей машин 

    На  рисунке 2 приведены типичные примеры  разрушения деталей машин. Хрупкое разрушение валков прокатного стана (рис.2,а) произошло в результате возникновения недопустимых нагрузок, которые в свою очередь, возникли из-за большого износа опор.

    Усталостная поломка вала (рис.2,б) и зуба шестерни (рис.2,в) произошла из-за повышенной концентрации напряжений, связанной с ошибками при конструировании и изготовлении, или в результате возникновения повышенных циклических динамических нагрузок при эксплуатации изделия. На характер поломки зубьев влияет распределение нагрузки по длине, вид зацепления, источник концентрации напряжений и другие факторы.

    Усталостное разрушение материала не обязательно  должно привести к поломкам детали. Возможно возникновение усталостных  трещин, которые до определенных размеров незначительно снижают работоспособность изделия, и опасность представляет в основном возможность их быстрого роста, приводящая к снижению несущей способности изделия.

    Даже  в таких ответственных конструкциях как обшивка фюзеляжа и крыльев  самолета возникают трещины (рис.2, г), распространение которых локализуют при регламентных работах или устраняют поврежденный участок, заменяя новым.

    Следует подчеркнуть, что современные методы расчетов позволяют в ряде случаев  оценить скорость развития трещин и, следовательно, указать период времени, в течение которого они будут находиться в допустимых пределах.

    Местные разрушения могут проявляться на таких деталях, как трубопроводы гидросистем (рис.2,д), когда из-за превышения допустимых значений давления или из-за понижения прочности материала  детали, например под воздействием высоких температур, происходит местное вздутие, а затем и разрушение данного участка.

    В ряде современных машин разрушение деталей может происходить в  результате большой температурной  и силовой напряженности, в которых  они работают. Так, например, в реактивных двигателях самолетов детали, образующие горячий тракт, - жаровые трубы, кожухи камер сгорания, форсажные камеры и др. – работают в условиях высоких температур, частых изменений теплонапряженности и действия вибрационных нагрузок, вызывающих переменные напряжения. На рис. 2,е показана трещина в стенке кожуха камеры сгорания реактивного двигателя, когда разрушению предшествовал прогар материала, газовая коррозия и абразивный износ стенок, а также накопление усталостных разрушений. Таким образом, разрушение материала, как проявление данного процесса старения, может являться следствием комплекса разнообразных необратимых процессов.

    Наиболее  характерным проявлением процесса старения материала является необратимая  деформация детали. Рост деформации во времени приводит к постепенному изменению начальных параметров изделия, и при высоких требованиях к точности, которые характерны для современных машин, отказ наступает значительно раньше, чем будет исчерпана несущая способность детали.

    Изменение деформации детали во времени связано, как правило, с возникновением на отдельных участках пластических деформаций. При снятии внешних нагрузок упругие деформации исчезают, а при наличии областей, претерпевших пластическое деформирование, процесс перегруппировки внутренних сил протекает более сложно, в результате чего возникают остаточные деформации.

    Например, при длительной работе вала при наличии  кратковременных перегрузок (что  особенно характерно для коленчатых валов двигателей) вал постепенно деформируется, скручивается, а его ось теряет прямолинейность. Для восстановления работоспособности применяют такой технологический процесс, как правка(рихтовка), который может сопровождаться подогревом изделия. Предельная допустимая степень деформации изделия зависит от его назначения и регламентируется ТУ.

    Пластические  деформации деталей, изменяющиеся во времени, особенно, если имеют место повышенные температуры, называются ползучестью. Ползучесть может привести к нарушению  правильной работы изделия. Например, наблюдались случаи, когда вследствие ползучести диска и лопаток газовой турбины перекрывались зазоры, предусмотренные между лопаткой и корпусом, что приводило к поломке лопаток. Ползучесть проявляется в том, что соединения теряют начальный натяг, изменяется начальное взаимное положение деталей и их форма.

    Деформация  деталей может происходить и  при напряжениях, находящихся в  пределах упругости за счет перераспределения  внутренних напряжений. Эти напряжения могут возникнуть в процессе отливки  детали или при структурных превращениях. Так, коробление станин и других корпусных деталей станков может повлиять на точность станка, если не принять специальных методов обработки.

    Если  станина имеет закаленные направляющие, то процессы деформации вызываются также  структурными превращениями в закаленном слое и релаксацией остаточных напряжений, возникших при закалке. Закаленные поверхности становятся вогнутыми, причем основная часть деформации (70-80%) происходит в первые 2-3 месяца.

    Внутренние  процессы, происходящие в материалах после их изготовления и изменяющие их структуру или состав фаз, влияют не только на деформацию изделий, но и могут привести к изменению механических, магнитных и других свойств.

    Например, появление газопроницаемости или  просачивание жидкости через стенку резервуара связано со структурными изменениями материала и приводит, как правило, к недопустимым повреждениям изделия.

    К этой же категории относятся процессы засорения или изменения свойств  жидкостей и газов, если они являются рабочими элементами машины. Например, засорение масла гидросистем или топлива двигателей, изменение свойств газа амортизаторов и т.п. 

    

3. Процессы разъедания.

 

    При взаимодействии поверхности детали с внешней средой в поверхностном  слое могут происходить разнообразные  процессы старения, для которых характерна либо потеря исходного материала, либо присоединение нового материала из окружающей среды.

    В первом случае будет происходить  разъедание поверхности (рис.3) в результате нижеперечисленных процессов. Коррозия металлов и сплавов представляет собой их разрушение в результате химического или электрохимического действия среды. Разрушение всегда начинается с поверхности детали. Различают атмосферную, электрохимическую и газовую (химическую) коррозию.

    

    Рис. 3. Примеры разъедания поверхностей. 

    Атмосферной коррозии подвержены внешние части  машин при действии на них атмосферных  осадков и влажного воздуха –  кузова и кабины автомашин, обшивка  самолетов и т.п. Атмосферная коррозия является по существу одним из проявлений электрохимической коррозии, когда влажные газы и жидкие электролиты создают условия для протекания реакций окисления и восстановления (анодные и катодные реакции). Протеканию процессов электрохимической коррозии способствует неоднородность материала, когда отдельные участки поверхности обладают различными значениями электродного потенциала. Так, из-за отдельных включений, наличия пленок, различного напряженного состояния участков поверхности возникает большое число микрогальванических элементов, генерирующих коррозионный ток.

    Электрохимическая коррозия особенно характерна для подводных  частей морских судов, установок  химической промышленности, для машин  при их хранении. Газовая (химическая) коррозия возникает при контакте металлов и сплавов с сухими газами или неэлектролитными теплоносителями. Типичными примерами этих процессов являются высокотемпературное окисление деталей газовых турбин, котельных топок, клапанов двигателей внутреннего сгорания.

    Коррозия  в сочетании с действием переменного  напряжения может привести к коррозионной усталости материала. Такие элементы машин, как гребные винты судов, металлические канаты, рессоры, элементы гидронасосов часто подвергаются коррозионной усталости.

    Одним из опасных видов коррозионного  разрушения является растрескивание поверхности  при одновременном действии коррозионной среды и статических или повторно-статических нагрузок. Склонность металлических поверхностей к разрушениям в активных рабочих средах определяется тремя основными факторами:

    - свойствами металла (исходными  и измененными в результате технологического процесса), наличием в нем дефектов и неоднородностей;

    -напряженным  состоянием материала изделия,  которое определяет энергетические  условия для возникновения процесса  образования трещин;

    -воздействием  среды, которая определяет активность коррозионных процессов, а также сопутствующие тепловые, эрозионные, кавитационные и другие процессы.

    Влияние каждого из этих факторов определяет характер ведущего процесса разрушения поверхности – механического (влияние  среды незначительно), сплошной коррозии (роль напряжений невелика), коррозионного растрескивания (одновременное действие активной среды и внутренних напряжений).

    При действии на поверхность детали потока газа или жидкости при определенных условиях (большая скорость потока, наличие в нем абразивных частиц и т.п.) может привести к «размыванию», эрозии поверхностного слоя. На поверхности появляются локальные пятна, выбоины, кратеры, царапины и т.п. Интенсивность повреждения при эрозии может быть значительной, если поток газа или жидкости обладает большой кинетической энергией и может создавать высокие напряжения в поверхностном слое.

    Повреждение от эрозии в первый период развивается, как правило, с малой интенсивностью. Затем с повышением хрупкости поверхностного слоя из-за действия на него потока появляются микротрещины, и процесс разрушения протекает все с большей скоростью.