Вы когда-нибудь задумывались, почему ваша надежная машина внезапно ломается? В этой статье рассматриваются скрытые причины механических поломок - от конструктивных недостатков до дефектов материалов. Прочитав статью, вы узнаете практические советы по продлению срока службы вашего оборудования и обеспечению бесперебойной работы.
Причины отказов механического оборудования различны: одни связаны с дефектами, присущими самому оборудованию, другие - с проблемами проектирования, например, с необоснованными конструктивными особенностями, размерами, согласованием и выбором материалов. Существуют также проблемы, связанные с дефектами материалов деталей, например, неравномерное качество материала, чрезмерное внутреннее остаточное напряжение и т. д.
Производственные проблемы, такие как технические проблемы механической обработки, литья, ковки, термообработки, сборки и стандартных деталей в процессе производства, также способствуют возникновению отказов. Кроме того, проблемы со сборкой, такие как неправильный выбор и подгонка деталей, а также неправильная установка, могут привести к проблемам. Наконец, проблемы с проверкой и тестированием также могут стать причиной отказов оборудования.
Механическая деталь считается вышедшей из строя, когда она утрачивает свою заданную функцию. Деталь считается вышедшей из строя, если она находится в одном из следующих двух состояний: она не может выполнить свою заданную функцию или ее нельзя надежно и безопасно продолжать использовать.
Отказ деталей является основной причиной поломок механического оборудования. Поэтому изучение характера отказов деталей, выявление причин их неисправностей и принятие мер по их улучшению имеют большое значение для снижения частоты механических отказов и продления срока службы оборудования.
Основным проявлением разрушения механических деталей является износ рабочих сопрягаемых поверхностей деталей, на долю которого приходится наибольшая часть повреждений деталей. Коррозия и старение материала - еще один неизбежный вид разрушения в процессе работы деталей, но их доля, как правило, значительно меньше. Эти две формы разрушения, по сути, суммируют основные режимы разрушения механических деталей в нормальных условиях эксплуатации.
Другие формы неудач, такие как усталостное разрушение и деформация деталей, хотя и часто встречаются на практике и считаются наиболее опасными видами отказов, в основном обусловлены производственными и конструктивными дефектами или неправильным обслуживанием и эксплуатацией машин.
Анализ отказов - это исследование и изучение характеристик и правил таких явлений или процессов, как износ, разрушение, деформация и коррозия деталей, с целью выявления основных причин отказа и принятия соответствующих методов контроля.
Целью анализа отказов является создание надежной основы для разработки технических схем ремонта и контроля отдельных факторов, вызывающих отказ, для снижения интенсивности отказов оборудования и продления срока его службы.
Кроме того, анализ отказов может предоставить информацию для обратной связи при проектировании и производстве оборудования, а также объективные данные для идентификации аварийного состояния оборудования.
1) Характер износа компонентов
Хорошо известно, что из таких фундаментальных узлов, как детали и компоненты, состоят такие машины, как автомобили и тракторы. Пары трения, состоящие из множества деталей, такие как подшипники, шестерни, узлы поршень-цилиндр, испытывают определенное трение и изнашиваются, пока окончательно не выйдут из строя под воздействием внешних сил и факторов окружающей среды, таких как тепло и химические вещества.
Среди всех механических отказов значительную долю составляют неисправности, связанные с износом. Поэтому понимание характера износа компонентов и их сопряженных пар очень важно.
a) Типичная кривая износа компонентов
Износ является одним из видов прогрессирующих неисправностей. Например, неисправности, вызванные износом цилиндров, отличаются от внезапных неисправностей, таких как разрыв ремня вентилятора или пробой конденсатора: последние являются внезапными неисправностями, в то время как неисправности, вызванные износом, являются затухающими неисправностями.
b) Допустимый износ и предельный износ
2) Абразивный износ
Абразивный износ, также известный как износ частицами, возникает, когда твердые частицы находятся между контактными поверхностями пар трения, или когда твердость материала одной стороны значительно выше, чем другой, что приводит к явлению износа, похожему на резка металла.
Это вид механического износа, характеризующийся видимыми следами резания на контактной поверхности. Среди всех видов износа на абразивный износ приходится примерно 50%, что делает его наиболее распространенным и разрушительным видом износа.
Скорость и интенсивность износа высоки, что значительно сокращает срок службы механического оборудования и приводит к значительному расходу энергии и материалов.
В зависимости от нагрузки и воздействия, которому подвергается поверхность трения, абразивный износ можно разделить на три типа: резцовый, высоконагруженный шлифовальный и низконагруженный царапающий.
a) Механизм абразивного износа
Механическое воздействие абразивных частиц включает в себя два процесса: первый - это процесс микрорезания вдоль поверхности трения абразивными частицами; второй - это переменное контактное напряжение на поверхностном слое, вызванное частицами, что приводит к постоянно меняющимся плотным отпечаткам на поверхностном слое и, в конечном итоге, к эрозии из-за усталости поверхности.
Источниками абразивных частиц являются внешняя пыль и песок, попадание стружки, занос жидкости, обломки поверхностного износа, поверхностные твердые участки структуры материала и включения. Примечательной особенностью абразивного износа является наличие на поверхности износа крошечных канавок, параллельных направлению относительного движения, со спиральными, круглыми или изогнутыми крошечными стружками и некоторым количеством порошка.
b) Меры по снижению абразивного износа
Абразивный износ вызывается механическим воздействием абразивных частиц на поверхность пары трения. Поэтому к стратегиям уменьшения или устранения абразивного износа можно подойти со следующих двух сторон.
i) Уменьшение попадания абразивов
Не допускайте попадания внешних абразивов в пары трения механического оборудования и своевременно удаляйте стружку, образующуюся в процессе обкатки.
Конкретные меры включают установку воздушных и топливных/масляных фильтров, добавление пылезащитных уплотнительных устройств, установку магнетита, камер для сбора стружки и индикаторов загрязнения масла в системе смазки, а также регулярную очистку и замену устройств фильтрации воздуха, топлива и масла.
ii) Повышение износостойкости поверхностей компонентов
Во-первых, можно выбрать материалы с хорошей износостойкостью.
Во-вторых, для деталей, требующих износостойкости и подверженных ударным нагрузкам, термообработка и обработка поверхности может использоваться для улучшения свойств поверхности материала детали, повышения твердости поверхности и стремления превзойти твердость абразива.
В-третьих, для деталей с менее жесткими требованиями к точности на рабочую поверхность можно наваривать износостойкие сплавы для повышения износостойкости.
3) Износ клея
Под адгезионным износом понимается вид износа, вызванный переносом материала с одной поверхности трения на другую при относительном движении. В зависимости от степени повреждения поверхности пары трения, адгезионный износ можно разделить на пять типов: незначительный износ, размазывание, потертость, разрыв и заедание.
① Механизм изнашивания клея
Когда пара трения работает в условиях высокой нагрузки, тепло, выделяемое из-за плохой смазки, высокой относительной скорости движения и трения, не может рассеиваться достаточно быстро, что приводит к чрезвычайно высокой температуре поверхности.
В тяжелых случаях поверхностный слой металла может размягчиться или расплавиться, снизив прочность поверхности. Выступы поверхности под высоким давлением прилипают друг к другу и впоследствии отрываются при относительном движении. Это приводит к переносу материала с более слабой поверхности на более сильную, что приводит к катастрофическому повреждению пары трения, например, заеданию или царапанию.
② Меры по снижению износа клея
a. Контроль состояния поверхности пары трения
Чем чище и глаже поверхность трения, тем больше вероятность износа клея, особенно если шероховатость поверхности слишком мала. На металлических поверхностях часто образуются адсорбированные пленки, которые могут быть нарушены при пластической деформации или повышении температуры на 100-200℃, что может привести к адгезионному износу.
Чтобы уменьшить износ клея, необходимо выбрать подходящий смазочный материал в зависимости от нагрузки, температуры, скорости и других условий работы.
В смазку также могут добавляться присадки для создания необходимых условий смазывания. Кислород в атмосфере может образовывать защитную оксидную пленку на поверхности металла, предотвращая прямой контакт металла и адгезию, снижая трение и износ.
b. Контролировать Состав материала и микроструктура поверхности пары трения
Адгезионный износ чаще всего возникает между двумя металлическими материалами со схожим составом и микроструктурой из-за их сильной склонности к образованию твердых растворов или интерметаллических соединений.
Поэтому материалы пары трения должны быть с наименьшей склонностью к образованию твердых растворов, то есть иметь разный состав и кристаллическую структуру.
Покрытие одной поверхности пары трения такими металлами, как свинец, олово, серебро или медь, или мягкими сплавами, может повысить стойкость к адгезионному износу. Использование таких материалов, как баббит или алюминиевая бронза, в качестве материала поверхности вкладышей подшипников может повысить их стойкость к адгезионному износу. Сопряжения из стали и чугуна также хорошо противостоят адгезионному износу.
c. Улучшение условий теплопередачи
Выбрав материалы с хорошей теплопроводностью и охладив пару трения или приняв соответствующие меры по отводу тепла, можно снизить температуру во время относительного движения пары трения, сохранив прочность поверхности пары трения.
4) Усталостный износ
Усталостный износ - это явление, при котором микроскопические частицы материала разрушаются из-за усталостных трещин, образующихся при циклическом контактном напряжении на локализованных участках поверхности пары трения. В зависимости от контакта и относительного движения между парами трения усталостный износ можно разделить на усталостный износ при контакте качения и усталостный износ при контакте скольжения.
① Механизм усталостного изнашивания
Процесс усталостного изнашивания представляет собой разрушительный процесс образования и расширения трещин, а также образования и осыпания микроскопических частиц. Абразивный износ и адгезионный износ связаны с непосредственным контактом с поверхностью пары трения. Если смазочный материал разделяет две поверхности трения, эти два механизма износа не работают.
При усталостном износе, даже если между поверхностями трения есть смазка и они не соприкасаются напрямую, он все равно может произойти из-за напряжения, передающегося через масляную пленку.
В отличие от абразивного и адгезионного износа, усталостный износ происходит не сразу, а после определенного количества циклов нагрузки, микроскопические частицы отпадают, в результате чего пара трения теряет свою работоспособность. Механизмы усталостного износа можно разделить на следующие два случая в зависимости от места образования трещины.
a. Усталостный износ при контакте с качением
Появление на поверхности пар трения относительного качения, таких как подшипники качения и зубчатые передачи, колючих или точечных ямок различной глубины (глубиной менее 0,1-0,2 мм) или высыпание частиц большей площади обусловлено усталостным износом при контакте качения, также известным как точечный или скользящий износ.
b. Усталостный износ при скользящем контакте
Для двух скользящих соприкасающихся объектов напряжение сдвига достигает максимума на глубине 0,786b под поверхностью (b - половина ширины плоскости контакта), где пластическая деформация наиболее сильна. Многократные деформации при циклических нагрузках ослабляют местную прочность на поверхности материала, и здесь впервые появляются трещины.
Совместное действие напряжения сдвига, вызванного трением скольжения и нормальной нагрузкой, смещает максимальное напряжение сдвига с 0,786b на более глубокую поверхность, что приводит к усталостному износу при скольжении. Глубина отслоившегося слоя обычно составляет 0,2-0,4 мм.
② Стратегии по снижению или устранению усталости
Стратегии по снижению или устранению усталостного износа включают в себя контроль факторов, влияющих на образование и расширение трещин, в основном в следующих двух аспектах.
a. Правильный выбор материала и термической обработки
Наличие неметаллических включений в стали может легко вызвать концентрацию напряжений, а края этих включений с большой вероятностью образуют трещины, снижая тем самым контактную усталостную долговечность материала. Микроструктура материала и внутренние дефекты также сильно влияют на износ.
Как правило, мелкие, однородные зерна и сферически распределенные карбиды повышают усталостную долговечность контакта при прокатке. Когда содержание углерода в мартенсит составляет около 0,4%-0,5% при тех же условиях нерастворенных карбидов, прочность и вязкость материала хорошо сбалансированы, а контактная усталостная долговечность высока.
Для нерастворенный карбидов, соответствующая термическая обработка, чтобы сделать их меньше, мельче и равномерно распределенными, может помочь устранить усталостные трещины. Увеличение твердости в определенном диапазоне также повышает сопротивление контактной усталости.
Например, подшипниковая сталь Твердость поверхности достигает максимума противоусталостной износостойкости при температуре около 62HRC. Для зубьев шестерен оптимальным является диапазон твердости 58-62HRC.
Кроме того, большое значение имеет соответствие твердости двух контактирующих тел качения. Например, в подшипниках качения целесообразно, чтобы дорожка качения и тела качения имели одинаковую твердость или чтобы тела качения были примерно на 10% тверже, чем дорожка качения.
b. Правильный выбор шероховатости поверхности
Опыт показывает, что снижение шероховатости поверхности является эффективным способом повышения противоусталостной износостойкости. Например, при снижении шероховатости поверхности подшипника качения с Ra 0,40 мкм до Ra 0,20 мкм срок службы может быть увеличен в 2-3 раза; при снижении Ra 0,20 мкм до Ra 0,10 мкм срок службы может быть увеличен вдвое.
Однако снижение этого показателя ниже Ra 0,05 мкм практически не влияет на продление срока службы. Требования к шероховатости поверхности связаны с контактным напряжением на поверхности. Обычно при высоком контактном напряжении или высокой твердости поверхности требуется меньшее значение шероховатости.
Кроме того, состояние поверхностного напряжения, степень точности подгонки и характер смазочное масло могут влиять на скорость усталостного износа. Как правило, чрезмерные поверхностные напряжения, слишком маленькие или слишком большие зазоры в фитингах или коррозионные вещества, образующиеся в смазочном масле в процессе эксплуатации, могут усугублять усталостный износ.
5) Коррозионный износ
① Механизм коррозионного износа
В процессе трения металлы одновременно вступают в химическую или электрохимическую реакцию с окружающей средой, вызывая образование и отслоение продуктов коррозии на поверхности металла. Это явление называется коррозионным износом.
Это явление износа, возникающее в результате сочетания коррозии и механического износа, поэтому его механизм отличается от механизмов абразивного износа, адгезионного износа и усталостного износа. Это чрезвычайно сложный процесс изнашивания, который часто происходит при высоких температурах или во влажной среде и чаще всего в условиях воздействия специальных сред, таких как кислоты, щелочи и соли.
В зависимости от агрессивной среды и свойств материала коррозионный износ обычно делится на две категории: окислительный износ и коррозионный износ в специальных средах.
a. Окислительный износ
Этот тип износа, известный как окислительный износ, возникает, когда оксидная пленка, образовавшаяся на поверхности трения под действием кислорода воздуха или смазочного материала, быстро удаляется при механическом трении. Подавляющее большинство металлов, используемых в промышленности, могут образовывать поверхностную оксидную пленку при окислении, и свойства этих оксидных пленок оказывают значительное влияние на износ.
Если на поверхности металла образуется плотная, неповрежденная оксидная пленка, прочно связанная с подложкой, и эта пленка обладает хорошей износостойкостью, износ будет незначительным.
Однако если износостойкость пленки плохая, износ будет сильным. Например, и алюминий, и нержавеющая сталь легко образуют оксидную пленку, но износостойкость оксидной пленки на поверхности алюминия плохая, а на поверхности нержавеющей стали - хорошая, поэтому нержавеющая сталь обладает большей износостойкостью к окислению, чем алюминий.
b. Коррозионный износ в специальных средах
Форма износа, при которой продукты коррозии, образующиеся на поверхности трения под действием электролитов, таких как кислоты и щелочи в окружающей среде, быстро удаляются при механическом трении, называется коррозионным износом в специальных средах.
Механизм этого износа схож с механизмом окислительного износа, но скорость изнашивания гораздо выше. Природа среды, температура окружающей среды, прочность продуктов коррозии, адгезия и другие факторы оказывают значительное влияние на скорость износа.
Такой тип коррозионного износа весьма вероятен, например, в насосах для транспортировки жидкостей, в которых при транспортировке агрессивных жидкостей, особенно жидкостей, содержащих твердые частицы, все детали, контактирующие с жидкостью, подвергаются коррозионному износу.
② Меры по снижению коррозионного износа
a. Выбор правильного материала и нанесение антиокислительной обработки на поверхность. Для повышения стойкости поверхности трения к окислительному износу можно выбрать сталь, содержащую такие элементы, как хром, никель, молибден и вольфрам.
В качестве альтернативы можно использовать укрепляющие процедуры, такие как уколы упрочнение и вальцевание, или анодная обработка, могут быть применены к поверхности трения для формирования плотной структуры или оксидной пленки на поверхности металла, тем самым улучшая его окислительную износостойкость.
b. При коррозионном износе под действием определенных сред скорость износа можно снизить, контролируя условия образования коррозионной среды, выбирая подходящие износостойкие материалы и изменяя способ воздействия коррозионной среды.
6) Фреттинг-износ
Фреттинг-износ, возникающий, когда две неподвижные контактные поверхности испытывают вибрации малой амплитуды, в основном проявляется на относительно неподвижных поверхностях сопряжения деталей, таких как поверхности шпоночного соединения, поверхности интерференционной или переходной посадки, а также поверхности, соединенные болтами или заклепками на корпусе машины. Поэтому его часто не замечают.
Основной опасностью фреттинг-износа является снижение точности подгонки, уменьшение интерференции сопряженных деталей и даже их расшатывание. Это может привести к ослаблению или разъединению соединений, а в тяжелых случаях - к несчастным случаям. Фреттинг-износ также может вызвать концентрацию напряжений, что приводит к усталостное разрушение разъемов.
i) Механизм фреттинг-износа
Фреттинг-износ - это комбинированный вид износа, включающий в себя абразивный, адгезионный и окислительный износ. Обычно он концентрируется в локальной области, где контактное напряжение вызывает пластическую деформацию микроскопических выступов на поверхности контакта, что приводит к сцеплению металла.
Под воздействием повторяющихся вибраций малой амплитуды точки сцепления срезаются, а срезанные поверхности окисляются. Поскольку соприкасающиеся поверхности никогда не теряют контакта, частицы износа нелегко удалить. Эти частицы действуют как абразивы на контактной поверхности под воздействием вибраций, таким образом, фреттинг-износ представляет собой комбинацию адгезионного, окислительного и абразивного износа.
ii) Меры по уменьшению или устранению фреттинг-износа
Практический опыт показывает, что свойства материалаОсновными факторами, влияющими на фреттинг-износ, являются нагрузка, размер амплитуды и температура. Поэтому основные стратегии по снижению или устранению фреттинг-износа включают следующее:
a) Улучшение свойств материала
Выбор подходящих пар материалов и повышение твердости могут уменьшить фреттинг-износ. Как правило, материалы с хорошими антиадгезионными свойствами также устойчивы к фреттинг-износу, в то время как такие пары, как алюминий - чугун, алюминий - нержавеющая сталь, инструментальная сталь - нержавеющая сталь, которые обладают плохими антиадгезионными свойствами, более подвержены фреттинг-износу.
Увеличение поверхностной твердости углеродистой стали с 180HV до 700HV может снизить фреттинг-износ на 50%. Обработка поверхности серой или фосфатированием, а также нанесение политетрафторэтиленовых (PTFE) покрытий также являются эффективными мерами по снижению фреттинг-износа.
b) Контроль нагрузки и увеличение предварительного напряжения
При определенных условиях величина фреттинг-износа увеличивается с ростом нагрузки, но скорость увеличения постоянно снижается. После превышения определенной критической нагрузки износ уменьшается. Таким образом, управление предварительным напряжением или интерференцией в интерференционных посадках может эффективно замедлить фреттинг-износ.
c) Амплитуда управления
Эксперименты показали, что когда амплитуда мала, скорость износа также невелика. Однако при амплитуде 50-150 мкм скорость износа значительно возрастает. Поэтому амплитуду следует эффективно контролировать в пределах 30 мкм.
г) Правильно контролировать температуру
Для низкоуглеродистой стали при температуре выше 0℃ величина износа постепенно уменьшается по мере повышения температуры. Резкое снижение износа происходит при 150-200℃, но если температура продолжает расти, износ увеличивается. При повышении температуры от 135℃ до 400℃ износ может увеличиться до 15 раз. Для среднеуглеродистой стали переломный момент в фреттинг-износе наступает при 130℃ при постоянных условиях. Выше этой температуры количество фреттинг-износа значительно уменьшается.
e) Выберите подходящую смазку
Эксперименты показывают, что обычные жидкие смазки неэффективны для предотвращения фреттинг-износа. Смазки с высокой вязкостью, высокой температурой каплепадения и сильным сопротивлением сдвигу оказывают некоторое влияние на предотвращение фреттинг-износа. Наиболее эффективными являются твердые смазочные материалы, такие как MoS2.
7) Контроль износа
① Факторы контроля
Факторы, влияющие на износ, сложны, но в целом их можно разделить на четыре категории: свойства материала, условия эксплуатации, геометрические факторы и рабочая среда, каждая из которых включает в себя множество специфических элементов.
Примечательно, что не каждый процесс изнашивания требует всестороннего учета этих факторов. Для конкретного состояния износа некоторые факторы могут иметь решающее значение и требовать рассмотрения, в то время как другие могут быть несущественными или даже не иметь значения.
② Общие соображения по выбору материала для износостойких деталей
Независимо от условий износа, правильный выбор материалов для контроля износа деталей и обеспечения качества продукции имеет решающее значение. Первый шаг в выборе правильного материала включает в себя детальное понимание условий эксплуатации и окружающей среды детали. На основе этого определяются общие эксплуатационные требования к детали.
В целом, эти общие требования к производительности можно разделить на две основные категории: нетрибологические требования к производительности и трибологические требования к производительности. Нетрибологические эксплуатационные требования можно также разделить на два типа: общие эксплуатационные требования и специальные эксплуатационные требования.
Рассмотрим в качестве примера подшипник скольжения. Как механическая деталь, он должен обладать определенной прочностью, пластичностью, обрабатываемостью и экономичностью, что является общими требованиями к механическим деталям.
Однако, будучи подшипником скольжения, он также должен обладать соответствующей твердостью и хорошей теплопроводностью, что является особыми требованиями в рамках нетрибологических эксплуатационных требований.
Разумеется, для компонентов трения наиболее важными являются трибологические требования, поэтому их классифицируют отдельно. К ним обычно относятся условия повреждения поверхности, коэффициент трения, скорость изнашивания и эксплуатационные пределы.
Условия или тенденции повреждения поверхности в случае скользящего износа в основном зависят от совместимости между сопрягаемыми материалами. Как уже отмечалось ранее, два металла с высокой взаимной растворимостью могут сильно сцепляться или свариваться друг с другом, вызывая царапины или сцепление. Это относится к сплавам на основе железа, никеля, а также к титановым сплавам и алюминиевые сплавы.
Однако на материалы с высокой твердостью, такие как закаленная сталь с твердостью выше 60 HRC, это ограничение не распространяется, что означает, что они могут использоваться в условиях самоподбора.
Что касается коэффициента трения, то в некоторых ситуациях его необходимо учитывать особо, например, в тормозных устройствах, зажим устройства, а также некоторые передающие устройства. Как правило, коэффициент трения определяет динамические характеристики системы, поверхностное напряжение материала, температуру поверхности и мощность, необходимую системе.
Что касается скорости износа, то она напрямую влияет на срок службы детали, и ее важность при выборе материала очевидна. Важно подчеркнуть, что механизмы износа в различных условиях эксплуатации могут сильно различаться.
Для снижения скорости изнашивания при различных механизмах или типах износа требования к характеристикам материалов не совсем одинаковы. Поэтому решающим моментом при выборе материалов для изнашиваемых деталей является определение доминирующего механизма износа.
Под коррозионным повреждением деталей понимается явление потери материала поверхности, разрушение качества поверхности и повреждение внутренней кристаллической структуры, вызванное химической или электрохимической реакцией между металлические материалы и окружающей среды, что в конечном итоге приводит к разрушению детали.
Коррозионное повреждение металлических деталей имеет следующие характеристики: повреждение всегда начинается с поверхностного слоя металла, часто сопровождается внешними изменениями, такими как ямы, пятна и разрывы. Поврежденный металл превращается в соединения, такие как оксиды или гидроксиды, образуя коррозионные вещества, частично прилипшие к поверхности металла, например слой оксида железа, прилипший к ржавой стальная пластина.
1) Виды коррозии Урон
Исходя из механизма взаимодействия металла и среды, коррозионные повреждения механических деталей можно разделить на две основные категории: химическая коррозия и электрохимическая коррозия.
① Химическая коррозия механических деталей
Химическая коррозия - это коррозия, вызванная химической реакцией между металлом и средой без образования электрического тока, когда среда является непроводящей.
Среда, вызывающая химическую коррозию, обычно принимает две формы: газовая коррозия, возникающая в сухом воздухе, высокотемпературных газах и других средах, и коррозия в растворах неэлектролитов, возникающая в органических жидкостях, бензине, смазочных маслах и других средах.
При контакте с металлом они вступают в химические реакции, образуя поверхностную пленку, что приводит к коррозии деталей, поскольку пленка постоянно отпадает и восстанавливается.
Большинство металлов могут самопроизвольно окисляться на воздухе при комнатной температуре. Однако, как только на поверхности образуется оксидный слой, если он может эффективно изолировать перенос вещества между металлом и средой, он становится защитной пленкой. Если же оксидный слой не может эффективно предотвратить реакцию окисления, металл будет продолжать окисляться и подвергаться коррозии.
② Электрохимическая коррозия металлических деталей
Электрохимическая коррозия возникает при контакте металлов с электролитом. Большинство видов коррозии металлов относится к электрохимической коррозии. Характерной особенностью электрохимической коррозии металлов является то, что среда, вызывающая коррозию, представляет собой проводящий электролит, в котором в процессе коррозии возникают электрические токи. Электрохимическая коррозия более распространена и значительно сильнее, чем химическая.
2) Стратегии уменьшения или устранения коррозионных повреждений механических деталей
① Правильный выбор материала
Выберите подходящие коррозионностойкие материалы в соответствии с условиями окружающей среды и использования, например легированные стали содержащие такие элементы, как никель, хром, алюминий, кремний, титан и т.д. По возможности старайтесь использовать такие материалы, как нейлон, пластик и керамика.
② Рациональное структурное проектирование
При проектировании конструкций деталей следует стремиться к созданию однородных условий по всей площади, добиваясь рационального дизайна, упрощенной формы и соответствующей шероховатости поверхности. Следует избегать контакта между металлами со значительной разностью потенциалов, а также концентрации структурных напряжений, тепловых напряжений, застоя и скопления жидкости, локального перегрева и подобных явлений.
③ Нанесение защитного покрытия
Покройте металлическую поверхность антикоррозийным защитным слоем, например оцинкованным, хромированным или покрытым молибденом, чтобы изолировать металл от среды и предотвратить коррозию. Неметаллические Также могут быть нанесены защитные слои и химические защитные слои, такие как краски на масляной основе, поливинилхлорид, стекловолокно и т.д.
В качестве альтернативы, тонкая пленка соединения может быть покрыта на поверхности металла с помощью химических или электрохимических методов, таких как фосфатирование, синение, пассивация, окисление и т.д.
④ Электрохимическая защита
Электрохимическая коррозия вызывается образованием анодной и катодной областей в растворе металлического электролита, что создает определенную разность потенциалов и формирует химическую батарею. Электрохимическая защита заключается в поляризации защищаемых механических частей постоянным током для устранения этой разности потенциалов.
При достижении определенного потенциала коррозия защищенного металла может быть сведена к минимуму или даже устранена. Этот метод требует, чтобы среда была проводящей и непрерывной.
⑤ Добавление ингибиторов коррозии
Добавление небольшого количества ингибиторов коррозии в агрессивную среду может уменьшить коррозию. В зависимости от химических свойств ингибиторы коррозии делятся на неорганические и органические.
Неорганические ингибиторы могут образовывать защитный слой на поверхности металла, изолируя его от среды, например, дихромат калия, нитрат натрия, сульфит натрия и т.д. Органические соединения могут адсорбироваться на поверхности металла, уменьшая растворение металла и ингибируя восстановительные реакции, тем самым уменьшая коррозию металла.
В качестве примера можно привести соли аминов, агар, животный клей, алкалоиды и т. д. При использовании ингибиторов коррозии для защиты от коррозии особое внимание следует уделять их типу, концентрации и времени действия.
⑥ Изменение условий окружающей среды
Этот метод предполагает удаление коррозионно-активных веществ из окружающей среды, например, путем принудительной вентиляции, осушения или удаления вредных газов, таких как диоксид серы, чтобы уменьшить ущерб от коррозии.
1) Виды переломов
Излом - это разрушение детали после многократных циклов напряжения или энергетической нагрузки под воздействием определенных факторов. Поверхность, образовавшаяся после разрушения детали, называется поверхностью разрушения. Существует множество типов изломов, тесно связанных с причиной их возникновения, из которых в технике выделяют пять типов.
① Перелом от перегрузки
Этот тип разрушения возникает, когда внешняя сила превышает предельное напряжение, которое может выдержать критическое сечение детали. Поверхность разрушения похожа на поверхность разрушения при испытании материала на растяжение. Для вязких материалов, таких как сталь, перед разрушением происходит заметная пластическая деформация, а на поверхности разрушения появляется выемка, имеющая форму чашки-конуса, что называется вязким разрушением.
Причину разрушения следует анализировать с точки зрения конструкции, материала, технологического процесса, рабочей нагрузки и окружающей среды. Для хрупких материалов, таких как чугун, пластическая деформация перед разрушением практически отсутствует, и разрушение происходит очень быстро.
Поверхность излома гладкая, светлая и перпендикулярна нормальному напряжению, что называется хрупким изломом. Поскольку нет очевидных предвестников хрупкого разрушения, оно происходит внезапно, что делает его очень опасной формой повреждения при разрушении. В настоящее время большинство исследований в области разрушения сосредоточено на хрупком разрушении.
② Коррозионное разрушение
Этот тип разрушения возникает, когда деталь под воздействием коррозионной среды испытывает переменные напряжения ниже предела прочности на растяжение, что со временем приводит к разрушению. Макроскопический вид поверхности излома демонстрирует хрупкие характеристики даже в вязких материалах.
Трещины часто возникают на поверхности и являются многоочаговыми. На поверхности трещин можно наблюдать коррозионные характеристики.
③ Хрупкое разрушение при малых нагрузках
Существует два типа: первый - когда неправильные производственные процессы или низкие температуры рабочей среды делают материал хрупким, что приводит к хрупкому разрушению при небольших нагрузках.
Обычными примерами являются отпускная хрупкость и низкотемпературная хрупкость стали. Другой тип - хрупкое разрушение, вызванное водородом, которое происходит, когда деталь разрушается при напряжении ниже предела текучести материала под воздействием водорода.
Источник трещины при хрупком разрушении, вызванном водородом, находится чуть ниже поверхности, и это не одна точка, а небольшой участок. Область распространения трещины выглядит как окисленные зернистые частицы, резко контрастирующие с областью разрушения, а поверхность разрушения макроскопически гладкая.
④ Ползучее разрушение
Когда металлическая деталь подвергается воздействию постоянной температуры и напряжения в течение длительного времени, пластическая деформация происходит медленно, даже при напряжении ниже предела текучести материала, что в конечном итоге приводит к разрушению детали.
Вблизи поверхности разрушения при ползучести наблюдается значительная деформация, а также множество трещин, в основном межзерновых. На поверхности излома имеется оксидная пленка, иногда наблюдаются полости ползучести.
⑤ Усталостное разрушение
Усталостный излом - это разрушение, возникающее после определенного количества циклических нагрузок или переменных напряжений на металлическую деталь. При разрушении механических деталей усталостные разрушения составляют большую часть, примерно от 50% до 80%.
Валы, шестерни, шатуны двигателей внутреннего сгорания и другие подвергаются знакопеременным нагрузкам, и большинство их разрушений - это усталостные разрушения.
Макроскопические особенности поверхностей усталостного разрушения можно четко разделить на три области: область зарождения усталости, область распространения усталостной трещины и область мгновенного разрушения. Область зарождения усталости - это место первоначального образования усталостной трещины, которая обычно возникает на поверхности детали.
Однако если поверхность материала закалена или имеются внутренние дефекты, усталость может возникнуть и под поверхностью или внутри детали. Область возникновения усталости часто представляет собой небольшой участок с гладкой и чистой поверхностью, на которой не видно следов пляжа.
Наиболее заметной особенностью области распространения усталостной трещины являются макроскопические усталостные полосы и микроскопические усталостные линии. Усталостные полосы образуют концентрические круги или дуги вокруг очага усталости, расширяющиеся наружу, как рябь на воде, перпендикулярно направлению распространения трещины.
Область мгновенного разрушения - это область быстрого разрушения, которая возникает, когда усталостная трещина расширяется до критического размера. Макроскопические характеристики этой области аналогичны области быстрого разрушения и губкам сдвига при статической нагрузке разрушение при растяжении.
Макроскопический вид различных типов поверхностей излома показан на рис. 1-4. Изучение поверхностей разрушения сломанных деталей позволяет определить характер и тип разрушения, найти причину повреждения и принять профилактические меры.
2) Анализ разрушения и меры борьбы с ним
Анализ разрушения ① Анализ разрушения ① - Этапы следующие:
a. Полевое расследование
После перелома важно незамедлительно исследовать и зафиксировать обстоятельства до и после перелома, в том числе при необходимости сделать фото- или видеосъемку. Фрагменты сломанной детали необходимо тщательно сохранить, чтобы предотвратить окисление, коррозию и загрязнение.
Их не следует перемещать или чистить до тех пор, пока не будут определены и сфотографированы характеристики разрушения. Условия работы, производственная ситуация и окружающая обстановка в тот момент также должны быть тщательно изучены и записаны.
b. Анализ первичного компонента отказа
Когда происходит разрушение ключевого компонента, это может привести к разрушению других связанных с ним компонентов. В таких случаях очень важно установить четкий порядок событий и точно определить первичный компонент разрушения, поскольку в противном случае результаты анализа могут быть искажены.
Компонент первичного разрушения может быть раздроблен, его фрагменты следует собрать и собрать заново, чтобы определить первую трещину, которая является основной.
Начните с макроскопического анализа трещины, наблюдая и анализируя ее невооруженным глазом или с помощью маломощной лупы 20x или менее. Перед анализом очистите поврежденную деталь от масляных пятен.
Ржавчину на изломе можно удалить химическим или электрохимическим способом, чтобы удалить оксидный слой. Внимательно наблюдайте за морфологией трещины, ее расположением и соотношением между трещиной и направлением деформации, чтобы определить связь между трещиной и действующими силами, а также место зарождения трещины.
Определите причину и характер перелома, чтобы создать основу для микроскопического анализа.
Затем проведите микроскопический анализ излома с помощью металлографического микроскопа или электронного микроскопа для дальнейшего анализа взаимосвязи между морфологией и микроструктурой излома; изменений в микроскопических областях в процессе разрушения; характера, формы, распределения металлографической структуры излома и включений; а также микротвердости и происхождения трещины.
d. Инспекция
Проведите инспекцию металлографической структуры, химического состава и механических свойств, чтобы выяснить, имеются ли макроскопические или микроскопические дефекты в материале, распределение и развитие трещин, а также нормальна ли металлографическая структура. Проверьте, соответствует ли химический состав металла требованиям и удовлетворительны ли его обычные механические свойства.
e. Определите причину неисправности
При определении причины разрушения детали учитывайте такие факторы, как материал детали, процесс изготовления, условия нагрузки, качество сборки, годы эксплуатации, среда и температура в рабочей среде, а также условия использования аналогичных деталей. Соедините их с макроскопическими и микроскопическими характеристиками излома, чтобы вынести точное заключение и определить первичную и вторичную причины разрушения излома.
② Определите меры противодействия
После выявления причины разрушения трещины рассмотрите контрмеры со следующих точек зрения:
a. Дизайн
При проектировании конструкции старайтесь минимизировать концентрацию напряжений и разумно выбирать материалы в соответствии с условиями окружающей среды, температурой и характером нагрузки.
b. Процесс
Упрочняющая обработка поверхности может значительно повысить усталостную прочность деталей, а соответствующие покрытия поверхности могут предотвратить хрупкие разрушения, вызванные примесями. При термообработке некоторых материалов введение в печь защитного газа может значительно улучшить их свойства.
c. Установка и использование
Во-первых, обеспечьте правильную установку, чтобы предотвратить дополнительные нагрузки и вибрацию, а также предотвратить удары и царапины важных деталей. Во-вторых, обратите внимание на правильную эксплуатацию, защитите рабочую среду оборудования, предотвратите коррозию от агрессивных сред, не допускайте чрезмерного перепада температур в разных частях изделия. Например, во время зимнего производства некоторое оборудование должно некоторое время работать на низких оборотах, и только после предварительного прогрева всех деталей оно может работать под нагрузкой.
1) Основная концепция деформации компонентов
В процессе эксплуатации механического оборудования под деформацией понимается изменение размера или формы детали под действием приложенных сил. Чрезмерная деформация является ключевым типом механического разрушения и явным признаком вязкого разрушения.
Некоторые механические компоненты из-за деформации могут создавать дополнительную нагрузку на собранные детали, ускорять износ, нарушать взаимосвязь между различными компонентами или даже приводить к катастрофическим последствиям, таким как переломы.
Например, такие деформации, как изгиб различных приводных валов, прогиб или скручивание главной балки мостового крана, крутильная деформация главной балки автомобиля или деформация основных компонентов, таких как блоки цилиндров или корпуса коробок передач, могут нарушить точность позиционирования. Если величина деформации превысит допустимые пределы, компонент потеряет свою функцию.
2) Виды деформации деталей
① Упругая деформация металлов
Под упругой деформацией понимается та часть деформации металла, которая может полностью восстановиться после снятия внешних сил.
Механизм упругой деформации заключается в том, что атомы в кристалле под действием внешних сил отклоняются от своих первоначальных равновесных положений, что приводит к изменению расстояния между атомами и, как следствие, к растяжению или скручиванию кристаллической решетки.
Поэтому величина упругой деформации очень мала, обычно не превышает 0,10% - 1,0% от первоначальной длины материала. Кроме того, в диапазоне упругих деформаций металлы подчиняются закону Гука, т.е. напряжение прямо пропорционально деформации.
Многие металлические материалы подвергаются замедленной упругой деформации при напряжениях ниже предела упругости. При определенной величине напряжения в образце возникает определенная равновесная деформация.
Однако эта равновесная деформация не возникает мгновенно под действием напряжения, а требует достаточно длительного периода напряжения для полного развития. После снятия напряжения равновесная деформация не исчезает мгновенно; для ее полного исчезновения требуется достаточное количество времени.
Явление, при котором равновесная деформация отстает от напряжения при упругой деформации материала, известно как явление запаздывания упругости, также называемое эффектом упругости.
Такие детали, как коленчатые валы, подвергшиеся холодной правке, через некоторое время снова погнутся - это явление вызвано эффектом упругости. Устранить эффект упругости можно путем длительной отжигТемпература отжига стандартных стальных деталей составляет от 300 до 450°C.
Если в процессе эксплуатации металлическая деталь подвергается чрезмерной упругой деформации сверх расчетного допуска, это влияет на ее нормальную работу. Например, при эксплуатации карданного вала чрезмерная упругая деформация может привести к ухудшению зацепления шестерни с валом, что повлияет на срок службы шестерни и поддерживающего ее роликового подшипника.
Чрезмерная упругая деформация направляющих или шпинделя станка приведет к снижению точности обработки или даже к невыполнению требований к точности обработки. Поэтому очень важно предотвратить чрезмерную упругую деформацию при эксплуатации механического оборудования.
② Пластическая деформация металлов
Пластическая деформация - это необратимая деформация металла, которая не восстанавливается после снятия внешних сил.
Большинство металлов, используемых в реальных условиях, являются поликристаллическими, а большинство - сплавами. Из-за существования границ зерен в поликристаллах, различной ориентации каждого зерна и наличия атомов растворителя и различных фаз в сплавах, они не только препятствуют и ограничивают деформацию каждого зерна, но и сильно затрудняют движение дислокаций.
Поэтому сопротивление деформации поликристаллов выше, чем у монокристаллов, что делает деформацию более сложной. Из этого следует, что чем мельче зерна, тем больше границ зерен приходится на единицу объема, поэтому сопротивление пластической деформации выше, а значит, выше и прочность.
Пластическая деформация металлических материалов приводит к изменению их организационной структуры и свойств. Большая пластическая деформация разрушает изотропию поликристаллов, проявляя анизотропию; она также вызывает упрочнение металлов.
В то же время, из-за различий в ориентации зерен и блокирующего влияния границ зерен, деформация каждого зерна и внутри каждого зерна при пластической деформации поликристаллов происходит неравномерно.
Поэтому после снятия внешней силы упругое восстановление каждого зерна происходит по-разному, что приводит к возникновению внутреннего напряжения или остаточное напряжение в металле. Кроме того, пластическая деформация увеличивает реакционную способность атомов, что приводит к снижению коррозионной стойкости металла.
Пластическая деформация приводит к изменению размеров и формы различных деталей механических узлов, что влечет за собой ряд негативных последствий. Например, пластический изгиб шпинделя станка не гарантирует точность обработки, приводит к увеличению брака и даже может вывести шпиндель из строя.
Хотя локальная пластическая деформация детали не приводит к разрушению так явно, как общая пластическая деформация, она также является важной причиной разрушения детали. Шпоночные соединения, шлицевые соединения, упоры и штифты под действием статического давления обычно вызывают локальную пластическую деформацию на контактной поверхности одной или обеих сопрягаемых деталей.
По мере увеличения степени деформации экструзии, особенно для тех деталей, которые могут двигаться в обратном направлении, это может привести к ударам, интенсифицируя процесс нарушения первоначального сопряжения, что, в свою очередь, приводит к механическому разрушению детали.
3) Причины деформации деталей
Основными причинами деформации деталей являются следующие:
1) Рабочий стресс
Когда рабочее напряжение, вызванное внешними нагрузками, превышает предел текучести материала детали, возникает необратимая деформация детали.
2) Рабочая температура
С повышением температуры тепловые колебания атомов в металлический материал усиливаются, критическое сопротивление сдвигу уменьшается, и деформация скольжения происходит легче, снижая предел текучести материала. Или, если деталь нагревается неравномерно, со значительной разницей температур, большие термические напряжения могут вызвать деформацию.
3) Остаточный Внутренний стресс
В процессе чернового производства и механической обработки детали испытывают остаточные внутренние напряжения, что влияет на их статическую прочность и стабильность размеров. Это не только снижает предел упругости детали, но и приводит к пластической деформации, которая уменьшает внутреннее напряжение.
4) Внутренние дефекты материалов
Внутренние примеси, твердые участки и неравномерное распределение напряжений в материале могут вызвать деформацию детали в процессе эксплуатации. Стоит отметить, что деформация детали не обязательно происходит сразу под воздействием какого-то одного фактора. Скорее, это совокупный результат действия нескольких факторов.
Поэтому для предотвращения деформации детали необходимо принять меры, начиная с проектирования, процесса изготовления, использования, технического обслуживания и ремонта, чтобы избежать и устранить вышеуказанные факторы, тем самым удерживая деформацию детали в допустимых пределах.
В процессе эксплуатации деформация деталей неизбежна. Поэтому при капитальном ремонте оборудования недостаточно проверить только износ сопрягаемых поверхностей. Точность позиционирования также должна быть тщательно проверена и отремонтирована, особенно для оборудования, проходящего первый капитальный ремонт.
Необходимо уделять внимание проверке и устранению деформаций, так как деформация деталей под воздействием внутренних напряжений обычно завершается в течение 12-20 месяцев.
4) Стратегии предотвращения и уменьшения деформации механических деталей
В реальном производстве деформация механических деталей неизбежна. Причины деформации многогранны, поэтому меры по снижению деформации должны учитывать такие аспекты, как проектирование, обработка, ремонт и использование.
i) Дизайн
При проектировании необходимо учитывать не только прочность деталей, но и их жесткость, а также вопросы, связанные с производством, сборкой, использованием, разборкой и ремонтом.
a. Выберите подходящий материал, принимая во внимание его технологические характеристики, такие как текучесть и усадка при литье;. подделываемость и свойства холодной головки при ковке; склонность к образованию холодных и горячих трещин при сварке; обрабатываемость при механической обработке; закаливаемость и хрупкость при термической обработке и т.д.
b. Выберите подходящую конструкцию, логично расположите компоненты и улучшите условия напряжения деталей. Например, избегайте острых углов, кромок, заменяйте их закругленными углами, фасками, сверлите технологические отверстия или утолщайте детали в местах со значительной разницей в толщине; хорошо расположите отверстия, замените глухие отверстия на сквозные; для деталей сложной формы рассмотрите возможность использования комбинированной структуры, инкрустированной структуры и т. д.
c. При проектировании следует также обратить внимание на применение новых технологий, новых процессов и новые материалыДля уменьшения внутреннего напряжения и деформации во время производства.
ii) Обработка
В процессе обработки необходимо принять ряд технологических мер для предотвращения и уменьшения деформации.
a. Для устранения остаточных напряжений в исходном материале необходимо провести обработку старением.
b. При разработке процедуры обработки механических деталей следует принять меры по снижению деформации в расположении операций и этапов, а также в технологическом оборудовании и операциях. Например, следуя принципу разделения грубой и тонкой обработки, оставляйте между ними время для хранения, чтобы облегчить устранение внутренних напряжений.
c. Преобразование эталонов должно быть сведено к минимуму во время обработки и ремонта механических деталей, старайтесь сохранять технологический эталон для использования в ремонте, уменьшите ошибки, вызванные неоднородными эталонами во время обработки при ремонте.
Для деталей, прошедших термообработку, необходимо обратить внимание на резервирование припусков на обработку, корректировку размеров обработки и предварительную деформацию.
После понимания характера деформации деталей можно заранее добавить обратную деформацию, которая может быть нейтрализована после термообработки; также можно предварительно добавить напряжение или контролировать его появление и изменение, чтобы конечная деформация соответствовала требованиям и была достигнута цель уменьшения деформации.
iii) Ремонт
a. Чтобы свести к минимуму напряжение и деформацию, вызванные ремонтом, недостаточно просто проверить состояние износа сопрягаемых поверхностей при капитальном механическом ремонте, необходимо также тщательно проверить и отремонтировать точность позиционирования друг друга.
b. Должны быть установлены разумные стандарты ремонта, а также простые, надежные и легкие в эксплуатации специальные инструменты, средства контроля и измерительные инструменты должны быть разработаны. В то же время следует обратить особое внимание на продвижение новых технологий и процессов ремонта.
iv) Использование
a. Усилить управление оборудованием, строго соблюдать процедуры безопасной эксплуатации, активизировать проверку и обслуживание механического оборудования, чтобы предотвратить перегрузку и локальный перегрев.
b. Также важно правильно установить оборудование. Прецизионные станки не должны использоваться для грубой обработки. Храните запасные части и принадлежности надлежащим образом.
Влияние различных факторов во время использования
В процессе эксплуатации механическое оборудование под воздействием различных факторов постепенно приходит в негодность или стареет, что приводит к сбоям в работе или даже к потере функциональности. К основным внешним факторам относятся следующие:
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
NL 
PT 