Усталостное разрушение: Типы, характеристики и способы устранения | MachineMFG

Усталостный излом: Типы, характеристики и способы устранения

5
(1)

1. Понятие усталости и разрушения

  • Усталость: Усталость относится к изменению производительности металлические материалы при повторяющемся напряжении или деформации.
  • Усталостный излом: Когда материал подвергается переменному циклическому напряжению или деформации, постепенное развитие внутренних дефектов и локальных структурных изменений может привести к снижению его механических свойств, что в конечном итоге приведет к полному разрушению изделия или материала. Этот процесс называют усталостным разрушением, или усталостью металла.

Важно отметить, что напряжение, вызывающее усталостное разрушение, обычно невелико по величине. Кроме того, усталостное разрушение часто характеризуется внезапностью, высокой локализацией и чувствительностью к различным дефектам.

2. Классификация усталостных разрушений

1. Высокоцикловая и малоцикловая усталость

Высокоцикловая усталость относится к усталости, которая возникает, когда уровень напряжения, действующего на детали или компоненты, низкий, а количество циклов разрушения превышает 100 000. Примерами изделий, которые обычно демонстрируют высокоцикловую усталость, являются пружины, трансмиссионные валыи крепежные элементы.

С другой стороны, под малоцикловой усталостью понимается усталость с высоким уровнем напряжения и малым числом циклов разрушения, обычно менее 10 000 раз. Примером малоцикловой усталости является усталостное разрушение сосудов под давлением и деталей турбин.

2. Анализ напряжений и деформаций

Деформационная усталость относится к малоцикловой усталости с высоким напряжением и коротким временем цикла.

С другой стороны, усталость под напряжением характеризуется низким напряжением и высоким временем цикла и известна как высокоцикловая усталость.

На практике часто бывает сложно провести различие между усталостью от напряжения и усталостью от деформации.

Оба типа могут возникать одновременно, что называется композитной усталостью.

3. Классификация по типу нагрузки

Усталость при изгибе, усталость при кручении, усталость при растяжении и сжатии, контактная усталость, вибрационная усталость, фреттинг-усталость.

3. Характеристики усталостного разрушения

Макроскопически процесс образования трещины можно разделить на три стадии: источник трещины, зона распространения и переходная зона разрушения.

Под источником трещины понимается область на поверхности с канавками, дефектами или концентрацией напряжений, которые служат предпосылкой для зарождения трещины.

Зона распространения усталости характеризуется относительно плоским участком, где распространение усталости происходит перпендикулярно направлению напряжения, что приводит к образованию характерных усталостных дуг, также известных как следы пляжа или следы раковины.

Зона мгновенного разрушения - это место, где усталостная трещина быстро распространяется и приводит к мгновенному разрушению. На поверхности излома видны следы скольжения металла, а в некоторых случаях могут присутствовать радиоактивные полосы и зоны сдвиговой кромки.

Микроскопически типичным признаком усталостного разрушения является появление усталостных полос. Кроме того, в некоторых микроскопических образцах могут наблюдаться явления расщепления и квазирасщепления (термины, используемые в кристаллографии для описания небольших плоскостей, видимых на микроскопических изображениях) и микроструктурные особенности, такие как ямки.

4. Характеристики усталостного разрушения

(1) Усталостное разрушение характеризуется отсутствием очевидной макроскопической пластической деформации в процессе разрушения и, как правило, отсутствием предупреждающих признаков перед разрушением. Это часто приводит к внезапному и разрушительному отказу механических деталей.

(2) Напряжение, вызывающее усталостное разрушение, обычно невелико, часто ниже, чем нагрузка, необходимая для достижения предел текучести в условиях статической нагрузки.

(3) После усталостного разрушения на поверхности трещины обычно можно наблюдать четкие признаки зарождения, распространения и окончательного разрушения трещины.

5. Анализ случая

Проехав 2 000 км, мотоцикл на заводе получил механическую поломку. После разборки и осмотра было обнаружено, что сломался шатун коленчатого вала двигателя.

Шатун, изготовленный из 20CrMnTi, был подвергнут поверхностному науглероживанию. Принцип работы шатуна показан на рис. 1, где его возвратно-поступательное движение приводит во вращение два приводных коленчатых вала.

20CrMnTi - легированная конструкционная сталь с содержание углерода примерно 0,2%, содержание марганца примерно 1% и титана примерно 1%. Этот материал обычно используется для деталей валов и требует науглероживания.

Рис. 1

1. Макроинспекция

Разрушенный шатун имел два излома. На выступе подшипника на конце излома шатуна видны многочисленные трещины, параллельные излому [Рисунок 3 (a)]. На одной стороне конца излома имеется сильный след трения [Рисунок 3 (b)], глубина износа составляет 0,5 мм. Кроме того, на одном конце дуги подшипника вблизи стороны трения виден сине-серый след высокотемпературного окисления [Рисунок 3 (c)].

Излом 1 относительно гладкий и плоский, с изношенным краем, в центре которого видна дуга усталости [рис. 3 (d)]. Однако на изломе 2 усталостная дуга не обнаружена.

Рис. 2

Рис. 3

2. Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа

На рисунке 4 (a) в разделе "Излом 1" показана усталостная дуга под сканирующим электронным микроскопом. По направлению дуги можно определить источник усталости.

Источник усталости расположен в правом верхнем углу на рисунке 4 (d). При местном увеличении видно, что большинство тонких тканей в области источника подверглись износу, хотя радиальная краевая особенность все еще видна (рис. 4 (b)).

На рисунке 4 (c) показаны усталостные полосы и вторичные трещины в зоне усталостного роста.

В изломе 2, напротив, наблюдаются ямки, но нет усталостных полос. Можно сделать вывод, что излом 1 является первичным, а излом 2 - вторичным.

Рис. 4

3. Химический состав

Возьмите образцы из корпуса шатуна и проанализируйте их химический состав, включая массовую долю (%).

Результаты анализа соответствуют требованиям к химическому составу, указанным в GB/T3077-1999 для 20CrMnTi.

4. Анализ результатов

По результатам проверки химический состав материала вышедшей из строя детали соответствует техническим требованиям. Однако на сломанном конце шатуна наблюдается сильное трение с одной стороны.

Анализ конца дуги подшипника вблизи поверхности трения показал наличие сине-серой оксидной пленки, которая представляет собой смесь черного оксида железа (Fe3O4) и красный оксид железа (Fe2O3) образуется при температуре выше 400℃. Это указывает на то, что трение между шатуном и выходной вал вызвало перегрев в этой области.

SEM-анализ поверхности излома показывает, что источник усталостной трещины находился в углу вблизи оксидной пленки, в области высоких температур. Сочетание окисления поверхности и высокой температуры увеличивает вероятность образования трещин и повреждения при ползучести.

Кроме того, трение приводит к грубому металлическая поверхностьчто может вызвать концентрацию поверхностных напряжений и увеличить вероятность усталости. Зарождение трещины часто происходит в точке максимального растягивающего напряжения.

Согласно анализу сил, действующих на шатун, наибольшее растягивающее напряжение присутствует на участке 1 излома, что делает его восприимчивым к образованию трещин вблизи угла поверхности трения. Наличие крупных карбидов в этой области усугубляет проблему, поскольку нарушает непрерывность структуры матрицы, ускоряет образование и распространение трещин, снижает усталостная прочностьи в конечном итоге приводит к усталостному разрушению.

Избыточное количество карбидов на науглероженной поверхности шатуна - результат неправильного процесса науглероживания. Образование крупных, блочных карбидов связано в первую очередь с высокой концентрацией углерода, который чаще всего образуется на острых углах детали, что значительно сокращает срок ее службы.

Для предотвращения образования крупных карбидов очень важно строго контролировать углеродный потенциал атмосферы во время процесса науглероживания. Это поможет избежать чрезмерного углеродного потенциала, который приводит к образованию крупных карбидов на поверхности заготовки.

5. Заключение

Разрушение шатуна коленчатого вала происходит в результате усталостного разрушения. Причиной разрушения является сильное трение, испытываемое шатуном во время эксплуатации, что приводит к локальной концентрации напряжений и высоким температурам, снижающим усталостную прочность материала. Наличие крупных, блочных карбидов на углах поверхности шатуна еще больше ускорило рост и распространение трещин.

6. Благоустройство

Уменьшение шероховатости деталей трения на этапе проектирования может снизить концентрацию напряжений и повысить усталостную прочность деталей. Это также поможет снизить высокие температуры, вызванные трением, и уменьшить риск повреждения при ползучести.

Для улучшения процесса науглероживания важно решить проблему образования избыточных карбидов на науглероженной поверхности шатуна, которая возникает из-за неправильного процесса науглероживания. Крупные, блочные карбиды являются результатом высокой концентрации углерода, который, скорее всего, образуется на острых углах детали и значительно сокращает ее срок службы.

Поэтому строгий контроль углеродного потенциала атмосферы во время процесса науглероживания необходим для предотвращения образования грубых карбидов на поверхности заготовки из-за чрезмерного углеродного потенциала.

6. Методы повышения предела усталости или усталостной прочности материалов

Часто бывает сложно изменить условия эксплуатации деталей, поэтому важно максимально оптимизировать их конструкцию, начиная с поверхностных эффектов.

Предотвращение концентрации поверхностных напряжений в конструкционных материалах и механических деталях препятствует накоплению дислокационного скольжения и сдерживает пластическую деформацию. Это затрудняет образование и рост усталостных трещин, что в конечном итоге повышает предел усталости или усталостную прочность.

1. Меры по снижению концентрации напряжения

При проектировании рекомендуется избегать квадратных или острых углов, отверстий и канавок. В случаях, когда размер сечения изменяется внезапно, например, на плече ступенчатого вала, рекомендуется использовать переходную галтель с достаточным радиусом, чтобы уменьшить концентрацию напряжений.

Если увеличение радиуса переходной галтели не представляется возможным из-за конструктивных ограничений, на валу большего диаметра можно вырезать более тонкие канавки или подрезы.

На краю плотно прилегающей поверхности ступицы и вала возникает значительная концентрация напряжений. Чтобы улучшить ситуацию, на ступице можно вырезать канавку для снятия нагрузки, а посадочную часть вала можно утолщить, чтобы уменьшить зазор жесткости между ступицей и валом, снизив концентрацию напряжений на краю посадочной поверхности.

На сайте сварные швыСварка с канавками приводит к лучшей концентрации напряжений по сравнению со сваркой без канавок.

Похожие статьи: Полный список сварочных символов

2. Повышение прочности поверхности

Для упрочнения поверхностного слоя деталей используются механические методы, такие как прокатка и дробь. упрочнение могут быть использованы. Эти методы формируют на поверхности детали слой предварительного напряжения сжатия, снижая поверхностное растягивающее напряжение, способное привести к образованию трещин, и повышая усталостную прочность. Другие методы, такие как термообработка и химическая обработка, например, высокочастотная закалка, науглероживание и азотированиеТакже можно использовать.

Дробеструйное упрочнение предполагает использование небольших стальных шариков диаметром 0,1-1 мм, которые с высокой скоростью ударяются о поверхность образца, снимая острые углы, заусенцы и другие концентрации напряжений. Поверхность сжимается на глубину 1/4-1/2 диаметра стального шарика, создавая остаточное напряжение на поверхности детали и сдерживает рост усталостных трещин.

Дробеструйное упрочнение

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 5 / 5. Количество оценок: 1

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх