Физическая сущность процессов усталостного старения
Большинство деталей и узлов машин в процессе работ подвергается воздействию различного рода нагрузок, как и постоянных, так и переменных.
Их несущая способность в основном оценивается временным сопротивлением материала разрушению sВ и пределом текучести sТ.
Практика однако показала, что во многих случаях, особенно при воздействии на деталь знакопеременных нагрузок, разрушение наступает при условиях, не только меньших предела точности sВ но и меньших предела текучести sТ.
Явление разрушения металлов под воздействием повторных или знакопеременных нагрузок, называется усталостью металлов.
В противоположность вышесказанному, способность металла воспринимать повторные и знакопеременные напряжения без разрушения называется циклической прочностью или пределом выносливости.
Разрушение металла от усталостных явлений не сопровождается заметной пластической деформацией, даже у таких высокопластичных материалов, какими являются медь, малоуглеродистая сталь и другие.
В этом заключается большая опасность появления внезапных отказов, которые часто приводят к крупным поломкам.
Металлографические исследования усталостных явлений помогли вскрыть их причину. Исследования ряда ученых показали, что циклические нагрузки приводят к образованию линий скольжения внутри зерен. Но в отличие от линий скольжения при обычном пластическом деформировании, когда материал упрочняется, циклическое нагружение приводит к разупрочнению материала кристалла, к его разрыхлению и потере прочности.
Приведённое объяснение физической сущности явлений усталости является весьма поверхностным. Обычно усталостные трещины зарождаются в зоне изменения формы поверхности деталей или повреждения, как поверхностей, так и внутренней структуры материала.
К дефектам внутренней структуры относятся: наличие инородных включений, нарушение технологического режима термообработки материала, приведшее к образованию дефектов внутри зерен, наличие пор, волосовин и т. д.
К внешним дефектам детали относятся: наличие конструктивных канавок, выточек с острыми кромками, углублений, рисок, допущенных при грубой обработке и т. д. Во многих случаях эти дефекты играют настолько важную роль, что от них в решающей степени зависит долговечность детали. Эти дефекты играют роль концентраторов напряжений и зародышей усталостных трещин.
Различают два основных типа микроскопического разрушения:
· разрушение путем отрыва, которое происходит от нормальных растягивающих напряжений;
· разрушение путем среза, которое происходит от касательных напряжений независимо от схемы нагружения.
Особое место занимает в явлениях старения деталей машин эффект Ребиндера. Сущность его заключается в следующем. Уже давно было отмечено, что абсорбция поверхностно - активных веществ на поверхности металлов и других материалов существенно понижает их прочность.
Это явление было всесторонне изучено академиком П. А. Ребиндером, по имени которого и названо это явление. Им было высказано предположение, что причиной снижения механических свойств поверхностных слоев детали является снижение свободной поверхностной энергии и, как следствие, уменьшение работы, необходимой для образования новых поверхностей (поверхностей, разломов, трещин разрушения и т. д.).
Следовательно, поверхностная абсорбция активных веществ облегчает деформацию и разрушение материала.
Необходимо отметить, что при осуществлении эффекта Ребиндера никаких химических реакций не происходит, поэтому эти явления не могут быть объяснены с позиции химии. Эти явления хорошо объясняются механикой растворения одних веществ в других.
Действие эффекта Ребиндера на ухудшение прочности свойств деталей можно свести к двум явлениям:
а) абсорбционному понижению предела прочности;
б) абсорбционному снижению предела усталости.
В связи с этим и появление отказов будет сходно либо усталостными отказами, либо с потерей деталями прочностных свойств и их поломкой или деформацией. Особенно опасно действие эффекта Ребиндера проявляется при контактировании расплавленного металла с поверхностью деталей на атомных энергетических установках, где теплоносителями является жидкий металл.
В технологии обработки металлов широко пользуются эффект Ребиндера, применяя поверхностно-активные вещества для смазки зоны резания металлов. Такая смазка существенно снижает прочностные свойства обрабатываемого материала и повышает производительность oбpaботки. Существенным преимуществом применения активных жидкостей является то обстоятельство, что их действие исчезает, как только удалить эту жидкость.