Эксплуатационные дефекты. Часть 5. Растрескивания

Термические напряжения – это напряжения, возникающие в связи с изменением теплового состояния металла изделия при его нагреве, охлаждении, а также длительном пребывании при повышенной или пониженной температуре.

Схема распределения термических напряжений крышки цилиндра дизеля 10Д49

         Разрушения под действием термических напряжений происходят только вследствие теплового градиента, без приложения внешней механической нагрузки. Причиной возникновения трещин при этом является образование локальных полей напряжения.

         Каждое измерение температуры из-за перепада температур по сечению изделий вызывает даже в не имеющих превращений металлах и сплавах существенные тепловые напряжения. Если к тому же температура превышает температуру превращения, то образуются новые фазы и модификации, имеющие различные удельные объемы. Это сопровождается возникновением дополнительных структурных напряжений, связанных с превращениями. Резкое одноразовое высокоскоростное и неоднородное изменение температуры металла приводит к возникновению термоударных трещин.

         В участках изделия, примыкающих к поверхности, при охлаждении возникают растягивающие напряжения, в глубине изделия – сжимающие. В начальной стадии напряжение в резко охлажденном тонком внешнем слое очень велико, поскольку зоны материала, расположенные в глубине, допускают деформацию только в ограниченной степени.

         Действие таких термических напряжений (растрескивание при закалке) может проявляться не в момент изменения теплового состояния (охлаждения), а спустя некоторое время (доходит до нескольких суток) в результате постепенного накопления напряжений, возникающих при изменении удельных объемов структурных составляющих металла.

Фотография растрескивания при закалке

         Общий уровень остаточных термических напряжений зависит от предела текучести материала, его модуля упругости, коэффициента теплопроводности, формы изделия, температурного градиента и продолжительности охлаждения.

         Действие термических напряжений усиливается при наличии резких изменений сечений изделия (выточки, отверстия) и дефектов металла, концентрирующих тепловые напряжения.

Характерные конструктивные концентраторы напряжений для цилиндрических изделий