Эксплуатационные дефекты. Часть 4. Усталостные трещины.

Начнем с двух основополагающих терминов для понимания дальнейшего материала:

         Усталость – процесс постепенного накопления повреждений и разрушение металлов под действием многократно приложенных нагрузок.

         Выносливость – свойство металла сопротивляться усталости.

         С усталостью связано формирование таких опасных дефектов как усталостные трещины. Они на практике выявляются капиллярным, магнитным и ультразвуковым методами контроля. Виды усталостных трещин:

         1) Трещины термической усталости. Разрушение деталей после многократного воздействия, периодически изменяющегося во времени уровня термических напряжений представляет собой явление термической усталости. Разрушение при термической усталости наступает при значительных знакопеременных пластических деформациях при общем числе теплосмен (циклов), характерном для повторно-статических нагружений. 

Фотография серии трещин термической усталости

         На термоусталость деталей влияют конструктивные и технологические факторы: образование трещин бывает связано с наличием конструктивных концентраторов напряжений – в местах изменения сечений, у отверстий, в галтелях, в зонах сварных швов.

         Имеется тенденция к возникновению трещин термоусталости в местах с наиболее окисленными поверхностными слоями. Внутренние металлургические дефекты могут не оказать существенного влияния на термоусталость, если место их расположения не совпадает с местами наибольших температурных перепадов и концентрации деформаций.

         Для разрушения при термической усталости характерно множественное возникновение трещин, что объясняется локальностью действия термических напряжений и относительно быстрой их релаксацией.

         Характерными для термоусталости являются трещины с широкими полостями и тупыми окончаниями – жаргонное обозначение «разгар». Стенки большинства трещин интенсивно окислены, степень окисления даже соседних трещин может быть различной, что свидетельствует о неодновременном возникновении трещин и об относительно медленном их развитии.

         Трещины термоусталости могут иметь местные уширения, когда они пересекают границы зерен, неблагоприятно ориентированные для развития по ним трещин.

         2) Трещины коррозионной усталости. Коррозионная усталость проявляется при одновременном воздействии на металл циклических напряжений и коррозионных сред. Характеризуется понижением предела выносливости металла. С увеличением напряжения увеличивается роль механического фактора, с уменьшением напряжения и увеличением агрессивности среды – коррозионного.

Растрескивание при коррозионной усталости

         Одновременное действие коррозионной среды и переменного напряжения оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие. Разрушение при коррозионной усталости может начаться при напряжениях значительно ниже предела выносливости.

         Причины коррозионной усталости – локализация электрохимических анодных и химических процессов на участках концентрации механических напряжений.

         Повреждению подвержены в большей или меньшей степени все конструкционные сплавы. Одна из особенностей коррозионной усталости сталей – повышение условного предела выносливости по мере увеличения размера деталей. Данная закономерность наиболее заметна при увеличении размеров деталей до 50…60 мм.

         3) Трещины контактной усталости (выкрашивания). Образуются при многократном приложении контактных нагрузок и относительном возвратно-поступательном движении.

Контактно-усталостные раковины

         Контактное усталостное выкрашивание (образование питтингов) с последующим развитием усталостного разрушения по сечению деталей наблюдается в таких деталях, как подшипники качения и скольжения, зубья шестерен, замковые соединения.

         В условиях переменного контакта на поверхностях деталей образуются развальцованные языки, более твердые по сравнению с основным материалом из-за деформационного упрочнения. Сильная развальцовка языков может привести к образованию следов сдвига, которые могут быть местами зарождения усталостных трещин. Увеличение за счет деформации, при развитии усталости, языки/чешуйки могут быть вырваны в результате действия тангенциальных растягивающих сил.

         Причиной образования питтинга служат местные перегрузки или недостаточная смазка. Только большие силы трения могут привести к образованию длинных деформационных языков, которые вызывают питтинговое разрушение боковых сторон зубьев шестерен.

         4) Кавитационное растрескивание. Термин «кавитация» означает образование полости на поверхности твердого тела при разрушении газообразных пузырьков. Лопающиеся пузырьки производят разрушения в слое металла на границе с жидкостью. Усталостная кавитация наблюдается, когда колеблющаяся стенка граничит с жидкостью.

Кавитационное разрушение гребного винта