ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизм износа и разрушения материалов при циклическом нагружений из "Надежность двигателей летательных аппаратов " Циклическое нагружение деталей и агрегатов характерно для двигателей многоразового использования или для ЖРД с больт шим количеством включений в полете, например, для микродви- гателей, являющихся исполнительными органами системы управ ления. [c.88] Экспериментально установлено, что упрочнение или разупрочнение металла г.1ри циклическом нагружении зависит от величины отношения предела прочности Ов к условному пределу текучести Оо,2- С этой точки зрения все металлы можно разделить на три группы 1) сгв/сГо,2 1,2 2) 1,2 авМ,2 1.4 3) Ов/со.г 1, 1. [c.89] Все металлы 1-й группы разупрочняются при циклическом нагружения. Для металлов 2-й группы возможно как разупрочнение, так и упрочнение. Наконец, в процессе усталости металлов 3-й группы сначала всегда происходит упрочнение. [c.89] Усталостное разрушение высокопрочных материалов 1-й группы практически не зависит от дефектов кристаллической решетки и начинается у концентраторов напряжений типа рассмотренных в разд. 4,5, причем влияние концентраторов растет с ростом прочности материала. Поэтому, например, удаление включений из высодопрочных сталей пу-тем вакуумного переплава во много раз увеличивает их усталостную долговечность. [c.90] После возникновения трещины в процессе ее распространения можно выделить две стадии 1) растрескивание в плоскости скольжения со скоростью несколько ангстрем за цикл. Эта стадия продолжается до тех пор, пока трещина не достигнет границ зерна. Если трещина возникает от острых концентраторов, то эта стадия может отсутствовать 2) трещина распространяется под прямым углом к направлению главного растягивающего напряжения. Скорость распространения трещины на этой стадии увеличивается до несколь ких микрон за цикл. Трещины распространяются с помощью двух основных механизмов пластического затупления вершины трещины или отрыва. [c.90] Первый механизм типичен для металлов с высокой пластичностью. В этом случае вершина трещины имеет форму ласточкина хвоста или двузубой вилки, зубцы которой.образованы двумя пластическими зонами, расположенными под углом в 45° к продольной плоскости трещины. При циклических нагрузках сменяются сжимающие и растягивающие нагрузки, что приводит к чередованию процессов затупления (при растяжении) и заострения (при сжатии) вершины трещины. При затуплении пластические зоны исчезают, а при заострении появляются вновь, за счет чего трещина и продвигается в материале (рис. 4.18). Для высокопрочных материалов характерен рост трещины из-за отрыва. В этом случае трещина ветвится и при каждом новом цикле отрыв происходит в той ветви (зубце в вершине трещины), которая ориентирована примерно в плоскости отрыва. [c.90] Вторая стадия распространения трещины продолжается до тех пор, пока она не достигнет нестабильного состояния. Для материалов малой пластичности критическим является достижение предельной величины раскрытия вершины трещины, после чего скорость распространения трещины катастрофически увеличивается и процесс заканчивается разрушением изделия. [c.90] У пластичных металлов вторая стадия продолжается до тех пор, пока оставшееся живое сечение шейки еще выдерживает нагрузку. При достижении критической удельной нагрузки происходит срез шейки под углом 45° к направлению вектора растягивающей нагрузки. [c.90] Высокими считаются температуры, превышающие минимальные температуры рекристаллизации, т. е. -- 50% температуры плавления металлов. В ряде случаев именно в этой области работают металлы огневых стенок агрегатов ЖРД. При таких температурах прочность и пластичность металлов начинают зависеть от скорости деформации. Это объясняется тем, что к основным видам деформации кристаллов — скольжению и двойникованию в высокотемпературной области — добавляется проскальзывание по границам зерен. Границы зерен являются слоями толщиной в, несколько атомов с особой структурой дислокаций, обеспечивающей непрерывный переход между кристаллическими решетками соседних зерен. Прочность границ сильнее, чем прочность собственно зерен, зависит от температуры материала и скорости деформации. Как показано на рис. 4.19, зерна по сравнению с их границами относительно менее прочны в области низких температур. Поэтому в этой области (левее точки ai пересечения графиков 1 ж 2, соответствующей равной прочности зерен и их границ) пластичные металлы деформируются и разрушаются всегда непосредственно по зернам кристаллов. [c.91] В высокотемпературной области, при Ti Ta, наиболее вероятным типом разрушения для пластичных металлов становится межкристаллитное растрескивание по границам зерен. При увеличении скорости деформации s прочность зерен изменяется мало, в то время как, прочность их границ существенно увеличивается в области высоких температур. Это приводит к смещению точки а. [c.91] Основной характеристикой высокотемпературной ползучести является предел ползучести при заданной температуре. Этот предел может определяться или по равномерной скорости ползучести, или по суммарной деформации за срок службы. В первом случае под этим пределом понимают максимальное напряжение, вызывающее заданную скорость ползучести при заданной температуре на втором этапе (т. е. на участке с равномерной скоростью ползучести). Во втором случае под пределом ползучести понимают максимальное напряжение, вызывающее заданную пластическую деформацию за срок службы детали (материала) при заданной температуре. [c.93] Поскольку на втором- и, особенно, на третьем этапах высокотемпературной ползучести происходит очень сильное растрескивание материала, конструкции агрегатов, работающих в подобных условиях, проектируют таким образом, чтобы материал деталей работал бы при удлинениях, не превышающих пластическую деформацию в конце второго этапа ползучести. Обычно допускается Деформация деталей машин не более долей процента за время службы, а для особо ответственных деталей, например, дисков турбин ТНА, еще меньше (минимум на порядок). [c.93] Физическая сущность процесса старения заключается либо в распаде пересыщенных твердых растворов (в сплавах), либо в переходе от неустойчивого состояния структуры металла, возникшей в процессе его обработки (например, при закалке, наклепе и т. п.), к более стабильному состоянию с пониженным уровнем внутренней энергии. Поскольку эти переходы происходят в результате, йще ений в кристаллической решетке металла, то повышение температуры увеличивает скорость процесса. Температура сильно влияет и на старение из-за распада твердых растворов. Это объясняется тем, что при росте температ фы увеличивается растворимость легирующих компонентов в основе сплава. После охлаждения твердый раствор становится пересыщенным и поэтому метастабильным, стремящимся за счет процессов распада и выпадения второй фазы вернуться в равновесное более стабильное состояние. Выпавшая фаза создает сетку стопоров, тормозящих движение дислокаций, что и вызывает уцрочнение сплава. [c.94] Старение, вызываемое распадом твердых растворов, сильно влияет на физические свойства (прочность, пластичность, газопроницаемость и диэлектрические свойства) цветных и жаропрочных сплавов. В ряде случаев процессы старения приводят к растрескиванию по границам зерен, поэтому явление старения материалов должно учитываться при проектировании и эксплуатации двигателей многоразового использования. [c.94] Опыт эксплуатации различных машин и механизмов показал, что среда, в которой они работают, оказывает физико-химическое воздействие на конструкционные материалы, приводящее, в частности, к охрупчиванию металлов. Это явление может вызвать растрескивание металлов даже без воздействия нагрузок, а при их воздействии существенно ускорять процессы износа деталей и агрегатов при всех рассмотренных выше механизмах разрушения. [c.94] С точки зрения влияния среды на износ агрегатов ЖРД можно различить воздействия следующих факторов атмосферы космического излучения продуктов сгорания и компонентов топлива. [c.94] Для ЖРД многоразового использования, которые должны работать после длительного пребывания в космосе, необходимо учитывать влияние на материалы проникающей радиации. Это влияние может быть особенно существенным для полимерных материалов, если они используются в конструкции данного двигателя. [c.95] Вернуться к основной статье