Трещины как дефекты металлов усталостные

Многочисленными опытами было установлено, что при переменном напряжении, превышающем определенную величину для данного материала, после некоторого числа перемен напряжений в материале появляется трещина. Как установлено последними исследованиями, процесс усталости связан с постепенным накоплением дефектов кристаллической решетки и, как следствие этого, с постепенным развитием усталостных повреждений. Дефект кристаллической решетки постепенно превращается в микротрещину, которая через определенное число циклов нагружения переходит в макротрещину, захватывающую все большую толщину металла. Пластическая деформация сосредоточивается только в устье трещины, поэтому заметных остаточных деформаций при разрушении не обнаруживается. [c.337]

Усталостное разрушение в аморфных сплавах, как и в кристаллических материалах, происходит путем зарождения и распространения трещин [34]. Трещина зарождается на дефектах внешней поверхности или вблизи внутренних неоднородностей. Признаком пластической деформации и скачкообразного распространения трещины служит появление характерных полос в вершине трещины, как и в случае кристаллических металлов. Однако в аморфных [c.243]

Использование описанных выше методов испытаний невозможно лишь в том случае, если в деталях имеются дефекты, вследствие чего детали разрушаются не от возникновения трещин усталости, а от развития уже имеющихся трещин в прокате или от трещин, появившихся при шлифовании или закалке. Это объясняется тем, что при высоких напряжениях влияние имеющихся трещин незначительно, так как время их развития соизмеримо с временем развития усталостной трещины. В то же время при низких уровнях напряжений, когда субмикроскопические усталостные трещины в основном металле не возникают, имеющиеся дефектные трещины, создавая значительные местные напряжения, продолжают развиваться и приводят к разрушению детали. В таких случаях результаты испытаний не характеризуют усталость металла, так как зависят от размера и ориентации дефектной трещины. [c.186]

Большинство исследователей считает, что зарождение трещин усталостного выкрашивания начинается из-за таких дефектов, как неметаллические включения, полосчатость, карбидная неоднородность, пары, газовые пузыри и т. п. [159, 167, 306, 307, 313]. Указанные металлургические дефекты металла приводят к нарушению сплошности, развитию концентраторов напряжений и изменению напряженного состояния материала в локальных объемах. [c.200]

Как уже отмечалось, зарождение усталостной трещины в сварных соединениях без внутренних дефектов происходит, как правило, в зоне перехода шва к основному металлу. Размер этой зоны определяется радиусом перехода, который в среднем составляет 1—2 мм [215]. Поэтому было принято, что начальная длина (глубина) трещины для всех узлов равна 2 мм и она ориентирована нормально к поверхности нагружаемого соединения. [c.318]

Известно, что строение отдельно взятого металлического зерна никогда не бывает однородным по всему сечению. Еще в большей степени это справедливо для тонких поверхностных слоев, находящихся в зоне контакта при трении. Усталостные трещины возникают на дефектах, всегда имеющихся в твердом теле они связаны как со структурой металла, так и со следами обработки. В этом случае число циклов, приводящих к разрушению материала, составляет 10 —10 . [c.16]

Установлено, что наиболее опасны трещиноподобные дефекты (особенно трещины), так как служат сильными концентраторами напряжений и развиваются в процессе эксплуатации оборудования наименее опасны — объемные дефекты (например, поры). Поэтому к критическому дефекту чаще всего относят трещины, а к малозначительному — поры. Влияние величины непровара на потерю прочности принято считать пропорциональным относительной его величине при статической нагрузке и пластичном материале влияние непровара также определяется разностью в прочности металла щва и основного металла. При малопластичном материале, а также при динамической или вибрационной нагрузках сравнительно небольшие дефекты могут существенно влиять на усталостную прочность. [c.10]

Усталостная трещина всегда возникает в той точке металла, где отношение местного напряжения к пределу выносливости металла самое низкое. Обычно эти точки находятся на поверхности детали. Объясняется это тем, что прочность металла по его поперечному сечению сравнительно одинакова, а максимальное напряжение при кручении или изгибе находится в крайних волокнах. Иная картина наблюдается при наличии трещин или других металлургических дефектов внутри материала. Эти дефекты приводят к понижению прочности материала в окрестности дефекта. В результате внутри детали развивается трещина, которая распространяется как в направлении к поверхности, так и к центру детали. [c.60]

Все дело в том, что до сих пор не было самого главного — достаточно производительных и универсальных приборов, способных обеспечить стопроцентный и всесторонний контроль качества металла, заготовок, деталей. На первый взгляд, задача кажется неразрешимой мыслимо ли сделать прибор — мастер на все руки, прибор-ясновидец, от которого не ускользнут такие разнообразные дефекты, как мельчайшие трещины или раковины и отклонения от заданной металлографической структуры Кроме того, он должен фиксировать ошибки термообработки, замерять остаточные напряжения после шлифовки и сварки, снижающие усталостную прочность, улавливать остаточное намагничивание, вредное для подшипников, идущих в точные приборы, наконец, отмечать погрешности в геометрических размерах [c.50]

Как видно из анализа повреждений теплоэнергетического оборудования, весьма важное значение имеет наличие окислительной среды (вода, пар, конденсат), обусловливающей явление корро-зионно-термической усталости. Воздействие окислительной среды заключается главным образом в ее специфическом влиянии на кинетику возникновения и роста термоусталостных трещин. При этом основное воздействие окружающей среды, так же как и термических напряжений, сосредоточено в поверхностных слоях детали. Коррозионно-усталостные процессы, характерные для элементов теплосилового оборудования, интенсифицируются при асимметричном цикле нагружения, наличии дефектов в защитной окисной пленки на поверхности металла, остановах и т. д. [c.20]

Зарождение трещин. Возникновение усталостной трещины не обязательно начинается на поверхности детали. Иногда трещина зарождается внутри детали в том месте, где металл имеет какой-нибудь дефект, скажем, инородное мелкое включение или раковину. [c.103]

Под действием переменных напряжений в деталях механизмов и металлоконструкций ПТМ происходит постепенное накопление повреждений. Этот процесс называется усталостью, а способность деталей сопротивляться усталости — циклической прочностью или выносливостью. В начальной стадии накопления циклических повреждений происходят пластические деформации отдельных кристаллов, из которых состоит металл. Эти пластические деформации вызывают перераспределение напряжений, и на поверхности ряда кристаллов возникают линии сдвига. Пластическое деформирование сопровождается упрочнением отдельных зон кристаллов и одновременно разрыхлением структуры в области внутрикристаллических дефектов. Под действием переменных напряжений, превышающих определенный уровень, начинают образовываться из линий сдвига микротрещины. Развиваясь, микротрещины переходят в макротрещины. Последние приводят к уменьшению прочностного сечения детали, и после того как размер трещины достигает предельного значения, наступает хрупкое разрушение детали. Таким образом, процесс усталостного разрушения можно разделить на две стадии [27]. Первая стадия — до начала образования макротрещины, вторая — от момента ее образования до разрушения детали. В настоящее время еще нет достаточно апробированных общих оценок закономерностей распространения трещин в деталях ПТМ сложной конфигурации. В связи с этим расчеты циклической прочности как до образования макротрещин, так и до полного разрушения носят идентичный характер [20]. Известно, что пределы выносливости, определенные по условию образования трещины и по условию оконча тельного разрушения, совпадают при коэффициентах концентрации аа < 2 -Ь 3. При высоких коэффициентах концентрации количество циклов, при которых происходит развитие макротрещины с момента ее образования до разрушения сечения, составляет 70—80 % от общего ресурса детали. Развитие усталостной трещины происходит в результате циклических деформаций в области вершины трещины. Установлено, что в общем случае распространение макротрещины от появления до полного разрушения детали можно разделить на три этапа [27], Первый этап характеризуется малой скоростью распространения трещины вдоль полос скольжения. На втором (основном) этапе трещина растет с примерно постоянной скоростью. На третьем этапе, когда трещина имеет уже большие размеры, скорость роста увеличивается и происходит мгновенное хрупкое разрушение (долом) детали. В то же время экспериментальные и теоретические исследования так же, как и эксплуатационные наблюдения, свидетельствуют о том, что не всегда появление трещины усталости приводит к разрушению детали (образца) [27]. В ряде случаев возникают нераспространяющиеся трещины или трещины с весьма малой скоростью роста. Очевидно, что разработка и использование возможностей уменьшения [c.121]

Усталостное разрушение значительно отличается от разрушения, вызванного действием постоянной нагрузки. В основе усталостного разрушения металла лежит дислокационный механизм зарождения микроскопических трещин. Возникновение усталостных трещин связывают с результатом циклического деформирования кристаллической решетки, когда максимальное значение напряжения за период цикла способно привести к пластическим сдвигам. Происходит интенсивное увеличение количества дислокаций и их движение как в прямом, так и в обратном направлении. Существуют различные варианты взаимодействия дислокаций, которые приводят к возникновению большого количества точечных дефектов, вакансий. Скопление вакансий приводит к объединению их в поры, которые могут стать причиной разрушения, превратившись в трещину [3, 7]. [c.14]

Контроль при изготовлении деталей машин. Работа по контролю машинных деталей значительно облегчается благодаря электролитическому глянцеванию или полированию, так как они надежно вскрывают все дефекты, имеющиеся на поверхности. Например, этот способ используют при периодических повторных испытаниях турбинных лопаток. У пружин из термически обработанной стали или рояльной проволоки выявляются металлургические дефекты и устраняется обезуглероженный поверхностный слой, являющийся причиной усталостного разрушения. Этот способ используется также для контроля поршневых пальцев, зубчатых колес насосов, вентилей для выявления случайных дефектов, возникших при термической обработке, и трещин от шлифования. Таким же образом испытывают поковки из легких металлов для изготовления шасси самолетов. [c.272]

Основное преимущество оценки материалов с применением положений линейной механики разрущения состоит в том, что данные, получаемые на образцах в лабораторных условиях, можно использовать при выборе материалов для конструкций. Если известны значения К с и Оа, то можно рассчитать размер дефекта, который может вызвать разрущение или, наоборот, зная максимальный размер и ориентацию дефекта, присутствующего в конструкции, можно определить величину разрушающего напряжения. С тех пор как Брауном разработан двухконсольный образец с предварительно нанесенной усталостной трещиной, положения линейной механики разрушения широко используются при анализе поведения высокопрочных металлов при коррозионном растрескивании. [c.309]

Процесс усталостного разрушения при качении, а также при скольжении контактных поверхностей с малой скоростью протекает по особому. Первичные трещины зарождаются в зоне действия максимальных касательных напряжений на глубине, равной 0,3—0,4 размера площадки контакта. Постепенно развиваясь, они выходят на поверхность, образуя характерную точечную сыпь. На дальнейшем этапе точечные дефекты разрастаются и сливаются в цепочки на участках между цепочками отслаиваются и выкрашиваются крупные частицы металла. Это явление называется питтингом. В результате питтинга сочленение, как правило, выходит из строя. [c.328]

В процессе эксплуатации оболочковых конструкций стыковые соединения их стенок могут претерпевать 10 — 10 циклов давления, а растягивающие напряжения в стыковых соединениях стенок изменяться от 0,1 до 0,9 Ор2 основного металла. В этих условиях возможно зарождение и последующее подрастание усталостных трещин от технологических дефектов. При этом, как показывают результаты экспертиз аварий, трещины могут зарождаться и подрастать как от плоских трещиноподобных дефектов, так и дефектов объемных. [c.394]

Согласно современным представлениям природа усталостного разрушения металла носит статистический (случайный) характер и связана с неизбежной неоднородностью его кристаллической структуры. Металл состоит из большого числа случайно ориентированных кристаллов и имеет различные дефекты внутреннего строения. Отдельные кристаллы имеют различные размеры и форму и анизотропны, т. е. обладают различной прочностью в разных направлениях. Поэтому при нагружении детали все кристаллы напряжены неодинаково, одни в большей, другие в меньшей степени. В силу случайных причин в наиболее неблагоприятно ориентированных кристаллах возникают пластические деформации. При однократном нагружении это приводит к некоторому местному перераспределению напряжений и не вызывает разрушения металла. При повторном нагружении в этих кристаллах появляется наклеп, т. е. они упрочняются (аналогичное явление упрочнения после текучести наблюдается и при испытаниях на растяжение образцов из различных пластических материалов). С каждым последующим циклом нагружения в таких кристаллах накапливаются необратимые механические повреждения, напряжения в них постепенно увеличиваются, и, когда способность какого-то кристалла к упрочнению исчерпывается, в нем появляется трещина. Трещина обычно возникает на поверхности детали в местах наибольших напряжений, а также в местах, имеющих дефекты внутреннего строения металла или обработки поверхности. По мере увеличения числа циклов нагружения трещина увеличивается в размерах, и, когда статическая прочность оставшейся неповрежденной части сечения (зона А — зона долома, см. рис. 14.4) становится недостаточной, происходит внезапное разрушение детали. Края развивающейся трещины в процессе циклического нагружения многократно трутся друг о друга. [c.341]

Весьма перспективным является метод неразрушающего контроля с использованием позитронов [58]. С помощью этого метода можно, в частности, определять начало усталостного разрушения в металлах до появления усталостных трещин. Испускаемые радиоактивным материалом позитроны проникают в металл, где они соединяются с электронами и образуют при аннигиляции у Лучи. Поскольку позитроны притягиваются к дислокациям, возникающим до появления усталостной трещины, среднее время жизни позитрона можно связать с наличием дефектов или областей усталости в материале. Используя потоки позитронов, можно контролировать характеристики пластической деформации, в том числе в таких процессах, как закалка, отпуск или термообработка. [c.17]

Электрохимическая гипотеза предложена Эвансом [10] и развита Г.В.Акимовым [5], Н.Д.Томашовым [9], А.В.Рябченковым [20] и др. Сущность этой гипотезы заключается в том, что анодное растворение металла локализуется у различных структурных и технологических дефектов (неметаллические включения, риски, царапины, поры и пр.) на поверхности изделия, служащих концентраторами напряжений. На месте локализованного анодного растворения возникают углубления, перерождающиеся в коррозионно-усталостные трещины. Согласно Н.Д.Томашову [9], процесс развития трещины - это непрерывный электрохимический процесс. Рост трещины рассматривается как работа гальванического элемента с малополяризуемыми электродами. Анодом является вершина трещины, в которой металл постоянно обновляется вследствие образования ювенильных поверхностей. Потенциал анода резко сдвинут в отрицательную область в результате механической активации металла в вершине трещины. Катодом служит боковая поверхность трещины с незначи- [c.13]

Применяемый метод неразрушающего контроля с помощью ультразвука должен обеспечивать в процессе производства обнаружение дефекта такого размера, который в дальнейшем может привести к разрушению корпуса. При правильном проведении 100%-ного контроля есть возможность установить местонахождение и определить размеры трещин, как начинающихся на поверхности, так и находящихся в толще материала. При условии, что контроль проведен тщательно, на поверхности корпуса могут быть обнаружены трещины глубиной <0,6 см. Труднее осуществлять контроль, если поверхность защищена покрытием. Так, прохождение ультразвука через аустенитные стали не дает четкой картины. поверхности раздела между покрытием и металлом корпуса, в результате чего дефекты могут оказаться замаскированными или может сложиться ложное представление о них. Однако с достаточной определенностью можно установить дефект протяженностью 1,2 см, так как он будет заметен на экране прибора. Все корпуса реакторов перед сдачей в эксплуатацию испытывают гидравлической опрессовкой давлением, равным 50% рабочего давления, при комнатной температуре. Этот вид испытания помогает выявить более мелкие дефекты, которые могут привести к разрушению корпуса при рабочих температуре и давлении. Используя результаты таких испытаний, можно рассчитать число рабочих циклов, которым корпус должен противостоять в процессе работы, при условии, что напряжения, возникающие при подаче давления, доминируют, а всеми другими источниками можно пренебречь. Чтобы гарантировать надежность работы корпуса до конца срока службы, испытание можно повторить в процессе эксплуатации. Однако следует помнить, что каждое испытание давлением таким способом использует заметную часть запаса усталостной прочности корпуса. Из сказанного ясно, что если корпус тщательно изготовлен из требуемого материала и контролем не выявлены дефекты, которые могли бы вызвать его разрушение, он должен обеспечить надежную работу реактора. Для большей гарантии было предложено проверять корпуса в процессе эксплуатации, вводя с внутренней стороны автоматические ультразвуковые и сканирующие датчики, которые обеспечивают просмотр всех критических участков корпуса. Кроме того, было предложено использовать методику регистрации перепадов напряжения как средство обнаружения распространения трещин, однако до сих пор положительных результатов получено не было. [c.169]

Для ряда образцов было зафиксировано образование питтингов на поверхностях трения. Характер процессов, протекающих в контакте в динамических условиях, и механизм образования питтингов может быть различным. Как известно, реальная поверхность металла характеризуется повышенной концентрацией дефектов строения - вакансий, дислокаций и т.п. При интенсивном деформировании поверхностных слоев металла при трении дефекты служат концентраторами напряжений и являются очагами зарождения микротрещин. В результате многократного циклического деформирования происходит развитие микротрещин, их смыкание, отслаивание частиц износа и образование пит-тйнгов вследствие контактной или фрикционной усталости металла. Большую роль при этом играет, как указывалось выше, адсорбционное понижение прочности поверхностных слоев металла вследствие эффекта Ребиндера, химическая коррозия, вызываемая серосодержащими лрисадками, а также электрохимическая питтинговая коррозия, возникающая в местах скопления поверхностных дефектов в результате пробоя пассивирующей поверхности пленки окисла. О механизме образования питтингов можно было в какой-то степени судить по их виду. Питтинги усталостного происхождения имели неправильную форму, неровные края, от которых могли отходить поверхностные трещины. Такие питтинги наблюдались для эфира 2-этилгексанола и фосфорной кислоты. Серосодержащие присадки ОТП и Б-1 вызывали появление большого количества мелких питтингов, В присутствии хлорсодержащих присадок хлорэф-ДО и совол возни- [c.43]

Механизм развития коррозионно-усталостного процесса в этом случае схематически можно представить так после некоторого времени от начала приложения циклического нагружения в наиболее перенапряженных зернах поверхности металла, на основе изначально существуквдих во всяком твердом теле активных дефектов (ультра-мик ротрещин ) происходят сдвиги. Адсорбция поверхностно-активных элементов среды внутри клинообразных дефектов (ультрамикро-трещин) будет способствовать их развитию и превращению, в активные и значительно увеличивать количество этих активных дефектов [45, 80]. Эго вызывает ускорение образования сдвигов и увеличение их количества в коррозионной среде так же, как это было показано исследованиями В. И. Лихтмана и П. А. Ребиндера для поверхностно-активных сред [128]. [c.174]

Вероятностная природа усталостного разрушения, зависящего от дефектов структуры и поверхности металла, отражается на закономерностях подобия при этих разрушениях. С увеличением напрягаемых переменными напряжениями объемов увеличивается вероятность ослабления сопротивления металла разрушению бопее значительными дефектами и их сочетанием, уменьшается предел усталости, ослабляется рассеяние. Влияние абсолютных размеров на усталостные свойства металла возрастает с увеличением его неоднородности, особенно сильно проявляясь на литых и крупнозернистых структурах. С уменьшением вероятности ра.з-рушения влияние абсолютных размеров ослабевает, так как в соответствии со статистическими представлениями рассеяние уменьшается с увеличением напрягаемых объемов, и кривые усталости для низких вероятностей разрушения при различных размерах сечений сближаются. При сложных напряженных состояниях усталостные разрушения для металлов в вязком состоянии в основном определяются максимальными или октаэдрическими касательными напряжениями, как. это следует, например, из данных исследования усталости конструкционных сталей. Большинство результатов укладывается между предельными шестиугольником касательных напряжений и эллипсом октаэдрических. Для металлов в хрупком состоянии разрушения определяются главными растягивающими нормальными напряжениями, они располагаются ближе к предельному квадрату предельных нормальных напряжений. Форма усталостного излома при кручении для вязких металлов свидетельствует о зарождении усталостного разрушения по направлению действия наибольших касательных напряжений. Для хрупких металлов трещина возникает сразу в направ.т1е-нии действия наибольших нормальных напряжений. Развитие трещины обычно следует поверхностям мальных напряжений. [c.384]

Если испытания проводят с целью исследования влияния какого-либо конструктивного или технологического фактора на усталостную прочность детали, то детали следует подбирать так, чтобы исключить случайные дефекты, наличие которых не характерно для исследуемого процесса. Так, при лабораторных испытаниях полуосей грузовых автомобилей на усталость с целью изучения влияния концентрации напряжений, создаваемой шлицевой частью полуоси, все испытываемые полуоси были изготовлены из металла одной плавки с глубиной нрокаливаемости, близкой к верхнему пределу. Для испытаний полуоси отбирали при помощи магнитного дефектоскопа, чтобы не было трещин и волосовин. Описанные выше мероприятия, исключая случайные факторы, значительно уменьшают зону рассеивания результатов испытаний. [c.158]

Графики усталостных испытаний лопаток приведены на рис. 5.9. Во всех исследованных партиях усталостное разрушение неизменно наблюдалось в прикомлевом сечении. Следовательно, при консольном характере работы лопаток это сечение опасно и требует тщательного контроля на выявление производственных дефектов как внешних, так и внутренних (трещин, прижогов, местных ослаблений лишним съемом металла при [c.118]

Даже малая повторнодействующая нагрузка на поверхность может привести к ее усталостному разрушению. Усталостные трещины возникают на дефектах, всегда имеющихся в твердом теле. Они связаны как со структурой металла (вакансии в кристаллической решетке, границы блоков), так и со следами обработки (царапинами) и, наконец, с металлургическими дефектами (усадочными порами, газовыми пузырями, включениями шлака, резкой неоднородностью размеров кристаллов, различием в твердости и др.). [c.447]

Когда усталостные трещины зарождаются по линии сплавления шва и основного металла, сварочные материалы не оказывают существенного влияния на усталость соединений. Лишь в отдельных исследованиях электроды с низким содержанием водорода приводили к повышению пределов выносливости до 10%. Но в тех случаях, когда очагами усталостных разрушений служат такие технологические дефекты сварки, как поры и шлаковые включения, свойства металла шва заметно сказываются на выносливости соединения. Стыки, выполненные электродами с основным покрытием, показывают большую долговёчность, чем сваренные электродами с рутилкарбонатным покрытием. [c.114]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...