Отдельных микроучастков

и интенсивность динамического нагружения поверхностного слоя при воздействии на него абразивных зерен. При этом ускоренное движение детали относительно притира (т. е. при наличии тангенциального ускорения ат) вызывает неравномерную нагрузку отдельных микрообъемов, а изменение о, создает переменные напряжения в поверхностных слоях. Скорость распространения микротрещин и характер микрорельефа зависят от интенсивности описанных динамических воздействий.

3. Насыщение обнаженных катодных участков в вершине трещины водородом, сегрегация водорода в подповерхностных слоях у вершины трещины, пересыщение водородом отдельных микрообъемов а-фазы.

При испытании стали 45 в крупнокусковой абразивной массе [149] установлено, что микротвердость изношенной поверхности термоулучшенной стали несколько ниже, чем на глубине 0,2—0,3 мм. Если оценить ударное (с проскальзыванием) воздействие крупного гравия на изнашиваемую поверхность, то можно предположить, что слой с пониженной микротвердостью образуется за счет перенапряжения отдельных микрообъемов поверхности. Этого не происходит при испытании сталей в мелкодисперсной абразивной массе, так как нормальная (ударная) составляющая воздействия мелких частиц абразива незначительна при выбранном режиме испытаний. В этом случае изнашивание происходит за счет тангенциальной составляющей, реализуемой при окатывании зернами карбида кремния поверхности образца, но не каждое зерно может вырезать или выдавить лунку на поверхности материала. Это могут сделать лишь зерна, соответственно ориентированные относительно поверхности трения. Следует отметить, что при трении об абразивную поверхность вероятность ориентации зерен, определяющих интенсивность изнашивания, более высокая, чем при испытаниях в абразивной массе. При ударе об абразивную поверхность характер воздействия абразива на изнашиваемую поверхность в значительной мере идентичен испытаниям ъ крупнокусковой абразивной массе не только по виду изношенной поверхности, но и по микротвердости предразрушенного слоя

Поведение малолегированных однородных твердых растворов в основном аналогично поведению алюминия, однако в литых сплавах характер разрушения изменяется от транскристаллического на интеркристаллический. В пересыщенных твердых растворах неоднородность пластической деформации сохраняется, хотя микронеоднородность, по данным электронно-микроскопических исследований, уменьшается. Так, например, даже в таком высоколегированном сплаве, как А1—95% Mg, при 665=0,2% локальная деформация отдельных микрообъемов достигает 10—15%. Но в поведении этих сплавов отмечаются следующие особенности: при комнатной температуре в процессе деформирования происходит перераспределение участков с повышенной локальной деформацией, и локализация деформации возникает только после зарождения микротрещин. Это приводит к повышению работы зарождения трещин. Второй особенностью является то, что с увеличением степени легирования в литых сплавах имеет место увеличение разброса локальных деформаций по границам в сравнении с объемами зерен. В деформируемых сплавах наблюдается обратная картина. Литые сплавы разрушаются по границам зерен, в то время как в деформируемых сплавах разрушение преимущественно транскристаллическое, и развитие трещин происходит медленнее, чем в литом сплаве.

измерения осуществляли на расстоянии между точками А и В. Сопоставление графиков, иллюстрирующих деформацию образцов на заданную величину, позволяет определить смещение отдельных микрообъемов зерен в процессе растяжения. Это смещение может возникать как за счет «выдавливания»

трузионного микрорельефа (в виде впадин на поверхности отдельных зерен). Такая перестройка материала интенсифицируется по мере увеличения общей деформации и повышения температуры испытания, облегчающей перераспределение дислокаций и протекание скольжения отдельных микрообъемов. Рассмотрение серий микрофотографий, представленных на рис. 164 и рис. 165, и соответ-

предположение, что указанное явление связано с влиянием существенно выраженной неравномерности пластической деформации при высоких частотах, а следовательно, со значительным микролокальным разогревом отдельных микрообъемов материала, что в свою очередь приводит к снижению циклической прочности.

ляется следствием механического, ударного действия (гидравлического, газового), локализованного в объемах, соизмеримых с размером отдельного зерна или его части, т. е. в микрообъемах металла. Конструктивная прочность материала при кавита-ционно-эрозионном износе определяется прочностью отдельных микрообъемов, структурой и свойствами зерна и его границ. Характер пластической деформации отдельного элемента структуры — микрообъема обусловлен природой данного материала, в общем виде его структурой: микроскопической, мозаичной, атомной и электронной.

При дальнейшем воздействии знакопеременных напряжений влияние разупрочняющего эффекта Баушингера будет уменьшаться, так как одновременно начнется упрочнение отдельных микрообъемов металла в результате циклической пластической деформации. Усиление влияния упрочняющего фактора приведет к понижению скорости увеличения прогиба образца, а затем и к уменьшению прогиба на первой стадии.

В результате действия разупрочняющего эффекта Баушингера первые циклы знакопеременной нагрузки вызовут большое снижение предела упругости, что приведет к увеличению прогиба образца. Одновременно с этим упрочнение отдельных микрообъемов металла в результате циклической пластической деформации вызовет уменьшение скорости увеличения прогиба образца на первой стадии. Однако вследствие того, что на этой стадии превалирует явление Баушингера, прогиб образца будет непрерывно увеличиваться. Накопление пластической деформации при дальнейшем циклическом воздействии ввиду малой эффективности упрочняющих факторов приведет к зарождению усталостной трещины. Характер увеличения прогиба образца после ее появления, то есть на второй стадии, будет зависеть от характера и скорости распространения зародившейся трещины усталости.

В сталях заэвтектоидного состава, закаленных "на мартенсит, снижение абразивной износостойкости сталей при содержании углерода свыше 1,2%ч объясняется охрупчиванием материала, приводящего к выкрашиванию из поверхностей трения отдельных микрообъемов металла. -

Общая схема электрохимического процесса коррозии приведена на рис. 9-1. За счет электрохимической неоднородности отдельных микроучастков поверхности стенки металла /, находящейся в контакте с электролитом 2, образуются анодные участки 3. На этих участках за счет гидратационных сил молекул воды происходит распад ион-атомов железа Fe2+ • 2е с выделением в раствор гид-ратированных ионов железа Fe2+-nH2O. Избыточные электроны е устремляются при этом к катодным участкам 4, где поглощаются деполяризатором Д.

Результаты исследований [6, 8, 35, 60 и др. ] показывают, что гидроэрозия развивается не только от кавитирующего действия жидкости, но и от обычных ударов, при которых каждая частица жидкости действует локализованно и при высоких скоростях ведет себя как твердое тело, обусловливая сложный характер нагруже-ния рабочей поверхности детали. В этих условиях поверхность детали подвергается микроударному воздействию, поэтому обычные показатели механических свойств не могут характеризовать эрозионную прочность или стойкость металла, т. е. его сопротивляемость разрушению в микрообъемах. Надежность и долговечность деталей машин, работающих в условиях микроударного воздействия, следует оценивать механическими характеристиками металла отдельных микроучастков. Прочность отдельных микроучастков определяется природой данного сплава, его структурными составляющими, свойствами зерна, его границ и строением тонкой структуры.

Важнейшая особенность жидкостей — наличие в них сильного межмолекулярного взаимодействия. Этим обусловлены два основных свойства жидкого состояния — молекулярное давление и связанное с ним поверхностное натяжение. Молекулы жидкости, расположенные в поверхностном слое, находятся в постоянном взаимодействии с молекулами соседней среды. Равнодействующая сила этого взаимодействия и обусловливает молекулярное давление, которое в различных жидкостях колеблется от 101,32 до 1013,25 МПа. Малая сжимаемость жидкостей объясняется наличием в них большого молекулярного давления, за счет которого они уже сжаты почти до предела. Это свойство особенно сильно проявляется при контактном нагружении, когда разрушающее действие жидкости локализовано в очень малых объемах, соизмеримых с размерами отдельных микроучастков.

Процесс сжатия кавитационной полости совершается с большой скоростью и сопровождается гидравлическим ударом. Такие удары могут вызывать разрушение металла в микрообъемах, если сила удара превышает пределы прочности металла отдельных микроучастков.

При очень большой скорости удара может произойти обычное разрушение. В этом случае жидкость не распадается на отдельные частицы, а действует всей массой почти так же, как твердое тело. Следовательно, эрозия происходит только в том случае, когда жидкость распадается на мельчайшие частицы, которые своим ударным воздействием способны вызвать разрушение отдельных микроучастков.

На образцах из коррозионно-стойких сталей образуются очень тонкие окисные пленки; они обладают повышенной механической прочностью и, по-видимому, разрушаются при струеударных испытаниях одновременно с основным металлом. Предварительное воздействие коррозионной среды на этих образцах вызывает главным образом снижение механической прочности отдельных микроучастков поверхностного слоя. Сам процесс образования окисных пленок уже является началом снижения прочности на участках, имеющих поверхностные дефекты, и по границам металлических зерен. Приведенные соображения согласуются с результатами испытания образцов из коррозионно-стойких сталей, подвергнутых коррозионному воздействию (см. табл. 12). Инкубационный период для этих образцов практически не уменьшается, и потери массы также невелики по сравнению со значениями этих показателей для образцов таких же сталей, не подвергавшихся воздействию коррозионной среды.

Гидроэрозия металла, как правило, наблюдается при больших скоростях потока или движения детали в жидкости. При этом металл разрушается в основном за счет механического воздействия малых объемов жидкости. Природа этого воздействия связана с качественным изменением характера течения жидкости. В этих условиях ударное нагружение приобретает импульсный характер, т. е. отличается быстрым возрастанием давления, за которым следует такое же быстрое его снижение. Характерная особенность такого нагружения — очень малая область действия максимальных напряжений, соизмеримая с площадью отдельных микроучастков (приблизительно Ю-4—10"6 мм2). Эти напряжения в большинстве случаев превышают предел текучести многих металлов и сплавов, причем напряжения отличаются локальностью и неравномерностью, возникают в отдельных микрообъемах независимо от того, чтр происходит на других участках поверхностного слоя. При таком характере механического воздействия разрушение металла связано с отрывом очень мелких частиц вследствие образования в поверхностном слое микроскопических трещин; последние возникают в результате пластической деформации в микрообъемах. Таким образом, гидроэрозию металлов следует рассматривать как процесс, возникающий в результате микроударного воздействия жидкости.

При таком характере контактного нагружения сопротивление металла разрушению определяется не усредненными свойствами отдельных макрообъемов, а свойствами металла отдельных микро-участков-или свойствами структурных составляющих. При этом представление о способности металла к пластической деформации и разрушению также изменяется. Некоторые свойства металлов и сплавов, не имеющие основного значения при обычных видах нагружения, при микроударном воздействии становятся первостепенными. Известно, например, что прочность отдельных микроучастков металла неодинакова. Даже в самых качественных сплавах с высокими усредненными показателями прочности имеются слабые микроучастки, которые не всегда заметно влияют на обычные характеристики их механической прочности; в то же время при разрушении отдельных микрообъемов эти слабые микроучастки могут иметь решающее значение. 90

Понятие о прочности металлов в микрообъемах связано с представлением о механизме гидроэрозии. Многочисленные исследования показывают, что сопротивляемость металлов разрушению при микроударном воздействии определяется не обычными механическими свойствами, а прочностью отдельных микроучастков, т. е. эрозионной стойкостью (или прочностью). Она зависит от природы металла, его структуры, кристаллической решетки и дислокационного строения. Металлы и сплавы с высокими прочностными характеристиками могут оказаться нестойкими в условиях микроудар-94

На рис. 63 показана начальная стадия разрушения серого чугуна с различной формой графита. В чугунах с пластинчатой формой графита и перлитоферритной основой разрушение начинается с графитовых включений и быстро развивается, так как графитовые пластинки (включения), вплетаясь в металлическую основу, значительно снижают ее механическую прочность, что приводит к выкалыванию отдельных микроучастков.

После закалки твердость малоуглеродистого чугуна резко возрастает, достигая НВ 550. Одновременно повышается предел прочности при сжатии (до 2156 МПа). Временное сопротивление и предел прочности при изгибе уменьшаются вследствие увеличения хрупкости металлической основы и наличия в образцах больших внутренних напряжений, вызванных закалкой. В таком состоянии малоуглеродистый чугун, как и другие чугуны с пластинчатой формой графита, после закалки имеет невысокую эрозионную стойкость. Это объясняется перенапряженностью отдельных микроучастков, особенно в местах скопления графитовых включений, где концентрируются большие напряжения. В этом случае металлическая основа чугуна разрушается быстро без инкубационного периода.

Выбор материала для изготовления деталей, работающих в условиях гидроэрозии, долгое время основывали на коррозионной стойкости материалов. Поэтому наиболее часто применяли коррозионно-стойкие (нержавеющие) сплавы без учета их сопротивляемости микроударному разрушению. Применение высоких скоростей изменило требование к таким деталям; изменился и принцип выбора конструкционных материалов. В этих условиях необходимо, чтобы материал обладал кроме высокой коррозионной стойкости еще и высоким сопротивлением микроударному разрушению. Это новое требование заставило расширить и углубить понятие о прочности металлов и сплавов. В условиях гидроэрозии сопротивляемость микроударному разрушению определяется не усредненными механическими характеристиками, а прочностью отдельных микроучастков поверхности. При этом решающее значение имеет прочность отдельных структурных составляющих, металлического зерна и его границ.