Появление напряжений

Использование статистической обработки регистрируемых данных позволяет выявлять начало процесса трещинообразова-ния (появление микротрещин, их слияние и образование макротрещины) на фоне протекания макропластической деформации. При установке датчиков акустической эмиссии непосредственно вблизи дефекта представительный уровень эмиссии может быть зарегистрирован при нагрузках, составляющих от 5 до 50% от предельной нагрузки, которая соответствует разрушению. Во избежание перебраковки необходимо использовать сложные виды обработки данных.

Причины усталостного разрушения пока еще недостаточно изучены. По-видимому, появление микротрещин является главным образом результатом неоднородности строения материалов и наличия следов механической обработки и повреждений поверхности детали (волосовины, раковины, газовые и шлаковые включения, царапины, следы резца или шлифовального камня и т. п.), а также результатом концентрации напряжений, о чем будет идти речь в следующем параграфе.

1. Возникновение высоких локальных температур, которые при больших местных давлениях могут достигать значений, соответствующих фазовым превращениям в поверхностных слоях, или приводящих к расплавлению металла (появлению «мостиков сварки»). Сочетание повторных механических и термических на-пряжений может вызвать появление микротрещин, смыкание которых на некоторой глубине ведет к отделению материала*

Основы надежности закладываются конструктором в содружестве с технологом при проектировании. Заданная надежность обеспечивается в процессе производства применением прогрессивной технологии. В эксплуатации заданная функция надежности реализуется выполнением всех правил эксплуатации. Надежность изделия тесно связана с его долговечностью. Эффективных мер повышения долговечности много, в их числе закалка стальных деталей при нагреве т. в. ч., дающая возможность увеличить износостойкость зубчатых передач в 2—4 раза; хромирование трущихся деталей дает возможность увеличивать срок службы по износу в 3—5 раз и др. Хорошая система смазки является необходимым условием обеспечения надежности и долговечности машин. Широкое применение в машиностроении т. в. ч. для упрочнения деталей машин с целью повышения их ресурса объясняется многими их преимуществами по сравнению с другими видами термической обработки деталей. Однако реализовать эти преимущества возможно только при условии правильного установления параметров закалки. Важнейшими из них являются глубина закалки хк, твердость HRC, зона перехода закаленной части детали к незакаленной, частота тока и скорость процесса упрочнения. Теоретически глубина упрочнения трущейся детали должна равняться предельному допуску ее износа. Однако практически при ее определении следует учитывать условия работы детали, ее геометрические размеры и материал. Опыт применения т. в. ч. показывает, что при невыполнении этих условий закалка при индукционном нагреве приводит к отрицательным результатам. В тех случаях, когда зона перехода закаленной части детали к незакаленной совпадает с наиболее опасным сечением и местом концентрации напряжений, в этих зонах первоначально возможно появление микротрещин, а затем их развитие под действием знакопеременных нагрузок и усталостный излом. Аналогичные результаты могут быть и при недостаточной глубине закаленного слоя. 206

Образование и развитие трещин. Развитие микроскопических трещин контролировалось непрерывно в процессе испытания, однако появление микротрещин обнаруживалось при всех указанных выше условиях термоциклирования лишь на заключительных перед окончательным разрушением стадиях испытания. После возникновения межзеренных трещин наблюдался их быстрый рост, слияние в макротрещину и конечное разрушение образца в период снижения температуры, т. е. в условиях наличия растягивающих напряжений. Во всех случаях разрушение носит межзереннный характер (рис. 7).

В результате этого накапливание упругой энергии приповерхностными объемами происходит незначительно, что обеспечивает длительную безызносность контактируемых пар. Таким образом, разрядка контактируемых поверхностей дислокациями при ИП приводит к тому, что в приповерхностных слоях гораздо слабее реализуются дислокационные скопления, обусловливающие появление микротрещин, способствующих износу материала.

Исследования процессов пластической деформации поликристаллических материалов [49, 51, 56, 59, 65—68] с точки зрения особенностей, приводящих к возникновению микротрещин, убедительно свидетельствуют, что появление микротрещин — естественный результат действия самого механизма пластического деформирования металла. Пластическая деформация металла уже на ранних стадиях сопровождается возникновением зародышевых микротрещин. Процесс накопления повреждений определяется кинетикой напряженно-деформированного состояния при упруговязконла-стическом деформировании материала. Оба процесса необратимы и определяются не только текущими значениями соответствующих параметров, но и всей предшествующей историей изменения этих параметров и, следовательно, должны описываться дифференциальными неголономными зависимостями, которые могут быть проинтегрированы только в случаях, когда задан путь нагруже-ния (деформирования).

образуются пары воды по реакции Си3О + Н2 -*¦ 2Си 4- Н2О, протекающей с увеличением объема. Это создает в отдельных участках металла высокое давление и вызывает появление микротрещин, которые могут привести к разрушению детали.

~На поверхности обычных кристаллических материалов таких, как нержавеющие стали, образуется внешняя пленка, предохраняющая материал от коррозии. Однако если к металлу, находящемуся в. коррозионной среде, приложить растягивающую нагрузку, то вследствие протекания пластической деформации скольжением на поверхности появляются участки, где пленка отсутствует, что облегчает коррозию на этих участках. В свою очередь коррозия вызывает появление микротрещин, где происходит концентрация напряжений, что инициирует пластическую деформацию. Поскольку

Исследование процесса усталостного разрушения осуществляют по скорости и затуханию УЗ. При многократной нагрузке металла напряжением, значительно более низким, чем предел прочности, в нем образуются микротрещины, которые соответствуют начальной стадии разрушения. Появление микротрещин вызывает уменьшение скорости и увеличение затухания УЗ.

Частое изменение температуры и влажности, вызывающее появление микротрещин; растворяющее действие воды и понижение прочности при водонасыщении; химическая коррозия, происходящая под действием газов (О2, Н2 и др.), содержащихся в атмосфере, и веществ, растворенных в грунтовой и морской воде; замерзание воды в порах и трещинах, вызывающее внутренние напряжения, — это основные причины разрушения природных каменных материалбв.

Отверстия в деталях получают при формообразовании (литьем, прессованием и т, д.) соответствующими стержнями, устанавливаемыми в технологической оснастке (пресс-формах). Наличие стержней вызывает появление напряжений в деталях, так как они затрудняют свободную усадку материала. Отверстия лучше располагать не в сплошных массивах, а в специальных бобышках с тонкими стенками (рис. 8.11, г, е), что снижает усадку и усилие обхвата стержней.

Для исследования напряженного состояния в окрестности исследуемой точки тела обычно выделяют элемент в виде бесконечно малого параллелепипеда <$х (рис. 88). На его гранях дейст-""" вуют внутренние силы, заменяющие воздействие удаленной части тела и вызывающие появление напряжений. Полные напряжения на гранях можно разложить на нормальные и касательные составляющие. Если ориентацию выделенного элемента изменить, то действующие на его гранях напряжения будут также изменяться. При этом можно найти такое положение элемента, при котором на его гранях касательные напряжения равны нулю.

Один из основных вопросов, рассматриваемых в теории тепловых процессов при сварке, — определение условий, при которых достигаются необходимый нагрев изделия и его сваривание. Однако этим не исчерпывается назначение теории. Нагрев и охлаждение вызывают разнообразные физические' и химические процессы в материале изделия — плавление, кристаллизацию, структурные превращения, объемные изменения, появление напряжений и пластических деформаций. Эти процессы приводят к глубоким изменениям свойств и состояния материала и влияют на качество всей конструкции в целом. Чтобы определить характер протекания указанных процессов, необходимо знать распре--деление температур в теле и изменение его во времени в каждом отдельном случае. Это второй основной вопрос, рассматриваемый в теории тепловых процессов при сварке.

Оболочковая форма, заформованная в сыпучей огнеупорный материал, нагревается изнутри, со стороны рабочей полости быстрее, чем снаружи через слой формовочного материала. Чтобы в стенке формы не возникли термические напряжения вследствие одностороннего нагрева, начальную температуру печи и скорость нагрева выбирают из условия равномерного нагрева оболочковой формы. Для кварцевых материалов эта скорость равна 100°С/ч. После нагрева до 900 - 1000°С дают выдержку для завершения процесса прокалки. Общая продолжительность прокаливания формы 6 - 8 ч. Если сыпучий огнеупорный материал имеет полиморфные превращения при нагреве, протекающие с изменением объема (кварцевый песок, см. рис. 105), то возможно появление напряжений и трещин в оболочковых формах. Поэтому целесообразно прокаливать оболочки отдельно, а затем горячую оболочку формовать в нагретый огнеупорный материал.

большой подвижностью. В ненапряженной решетке они распределены статистически по всем возможным положениям. Однако появление напряжений может вызывать преимущественное перераспределение атомов внедрения

Периодически изменяющиеся в механизмах динамические силы воспринимаются станиной через кинематические пары, связанные со стойкой, и передаются на фундамент машины и перекрытие здания (или корпус автомобиля, самолета, теплохода и т. п.), в котором установлена машина. Динамические давления, передающиеся на станину, могут вызвать вибрационные явления в звеньях машины, раме и перекрытии, на котором она установлена. Эти вибрационные явления увеличивают напряжения в некоторых деталях машины и ее раме или перекрытии, а близость к зоне резонанса может вызвать появление напряжений, выходящих за пределы допустимых величин. Поэтому стремятся полностью или частично погасить указанные динамические давления, добиваясь того, чтобы на раму и далее на фундамент машины передавались давления, постоянные по величине и направлению. Высказанное пожелание может быть учтено еще в процессе проектирования машины при рациональном подборе масс движущихся звеньев и проектировании специальных противовесов.

Процесс распада пересыщенного твердого раствора, сопровождающийся изменением объема, вызывает появление напряжений в зернах. Эти напряжения в некоторых случаях не превышают предела упругости матричной фазы, в других — приводят к пластической деформации. Упругие напряжения, возникающие в результате распада, могут иногда тормозить процесс распада. В связи с этим распад некоторых твердых растворов, сопровождающийся увеличением объема сплава (примерно на 3%), начинается с поверхности образца.

Исследование теплового расширения молибденово-медных сплавов в зависимости от состава показало, что средний КТР их зависит от объемной концентрации компонентов, которые отличаются существенным различием тепловых и механических свойств, как видно из табл. I. 46. В связи с этим нагревание сплава вызывает появление напряжений в фазовых составляющих.

Усиление конструкции может быть достигнуто во многих случаях применением рёбер жёсткости, но иногда это мероприятие приводит к увеличению веса конструкции [20], а поэтому в каждом отдельном случае необходимо проверить целесообразность применения рёбер. В ряде случаев может быть рекомендована конструкция „замкнутого контура" (фиг. 63) [12, 20]. Они обеспечивают необходимую прочность, жёсткость и лёгкость. Возможным недостатком является появление напряжений благодаря явлениям затруднённой усадки.

При структурных превращениях в охлаждающемся металле изменяется объём отдельных составляющих, что при малой пластичности металла также вызывает во время охлаждения поковок появление напряжений.

одновременно, во всём о'бъёме металла, чем и предупреждается появление напряжений.