Поверхностных процессов

На рис. 184 показана циклическая прочность стальных образцов при различной механической обработке в функции предела прочности сг„, За единицу принята циклическая прочность., полированного образца из стали с ав = 40 кгс/мм2. Влияние поверхностных повреждений возрастает с, увеличением прочности материала, что свидетельствует о повышенной чувствительности этих материалов к концентрации напряжений.

Авторы совместно с А.В.Гурьевым и В.И.Водопьяновым с целью изучения закономерностей возникновения и роста микротрещин образцы сплава ВТ5-1 деформировали по жесткому симметричному циклу растяжения—сжатия при амплитудах продольной пластической деформации ±0,7; ±0,35 и ±0,15 % (рис. 119, 120). Этим амплитудам соответствовали долговечности 90, 320 и 1200 циклов соответственно. После достижения определенной относительной долговечности была произведена количественная оценка поверхностных повреждений, включающая определение величины средней и максимальных длин трещин и плотности повреждения трещинами р= n/F, где п — число трещин при минимальной регистрируемой длине трещины 50 мкм; F — площадь поверхности образца.

без пластической деформации. Поверхность или приповерхностные слои границ зерен являются главным местом сосредоточения различного рода неоднородностей в строении металлов и сплавов. К числу этих неоднородностей относятся и дефекты производства (при литье, при обработке давлением, при термообработке), способные в ряде случаев резко снизить зерногра-ничную прочность и вызвать охрупчивание материала (рис. 2.2). Возможно создание значительного уровня объемных остаточных напряжений, которые в совокупности с эксплуатационными нагрузками релаксируют путем создания первоначально зон хрупкого межзеренного растрескивания материала, предшествующих усталостной трещине (рис. 2.3). Концентрация выделений может быть ничтожно малой, так что поверхность разрушения не содержит никаких признаков гетерогенности, связанной с присутствием охрупчивающих примесей. Помимо того возможно разупрочнение приграничных объемов металла за счет "выгорания" основных элементов, например при наличии в материале поверхностных повреждений в виде прижогов. Возникающая межзеренная трещина характеризуется таким же состоянием поверхности границ в изломе (рис. 2.4), как и при малой концентрации охрупчивающих примесей. Механизм образования межзеренных трещин при наличии примесных выделений или, напротив, при выгорании основных элементов может быть следствием замедленного хрупкого разрушения [33, 34], а также может быть результатом кратковременной перегрузки материала и хрупким надрывом по приграничным зонам с пониженной вязкостью разрушения.

Важными условиями обеспечения высокого качества прессования изделий являются правильный выбор материала пресс-формы и его термообработка. В процессе эксплуатации необходимо осуществлять периодический и тщательный контроль за состоянием пресс-формы. Износ деталей пресс-формы может привести к изменению геометрических размеров, образованию поверхностных повреждений (царапин, сколов, трещин и т. д.), нарушению взаимного положения формирующих элементов пресс-формы. В результате этого происходит неравномерное распреде-

2) отсутствие инструмента (формующих роликов) при гидравлическом способе дает равномерный наклеп гофров и не вызывает образование мелких поверхностных повреждений гофров сильфона, как это происходит при механическом способе изготовления сильфонов;

Классические опыты, доказывающие влияние поверхностных повреждений на прочность, были еще до войны поставлены академиком А. Ф. Иоффе. Из куска каменной соли вырезали два круглых стержня. Один из них тотчас же подвергался растяжению на разрывной машине. Разрывное усилие было невелико. Другой стержень предварительно опускали на короткое время в воду, а затем также подвергали разрыву, и этот стержень выдерживал нагрузку, в десятки раз большую.

Объем и сложность ремонтных работ в общей структуре ремонтного цикла состоит примерно в следующем: при периодическом осмотре (О) производится устранение заедания подвижных частей и зажимных устройств, подтяжка соединительных винтов и шпилек, зачистка забоин и других небольших поверхностных повреждений на базовых, установочных и направляющих поверхностях, с заменой в отдельных случаях кондукторных втулок, зажимных планок и других нормальных деталей; при малом ремонте (М) производится весь комплекс работ, выполняемых при периодическом осмотре с заменой всех поврежденных нормальных деталей; при средних ремонтах (С) производится разборка оснастки, ревизия и проверка пригодности для дальнейшей работы всех деталей, ремонт или замена изношенных, включая, в случае необходимости, изготовление новых деталей силами и средствами ремонтной мастерской; сборка оснастки и проверка ее на точность и работоспособность с помощью измерительных приборов и обработкой пробной детали на рабочем месте; капитальные ремонты (К) должны обеспечивать полное восстановление ремонтируемой оснастки, включая замену базовых и установочных оригинальных деталей, расточку или шлифование направляющих поверхностей.

На рис. 184 показана циклическая прочность стальных образцов при различной механической обработке в функции предела прочности <тв. За единицу принята циклическая прочность полированного образца из стали с ст„ = 40 кгс/мм2. Влияние поверхностных повреждений возрастает с увеличением прочности материала, что свидетельствует о повышенной чувствительности этих материалов к концентрации напряжений.

лость». Среды разделяются по степени их агрессивности. Наиболее агрессивными являются растворы различных кислот в химических производствах, среднее положение занимает морская вода. Наименее агрессивна пресная вода, но и она существенным образом снижает сопротивление усталости конструкционных элементов не только из углеродистых, но и из нержавеющих хромоникелевых сталей, особенно в области напряжений, равных и меньших предела выносливости, определяемого при испытаниях на воздухе. Коррозионная усталость, особенно на начальной стадии зарождения поверхностных повреждений металла, изучается прежде всего с позиций физической химии [11, 29, 66], но по мере развития поверхностных раковин и трещин, проявляющих себя как концентраторы напряжений, вступают в силу закономерности механики разрушения. При этом характер процесса повреждений существенно зависит от химического состава и термообработки металла, типа агрессивной среды и таких факторов, как частота циклического нагружения и температура. Интенсивное изучение явления коррозионной усталости началось сравнительно недавно и в возрастающем потоке публикуемых исследований встречаются еще расхождения по отдельным конкретным вопросам.

бодного температурного расширения отдельных, спаянных друг с другом, кристаллитов. Согласно работе [20], другой причиной появления температурных напряжений второго рода может являться разница в коэффициентах расширения соседних фаз в многофазных сплавах. Экспериментальное изучение термоструктурной усталости только начинается и феноменологические закономерности этого процесса (когда он выделяется из общего процесса термомеханической усталости) почти не изучены. Заметим, что опыты на термоциклирование, обеспечивающее свободу деформаций теплового расширения, очень трудоемки, так как во избежание заметных неоднородностей температурного поля, приводящих к появлению напряжений «первого рода» (уравновешенных в объеме всего образца или конструкционного элемента), периодические нагревы и остывания должны происходить достаточно медленно. Время одного термического цикла исчисляется при этом минутами, и создание большого числа циклов требует весьма продолжительного времени работы испытательной установки. На рис. 1.20 показан график, иллюстрирующий изменение пластичности и прочности конструкционной стали в зависимости от количества теплосмен в условиях свободного температурного расширения. Характерно и влияние термоциклирования на многоцикловую усталостную прочность при комнатной температуре. После тысячи циклов с размахом термоцикла в 600 °С предел выносливости стали 12Х18Н10Т, найденный в условиях симметричного цикла растяжения —сжатия, снизился на 25 %. В то же время трещины термоструктурной усталости отмечались в этом материале после примерно 2000 указанных термоциклов, причем к моменту механических испытаний на многоцикловую усталость видимых поверхностных повреждений еще не было. Сведения о физической природе термической усталости имеются в монографиях [20, 22, 45, 84, 86, 89, 102].

количества разрывов молекулярных цепей в полимерных материалах [15, 77], наблюдения за изменением плотности материала в процессе выдержки под напряжением и др. Эти методы указывают на сам факт протекания процесса повреждений и на интенсификацию или ослабление этого процесса в зависимости от времени и условий нагружения. Особое место занимают наблюдения за развитием магистральных трещин и поверхностных повреждений коррозионной усталости металлов. Наблюдения за повреждениями последнего типа дают иногда достаточный экспериментальный материал для построения кинетического уравнения повреждений без полного разрушения образцов материала.

Кроме того, при исследовании определяющего влияния на рост кинетики поверхностных процессов (в системе металл — водородо-содержащая среда) отсутствуют -данные, позволяющие исключать диффузию водорода в металле из'числа стадий, необходимых для подготовки подрастания трещины [404J. Э.ти экспериментальные результаты позволяют предположить, что поверхностные взаимодействия, контролирующие проникновение водорода в металл, являются той стадией накопления водорода в очагах разрушения, которая определяет граничные условия для диффузии водорода в металле.

Обратим внимание на то, что толщина унесенного в режиме квазистационарного разрушения слоя материала S = UOO(T—TU) уже во втором из рассмотренных вариантов существенно больше глубины прогрева. Учитывая, что при более продолжительных тепловых воздействиях это соотношение только усилится, примем в качестве условной границы между областями преимущественного влияния внутренних и поверхностных процессов темп нагрева fc = 300 К/с.

Рассмотрим теперь на примере графита понятие «суммарного теплового эффекта поверхностных процессов» AQ№ Графит при умеренных давлениях не образует расплава, т. е. величина Г у него практически не

Из определения эффективной энтальпии разрушения /эфф, уравнения (5-3), видно, что во всех случаях, когда ГфО, она должна существенно увеличиваться с ростом энтальпии заторможенного потока. Параметры набегающего потока могут влиять на /эфф также через изменение температуры разрушающейся поверхности Tw, доли уноса в газообразном виде Г и суммарного теплового эффекта поверхностных процессов AQ№. Если влияние температуры поверхности можно считать достаточно ограниченным из-за малости вклада члена c(Tw — T0), то два других параметра весьма существенно изменяют не только количественную, но и качественную зависимость /эфф от 1е. Для иллюстрации этого важного положения снова вернемся к рассмотренным выше примерам стеклообразных и графитоподобных материалов.

У стеклообразных материалов суммарный тепловой эффект поверхностных процессов меняется относительно слабо. Так, для кварцевого стекла можно принять AQ№«11000 кДж/кг. Напротив, доля продуктов испарения Г в зависимости от интенсивности подвода тепла, а точнее, этальпии заторможенного потока 1е возрастает от 0 до величин, близ-

У графитоподобных материалов доля газификации практически постоянна и близка к единице. Однако суммарный тепловой эффект поверхностных процессов меняется от отрицательных значений при горении согласно реакции С+О2=СО2 или при неполном окислении С+ +О = СО до положительной теплоты сублимации AQHCn, которая у графита выше, чем у любого другого материала (рис. 5-7). Если AQ№= =0, то при Г=1 эффективная энтальпия линейно возрастает от минимального значения, равного количеству тепла, поглощенного за счет теплоемкости при нагреве до температуры начала разрушения: с(Гр-Го).

Рис. 5-7. Зависимость суммарного теплового эффекта поверхностных процессов Д<2Ш (а) и эффективной энтальпии /эфф (б) от энтальпии заторможенного потока 1( для графитообразных материалов (Г~1)-

Например, скорость выхода газообразных продуктов термического разложения связующего вещества определяется скоростью перемещения изотермы Т=Т*. Если эта скорость существенно превосходит скорость перемещения внешней поверхности, то концентрация газообразных продуктов разложения смолы у поверхности может оказаться столь значительной, что изменится характер протекания поверхностных процессов — горения и испарения. Такой случай исследовался в работе [Л. 5-9], где показана возможность повышения скорости испарения стеклопластика Об при нестационарном нагреве (рис. 5-9) когда скорость перемещения 130 изотермы в раз превышает скорость поверхностного разрушения.

Физически принятое допущение оправдано тем, что температура поверхности — единственный из всех других параметров состояния теплозащитного материала, который непосредственно влияет на интенсивность протекания поверхностных процессов, таких как скорость химического взаимодействия или сублимации. Даже у плавящихся материа-

материалов представлены на рис. 5-11). Подобным же образом определяется зависимость суммарного теплового эффекта поверхностных процессов AQ№ от скорости разрушения Gw и параметров обтекания

Точное определение суммарного теплового эффекта поверхностных процессов AQW необходимо прежде всего в том случае, когда температура поверхности сильно влияет на величину скорости уноса массы. В случае диффузионного режима окисления графита положение существенно упрощается. Действительно, два члена уравнения теплового баланса на разрушающейся поверхности: тепловой эффект вдува