Разрушение при термической усталости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Разрушение при термической усталости

1. Основные понятия о термической усталости

Термическая усталость - это разрушение под действием переменных напряжений, возникающих при температурных изменениях тела.

Напряжения образуются под влиянием неравномерной деформации, которая наблюдается при нагреве и охлаждении детали.

Переменное действие температуры, вызвавшее разрушение за один цикл называются термическим ударом (закалочные трещины).

Термическая усталость, по определению Д.К. Чернова, - результат затрудненных расширения и усадки элементов тела, сопровождающихся пластической деформацией.

Наличие высоких градиентов напряжений у поверхности термоциклирования и пластической деформации одного или обоих знаков (растяжение, сжатие) является важнейшей отличительной чертой развития термоусталостных процессов. Под действием термических напряжений происходит искажение формы тела и его разрушение (образование трещин).

Термическое разрушение - это процесс, идущий во времени.

Действие повторных термических напряжений лишь в относительно редких случаях имеет самостоятельное значение.

Чаще термоциклирование накладывается с длительным статическим, динамическим или др. видом нагрузки и сопровождается комплексом явлений, проходящих в материалах при высоких t - окислением, старением, рекристаллизацией, ползучестью и др.

Картина термической усталости осложняется тем, что для характеристики данного разрушения является существенным не только число циклов, уровень max и min температуры цикла, но и длительность нагрузки. Последний фактор имеет тем больше значение, чем выше температура цикла. Количество трещин от термоусталости резко возрастает с увеличением времени эксплуатации.

2. Влияние конструктивных и технологических параметров на термоусталость

На термостойкость детали так же влияют конструктивные и технологические факторы: наличие конструктивных концентраторов напряжений в местах изменений сечений, у отверстий и т. д., и металлургических дефектов.

Термическая усталость часто проявляется в деталях поршневых дизельных двигателей, в колесах железнодорожных локомотивов, в теплообменниках, штампах, валках прокатных станов и др. деталях и узлах, работающих в условиях нестационарных температурных режимов.

Трещины от термоциклических нагрузок имеют как межзеренный, так и внутризеренный характер. Характер разрушения определяется в первую очередь уровнем температур, суммарным временем выдержки при высокой температуре, а также структурой материала.

В большинстве случаев нагрузки теплосменами приводит к большему повреждению границ зерен, чем тела зерна. Даже при преимущественно внутризеренном распространении трещин разрушение в самой начальной стадии, как правило, происходит по границам зерен. Часто начальный участок трещины представляет собой изъязвленную поверхность, образовавшуюся под влиянием коррозии или путем слияния нескольких первичных надрывов.

Вид трещин существенно зависит от пластичности материала: в пластичных они имеют характер разветвленных «паучков», в хрупких материалах трещины менее многочисленны, прямолинейны с редкими «отростками», отходящими от основной трещины под углами, близкими к 90°. При термической усталости характерно множественное возникновение трещин, так как при каждом повторном цикле термического воздействия наибольшие напряжения возникают в разных местах, что и приводит к образованию новых трещин. При дальнейшей эксплуатации, как правило, интенсивно развиваются одна или две трещины, остальные растут очень медленно.

В большинстве случаев термоциклической нагрузки образуются трещины, которые развиваются медленно и сами по себе не приводят к окончательному разрушению. Если вначале скорость развития трещины и бывает относительно велика, то по мере распространения вглубь она постепенно падает. Это дает основание называть трещины термической усталости трещинами «разгара». Как правило, на термоусталостных изломах обнаруживается от одного до трех основных очагов и все они располагаются непосредственно у поверхности.

Основной очаг выявляется по максимальной протяженности прилегающей к нему усталостной зоны. Как основной очаг, так и вторичные очаги являются трещинами разгара, поэтому стенки трещин, а следовательно, и поверхность излома сильно окислена. Степень окисления даже соседних трещин может быть различной, что свидетельствует о неодновременном возникновении трещин и относительно медленном их развитии.

В пределах усталостной зоны обнаруживается характерный усталостный рисунок, но рубцы расходящиеся от очага очерчены не резко, слабо выражены концентрические кольца. Особым признаком излома при термоциклической нагрузки, отличающим его от излома механической усталости, является большая сглаженность, не резкость, некоторая оплавление рельефа.

Пример экспертного исследования на разрушении детали «пружина» и составление экспертного заключения.

Определить причину разрушения пружины рессорного подвешивания тепловоза. Пружина вышла из строя на тепловозе после его пробега 136405 км.

Порядок выполнения исследования:

- Контрольный химический анализ;

- Определение твердости;

- Описание излома;

- Макроанализ;

- Микроанализ.

Результаты исследования.

Излом пружины усталостный. Усталостная трещина возникла от поверхностного дефекта, росла медленно, поверхность окислена. (на рисунке усталостная трещина темный участок излома в верхней части).

Пружина подвергалась травлению в 50% водном растворе соляной кислоты. После травления на поверхности пружины обнаружена тонкая трещина, идущая вдоль разрушенного витка и являющаяся началом развития трещины.

В месте расположения поверхностной трещины вырезан образец для изучения микроструктуры.

Микрошлиф изготовлен в поперечном сечении. Исследованием микроструктуры установлено, что глубина проникновения трещины 0,26 мм.

Определить причину образования трещины в пружине тепловоза (диаметр прутка 16 мм), обнаруженной после закалки.

Порядок выполнения исследования:

- Контрольный химический анализ;

- Определение твердости;

- Микроанализ. деформация технологический термоусталость

Результаты исследования.

В месте расположения трещины изготовлен микрошлиф в поперечном сечении прутка. Трещина распространяется вглубь на 4 мм. При исследовании под микроскопом определено, что трещина извилистая, расположена перпендикулярно поверхности, оксидов и обезуглероженности вдоль трещины не обнаружено.

Заключение

Проведенным металлографическим исследованием установлено, что причиной выхода из строя пружины рессорного подвешивания тепловоза является наличие поверхностной трещины, которая стала началом развития разрушения.

Размещено на Allbest.ru