Дефектами материала

Однако этот метод, даже при учете отмеченного влияния коррозионного фактора на Np^, не учитывает в каждом конкретном случае субструктурного стадийного механизма усталостного процесса, который предопределяет долговечность металла конструкции, вследствие чего даже при умеренных запасах прочности обычно дает заниженное значение назначенного ресурса. Кроме того, для определения параметров еа, m, v/ расчетной зависимости, как указывалось, необходима постановка специальных экспериментов в условиях, максимально приближенных к реальным. В последнее время для оценки усталостной повреждаемости конструкционных материалов приняты попытки использования электрохимического метода и известного эффекта Баркгаузена. В первом случае величина повреждения в виде образовавшейся микротрещины определяется в процессе анодного осаждения какого-либо металла на поверхности образца и фиксации при этом заряда, необходимого для "залечивания дефекта". Величина заряда здесь служит мерой усталостного повреждения исследуемого металла. При использовании для определения микроповреждаемости ферромагнитных материалов метода магнитных шумов (эффекта Баркгаузена) субструктурные изменения оцениваются по неравномерности движения стенок магнитных доменов в результате их взаимодействия с дефектами кристаллической решетки. Однако оба эти метода дают косвенную информацию об усталостных по-

Прочность металлов в среднем на два порядка меньше теоретической прочности бездефектного кристалла сттеор (сгтеор « 0,1-Е). Такое различие обусловлено тем, что термодинамически вероятно наличие в металле достаточно высокой плотности дефектов кристаллического строения еще до деформации. Пластичность - как свойство подвергаться остаточному формоизменению - реализуется при деформации путем скольжения (трансляционного и зернограничного) и двойникования структурных элементов. Причем процесс скольжения не является результатом одновременного смещения атомов соседей. Процесс скольжения осуществляется путем последовательного смещения отдельных групп атомов в областях с искаженной решеткой. Нарушение кристаллической ре-шетЬси означает, что их атомы выведены из положения минимума потенциальной энергии. Поэтому для их смещения требуется меньше энергии и напряжения. Наиболее распространенными дефектами кристаллической решетки являются линейные дефекты - дислокации (винтовые и краевые). Под действием приложенных напряжений про-

Кристаллизационные трещины образуются, как правило, в сварном шве и реже в зоне полуоплавленных зерен. На рис. 12.45 представлены характерные места расположения горячих кристаллизационных трещин в сварном соединении. Подсолидусные трещины возникают в интервале температур второго минимума пластичности, расположенного ниже температуры солидуса. Сварной шов вследствие неравновесного процесса кристаллизации пересыщен дефектами кристаллической решетки, в том числе и вакансиями, которые при растяжении активно перемещаются к границам, расположенным перпендикулярно действующим усилиям. Такие скопления вакансий сильно ослабляют границы и создают предпосылки для возникновения зародышей разрушения. Необходимые условия для возникновения разрушения — межзе-ренная деформация или проскальзывание, возникающие как следствие воздействия термодеформационного цикла сварки. О наличии такого вида деформации свидетельствуют смещения кристаллизационных слоев на поверхности сварных швов (рис. 12.46). Смещения нередко сопровождаются значительной пластической деформацией в пограничных областях. Если по гра-

нии металла происходит изменение размеров, формы и ориентации магнитных доменов, при этом домены вступают во взаимодействие с дефектами кристаллической решетки и макроскопическими дефектами [76, 77]. Следовательно, величина магнитной проницаемости щ, в значительной степени определяется поврежденностью материала, что делает возможным использование данной характеристики для анализа механизмов повреждения исследуемых сталей.

В металлах, как и во всех кристаллических телах, всегда существует значительное количество дислокаций и дефектов различного происхождения. При движении дислокаций, обусловливающем пластическую деформацию кристалла, происходят дислокационные реакции, сопровождающиеся возникновением точечных дефектов. Образование дефектов сопровождается возникновением упругих напряжений кристаллической решетки. Основной причиной появления этих напряжений является изменение электронной структуры вблизи дефекта. Поля напряжений, создаваемые дефектами кристаллической решетки, взаимодействуют с магнитоупруги-ми полями доменной структуры. Вблизи дислокационных линий могут возникнуть скопления из вакансий или примесных атомов. При значительных концентрациях таких скоплений образуются макроскопические дефекты. На макроскопических дефектах, как правило, имеют место разрывы непрерывности самопроизвольной намагниченности, образуются магнитные заряды. Совокупность доменов и междоменных границ составляет доменную структуру магнитного материала. Взаимодействием этой структуры с дефектами кристаллической решетки и с макроскопическими дефектами, в конечном счете, определяются все структурно-чувствительные свойства магнитных материалов.

Связь АЭ с дефектами кристаллической решетки [5]. В идеальной решетке атомы расположены в узлах и совершают тепловые колебания, создающие «бе-

В металлах, как и во всех кристаллических телах, всегда существует значительное количество дислокаций и дефектов различного происхождения. При движении дислокаций, обусловливающем пластическую деформацию кристалла, происходят дислокационные реакции, сопровождающиеся возникновением точечных дефектов. Образование дефектов сопровождается возникновением упругих напряжений кристаллической решетки. Основной причиной появления этих напряжений является изменение электронной структуры вблизи дефекта. Поля напряжений, создаваемые дефектами кристаллической решетки, взаимодействуют с магнитоупруги-ми полями доменной структуры- Вблизи дислокационных линий могут возникнуть скопления из вакансий или примесных атомов. При значительных концентрациях таких скоплений образуются макроскопические дефекты. На макроскопических дефектах, как правило, имеют место разрывы непрерывности самопроизвольной намагниченности, образуются магнитные заряды. Совокупность доменов и междоменных границ составляет доменную структуру магнитного материала. Взаимодействием этой структуры с дефектами кристаллической решетки и с макроскопическими дефектами, в конечном счете, определяются все структурно-чувствительные свойства магнитных материалов.

На рис. 1, а и б, видны частицы окиси железа, отделенные от металла вместе с покрытиями из окиси алюминия и двуокиси циркония. На рис. 2 видна граница между частицами окиси железа и окиси алюминия. Сравнительно резкое очертание этой границы может свидетельствовать об отсутствии химического взаимодействия между материалом покрытия и подложкой. Как видно из рис. 2, на поверхности скола частиц из окиси алюминия наблюдаются, так называемые, речные узоры. Каждая из линий, составляющих речной узор, связана с различием уровней отдельных частей поверхности скола, обусловленным тем фактом, что трещина скола, вместо того, чтобы распространяться по одной кристаллографической плоскости, была разбита дефектами кристаллической структуры на отдельные части.

где TJ — эффективное напряжение трения в плоскости скольжения дислокации, обусловленное силами Пайерл-са, упругими полями соседних дислокаций и другими дефектами кристаллической решетки.

Взаимодействие дислокаций между собой и другими дефектами кристаллической решетки во многом определяет физические и механические свойства кристаллических тел. Дислокации могут играть значительную роль при рекристаллизации, фазовых превращениях в твердом состоянии, диффузионных процессах и других явлениях.

? — время; f — частота циклического нагружения; Q — ориентационный множитель, учитывающий, что приведенное напряжение сдвига в плоскости скольжения меньше приложенного напряжения; ее и а; — некоторые постоянные для данного вида внешнего знакопеременного напряжения a(t); Oi—ti/Q, ft — эффективное напряжение трения в плоскости скольжения дислокации, обусловленное силами Пайерлса, упругими полями соседних дислокаций и другими дефектами кристаллической решетки; b — модуль вектора Бюргерса; G — модуль сдвига; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; Dd — некоторое среднее значение коэффициента диффузии вдоль линии дислокации имеющихся точечных дефектов; fm — максимальная величина силы связи точечного дефекта с дислокацией; Lm — возможное максимальное значение наибольшего дислокационного сегмента 1т, принадлежащего дислокационной петле; 7т — среднее значение /т. Очевидно, что при t-*-oo выражения (11) — (14) дают

напряжения первого рода вызываются крупными дефектами материала; возникают и уравновешиваются в макрообйемах (иногда их условно называют макронапряжениями);

Непременным условием непосредственного сравнения запасов надежности, принятых в различных отраслях машиностроения, является идентичность методики расчета, а также одинаковость теорий прочности, положенных в основу расчета сложных напряженных состояний. Кроме того, необходимо учитывать специфику отрасли машиностроения. Для машин высокого класса, изготовляемых в условиях строгой технологической дисциплины, с тщательно поставленным контролем качества изделий, исключающим возможность подачи на сборку деталей с дефектами материала, принимают пониженные значения запаса надежности. Переносить механически эти значения на машины, изготовляемые в условиях менее квалифицированного производства, было бы ошибкой.

Кроме рассмотренных видов повреждений тел качения и колец, наблюдаются также: наволакивание на тела качения металла сепаратора; отпуск тел качения и колец в связи с недопустимым повышением температуры; шелушение, связанное с местными дефектами материала; коррозия, связанная с прохождением электрического тока, и т. д.

Аналогичная ситуация с титановыми дисками и роторами компрессоров сложилась и в эксплуатации зарубежных ГТД [1-11]. Разрушения разных дисков на разных двигателях наблюдались на таких самолетах, как DC-10, В-727, В-747, В-757, Trident, ПОИ, F-27 и др. [1-5]. Значительная часть случаев разрушений дисков или зарождения в них трещин связана с наличием в материале диска разного рода дефектов. Так, за период с 1975 по 1983 гг. было отмечено 122 случая разрушения или повреждения дисков роторов двигателей, связанных с дефектами материала, и в большей части на титановых дисках [6]. При этом нередко разрушение диска в полете заканчивалось катастрофой самолета. Так, например, катастрофа самолета DC-10 произошла вследствие нелокализованного разрушения диска вентилятора двигателя

Рис. 11.25. Внешний вид (я) разрушенной рабочей лопатки I ступени компрессора двигателя АИ-24, излом (б) по сечению ее разрушения, (в) рельеф излома в очаге разрушения с дефектами материала в виде плен в плоскости шлифа и (г) зависимость шага мезолиний h и числа ПЦН от длины трещины а. Стрелкой указано место начала разрушения

Разрушения в эксплуатации редукторов вертолетов недопустимы, они могут быть связаны либо с перегрузкой вертолета в момент его столкновения с землей, либо с возникновением и развитием до критических размеров усталостных трещин. Во всех случаях усталостные трещины в картерах были инициированы либо дефектами материала производственного происхождения, либо коррозионными повреждениями на значительную глубину. Нагруженность картера определяется общей нагруженностью редуктора и характеризуется низкоамплитудной вибрацией и низким уровнем максимального напряжения цикла. Поэтому протяженность зоны с усталостной трещиной на момент ее обнаружения или на момент окончательного разрушения картера по тем или иным причинам составляет несколько десятков миллиметров.

Выше были рассмотрены зубчатые колеса редуктора вертолета Ми-6, для которых относительный период роста трещин составил 4-7 %. Такая большая доля периода роста трещины определялась конструктивным недостатком, который был выражен в первоначальном разрушении края зуба шлиц, а далее зарождением и распространением усталостной трещины уже в ЗК. Даже с дефектами материала, но при низкой нагруженности ЗК отно-

Если при использовании фрактографии для оценки качества •и структуры материала нельзя не учитывать условия получения излома, поскольку сама выявляемость и вид дефекта зависят от условий разрушения, а при изучении кинетики разрушения по излому помимо условий нагружения необходимо учитывать состояние материала, то при анализе эксплуатационных изломов тем более важно знать особенности строения изломов, обусловленных как параметрами нагружения, так и свойствами и структурой материала, в том числе различными дефектами материала.

Металлографическое исследование дополнительных трещин дает возможность установить характер их развития — по телу или по границам зерен, а также связь с имеющимися дефектами материала. Для каждого вида разрушения можно назвать характерные особенности распространения трещин — связь с границей или телом, степень их ветвления, количество и т. д.

напряжения первого рода вызываются крупными дефектами материала; возникают и уравновешиваются в макрообьемах (иногда их условно называют макронапряжениями);

Непременным условием непосредственного сравнения запасов надежности, принятых в различных отраслях машиностроения, является идентичность методики расчета, а также одинаковость теорий прочности, положенных в основу расчета сложных напряженных состояний. Кроме того, необходимо учитывать специфику отрасли машиностроения. Для машин высокого класса, изготовляемых в условиях строгой технологической дисциплины, с тщательно поставленным контролем качества изделий, исключающим возможность подачи на сборку деталей с дефектами материала, принимают пониженные значения запаса надежности. Переносить механически эти значеяия на машины, изготовляемые в условиях менее квалифицированного производства, было бы ошибкой.