Типичные изломы при поломках деталей

На рис. 34 показан излом вала винта из стали 40ХНМА авиационного двигателя с трещиной, первоначально возникшей от изгибающих нагрузок воспринимаемых одной из шлиц, вследствие неравномерного их участия в зацеплении при передаче переменного крутящего момента.

Рис. 34. Поверхность излома вала винта авиационного двигателя

В процессе образования трещины эта шлица постепенно выключалась из работы, перераспределяя напряжения между другими шлицами. Вследствие снижения доли изгибающих нагрузок дальнейшее разрушение вала и продвижение трещины происходило от переменного кручения (под углом 45° к оси вала). При изменении направления развития излома с продольного на спиральное возникла серия пасынковых трещин, после слияния которых образовались вторичные ступеньки и рубцы.

Если в процессе развития излома несколько раз резко меняется напряженное состояние, то образуется несколько участков избирательности. В качестве примера на рис. 35 показан участок излома проушины кривошипной головки из стали 40ХНМА главного шатуна поршневого двигателя с несколькими участками (/, 2, 3 и 4) такого избирательного развития излома. На рис. 35, б стрелками показано направление развития трещины.


Рис. 35. Поверхность (а) и схема разрушения (б) главного шатуна поршневого двигателя

Если при изменении направления развития излома первоначальная и последующая поверхности излома сопрягаются по линии, то образуется уступ, который называется усталостной линией. Форма и размер, а в ряде случаев само наличие избирательных участков зависят от величины перегрузки.

Чтобы исследовать причины образования усталостных линий были испытаны на многократные изгибающие нагрузки образцы с начальными трещинами. Эти начальные трещины получались при высокой перегрузке в течение 10—20 тыс. циклов нагружений. После этого действующие напряжения снижались до такой величины, при которой усталостная трещина почти переставала продвигаться и образец мог быть разрушен (при одном и том же напряжении) после 1 —5·10⁶ циклов нагружений. В процессе испытаний образец несколько раз останавливался на время от нескольких минут до 2—3 суток. При этом усталостных линий не получалось.Более того, на изломе невозможно было даже отличить хотя бы самый слабый знак, свидетельствующий об остановке образца (рис. 36). Следовательно, причиной образования усталостных линий может не являться отдых.

Рис. 36. Поверхность излома образца из стали 40ХНМА, испытывавшегося с остановками.

Усталостные линии типа уступов являются результатом макро-избирательного развития излома и образуются только в случае изменения направления его развития. Это было установлено путем испытания образцов при изменяющихся условиях нагружения. Образец после образования начальной трещины поворачивался на 90° или закручивался на опорах. После некоторого продвижения трещины восстанавливался первоначальный характер нагружения и так далее до излома. В этих случаях трещина меняла направление развития — двигалась избирательно и на изломах образовывались усталостные линии типа уступов, которые на рис. 37 показаны стрелками. В связи сизложенным, усталостные линии типа уступов можно называть линиями избирательности, а не линиями отдыха, зональными линиями или линиями упрочнения.


Рис. 37. Поверхности изломов образцов из ст. 40ХНМА, испытывавшихся при изменявшихся условиях нагружения; путем периодического статического закручивания циклически изгибаемых образцов

Количество усталостных линий не зависит от размеров и геометрической формы концентраторов напряжений. Влияние концентратора сказывается лишь на расположении усталостных линий на изломе.

Около точечного концентратора напряжений и очага разрушения усталостные линии, как правило, имеют форму концентрических окружностей (рис. 38).

Рис. 38. Поверхность излома коленчатого вала из ст. 40ХНМА с концентрическими усталостными линиями

Около концентратора, имеющего вытянутую форму, усталостные линии вытягиваются. При наличии нескольких рядом расположенных фокусов начальные усталостные линии располагаются по огибающей кривой. По мере развития излома усталостные линии обычно приобретают более плавную форму (рис. 39).

Рис. 39. Поверхность излома ступицы из ст..40ХНМА воздушного винта самолета с вытянутыми усталостными линиями.

Форма усталостных линий зависит от внешней конфигурации деталей. Изменение формы линий зависит также от вида концентратора (точечный или линейный) и степени его влияния на разрушение и количества очагов разрушения.

Как известно, распространение усталостного излома происходит путем последовательного перерастания сдвигов, образующихся у дна трещины, в ее продолжение. При увеличении перегрузки сдвигов образуется больше, при уменьшении перегрузки количество сдвигов, образующихся у дна трещины, уменьшается.

На рис. 40 изображена поверхность излома штока клапана авиадвигателя. Причиной обрыва клапана явился надрыв материала (закалочная трещина), образовавшийся при изготовлении клапана на заводе.

Рис. 40. Поверхность излома штока клапана авиационного двигателя.

Участокускоренногоразвития(переходнаязона). Граница между зоной собственного усталостного развития трещины и зоной долома не всегда бывает резкой. Иногда перед окончательным разрушением образца илидетали образуется переходная зона ускоренного роста усталостной трещины. Это происходит потому, что даже при неизменных условиях нагружения скорость роста трещины, как правило, увеличивается, а перед окончательным разрушением скорость роста трещины становится близкой к скорости роста трещины от однократного нагружения и образуется зона ускоренного развития излома. Скорость роста трещины при статическомнагружении различна на разных этапах ее развития. Однако скорость роста усталостных трещин во многих случаях ниже скорости роста трещины при статическомнагружении. Обычно при ускоренном развитии излома увеличивается шероховатость его поверхности.

Переходная зона часто наблюдается на изломах деталей, работающих в условиях высокочастотногонагружения (нескольких сот или тысяч циклов нагружении в минуту), например, при разрушении лопаток турбин от высокочастотных вибрационных нагрузок, коленчатых валов авиационных и автомобильных двигателей от высокочастотных крутильных и изгибных колебаний и т. д.

Переходная зона образуется вследствие того, что в процессе развития усталостной трещины окончательное разрушение происходит не от однократно приложенной нагрузки в тот момент, когда оставшееся сечение образца или детали не может сопротивляться действующим напряжениям, а от нескольких следующих один за другим циклических нагружений.

Известно, что любое разрушение образца или детали определяется не только величиной действующих напряжений, но и временем их действия. Вследствие того что переходная зона образуется от многократных надрывов, на поверхности этой зоны иногда возникают дополнительные рубцы в результате слияния надрывов материала (рис. 41), в особенности, в случае работы детали в условиях сложно-напряженного состояния. Дополнительные трещины, сливаясь друг с другом, могут придавать переходной зоне характерное бугорчатое строение.

Если напряжения достаточно высоки для окончательного разрушения, но время их приложения мало, то иногда на изломе образуются лишь участки ускоренного продвижения трещины, следы продвижения трещины рывками, которые называются участками хрупкого проскальзывания.

Рис. 41. Участок ускоренного развития излома коленчатого вала, х20.

В ряде случаев на поверхности усталостного излома участки зоны собственного усталостного развития чередуются с участками хрупкого проскальзывания.

Хрупкое проскальзывание может происходить на всех стадиях развития излома, однако, чаще оно образуется незадолго до окончательного разрушения.

Эти участки отличаются от остальных более шероховатой и более темной поверхностью. Часто участки хрупкого проскальзывания располагаются на изломе в виде нешироких полос, чередующихся с участками усталостного развития трещины (рис. 42). Однако в некоторых случаях участки хрупкого проскальзывания занимают большую часть излома, а участки усталостного развития трещины представляют собой узкие полоски.