Дефекты металлов, усталость и износ: конспект

1. Классификация дефектов, усталость металлов и пути
увеличения пределов выносливости?
Классификация дефектов
Дефектом считается несоответствие требованиям ГОСТ и технической
документации. Они различаются по причинам происхождения,
расположению, габаритам и другим параметрам.
По форме бывают плоскостными или объемными;
По размеру — макро, микро- или субмикрокристаллические;
По типу- несоответствия встречаются в структуре, геометрических размерах,
технических характеристиках, механических свойствах;
По расположению бывают скрытыми (внутри полостей), наружными (на
поверхности) или внутренние (в металле).
Дефекты зависят от технологии и бывают производственно-техническими,
полученными в процессе изготовления, и эксплуатационными,
возникающими в ходе работы металлических конструкций.
Во время использования изделий обнаруживают дефекты, полученные при
эксплуатации, которые бывают:
Силовыми из-за «усталости» металла в результате статической или
циклической динамической нагрузки;
Коррозионными из-за ржавления в результате неправильных условий
эксплуатации без учета повышенной влажности или химически агрессивной
окружающей среды;
Тепловыми — из-за термоударов, термической обработки в результате
перегрева (пережога).
Существуют следующие виды дефектов:
Малозначительные, не влияющие на долговечность и безопасность;
Значительные, способные изменить свойства металлопродукции;
Критические, не дающие применять прокат или заготовку по назначению.
К динамическим нагрузкам, несмотря на отсутствие значительных
инерционных сил, можно отнести периодические многократно
повторяющиеся (циклические) нагрузки, действующие на элементы
конструкции. Такого рода нагружения характерны для большинства
машиностроительных конструкций, таких, как оси, валы, штоки, пружины,
шатуны и т. д. Как показывает практика, нагрузки, циклически
изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут
привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно
меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение
принято называть «усталостным». Материал как бы «устает» под действием
многократных периодических нагрузок. Усталостное разрушение –
разрушение материала под действием повторно- переменных напряжений.
Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале
под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин
в материале и разрушению.
Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному
разрушению. Физические причины усталостного разрушения материалов
достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин
усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.
Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью
реальной структуры материалов (различие размеров, очертаний, ориентации
соседних зерен метала; наличие различных включений – шлаков, примесей;
дефекты кристаллической решетки, дефекты поверхности материала –
царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при
переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи
микроскопических пустот и различных дефектов возникает концентрация
напряжений, которая приводит: к микропластическим деформациям сдвига
некоторых зерен металла (при этом на поверхности зерен могут появляться
полосы скольжения) и накоплению сдвигов (кото- 57 рое на некоторых
материалах проявляется в виде микроскопических бугор- ков и впадинок –
экструзий и интрузий); затем происходит развитие сдвигов в микротрещины,
их рост и слияние; на последнем этапе появляется одна или несколько
макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (растет). Края
трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и
поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной)
поверхностью. По мере роста трещины поперечное сечение детали все
больше ослабляется, и наконец происходит внезапное хрупкое разрушение
детали, при этом зона хрупкого долома имеет грубозернистую
кристаллическую структуру (как при хрупком разрушении).
Пути повышения предела выносливости:
Поверхностное упрочнение детали и образование при этом на поверхности
сжимающих остаточных напряжений способствуют повышению предела
выносливости. Этого можно добиться;
а) поверхностной закалкой ТВЧ;
б) химико-термической обработкой (цементацией, азотированием);
в) дробеструйной обработкой (поверхностный наклёп).
2. Изнашивание: виды и пути снижения темпа
изнашивания?
Существуют различные виды естественного износа: контактный,
окислительный, абразивный, эрозионный, тепловой, деформационный,
коррозионный и усталостный.
Контактный износ
Конструкции самолета и авиадвигателя включают большое количество
неподвижных и подвижных сочленений. В этих сочленениях участвуют
контактирующие детали, а именно: валы (или болты, стержни, поршни и т.п.)
и отверстия (втулки, подшипники, цилиндры и т.п.). Усилия, действующие
при работе на элементы сочленений, измеряются десятками тонн. При
некоторых режимах полета в конструкциях самолета и двигателя возникают
вибрации и знакопеременные нагрузки. Под воздействием усилий и вибраций
поверхностный слой металла разрушается. Частицы поверхностного слоя
выкрашиваются и отделяются в виде продуктов износа - металлической
пыли.
Окислительный износ
Под воздействием кислорода воздуха и различных химических элементов и
соединений, находящихся в маслах, в газах и воде, тем или иным путем
попадающих в нагруженное сочленение, на рабочих поверхностях
появляются тонкие оксидные пленки с пониженным сопротивлением износу.
В результате развивается окислительный износ, сопутствующий контактному
износу и усиливающий его.
Абразивный износ
Под воздействием твердых частиц пыли, проникающих в подвижные
сочленения, и продуктов износа, частично остающихся в нем, на рабочих
поверхностях может развиваться абразивный износ. Этот износ выражается в
рисках и задирах на рабочих поверхностях трущихся деталей сочленения. В
рисках и задирах задерживаются абразивные (царапающие) твердые частицы
и таким образом абразивный износ нарастает. Этот вид износа имеет место
на шейках валов, осей и поршней, на втулках, подшипниках, цилиндрах и т.п.
Особое место занимает абразивный износ внешних поверхностей обшивки
самолета, на которых ударами твердых частиц, увлекаемых воздушным
потоком, образуются царапины и забоины.
Эрозионный износ (вымывание)
Поверхности, находящиеся под воздействием скоростных потоков жидкостей
и горячих газов, подвержены эрозионному износу. В этом случае на рабочей
поверхности изделий появляются густо расположенные “лунки”. Такому
износу подвержены, например, рабочие поверхности форсунок, сопел,
лопатки газовых турбин, стенки камер сгорания двигателей и т.п.
Тепловой износ
На трущихся поверхностях при значительных удельных давлениях и плохой
смазке развиваются высокие температуры, вызывающие тепловой износ
поверхностей. При высоких температурах структура поверхностных слоев
металлов трущихся деталей изменяется. В результате первоначальное
соотношение твердостей поверхностей сочленения уменьшается, а вместе с
этим увеличивается износ деталей. Признаком начала теплового износа
являются цвета побежалости на рабочих поверхностях. В некоторых случаях
в местах особо высоких контактных напряжений температура в
поверхностных слоях деталей сочленения настолько повышается, что
возникает мгновенное местное сваривание частиц металлов соединенных
деталей (вал, подшипник). При дальнейшем взаимном перемещении деталей
приварившиеся частицы металла вырываются из поверхности менее
прочного металла, оставляя на ней задиры. Те же частицы металла остаются
приваренными к поверхности более прочного металла, делая ее грубо
шероховатой, 6 вызывающей в дальнейшем интенсивный абразивный износ
рабочих поверхностей контактирующих деталей.
Деформационный износ
Он характеризуется тем, что в условиях значительных статических,
динамических и тепловых напряжений металл пластически деформируется
(наклеп, смятие, вытяжка) и теряет прочность. Так, например, стяжные болты
вытягиваются под влиянием длительного действия усилий затяжки;
спиральные пружины, находясь длительное время в сжатом или растянутом
состоянии, теряют упругость; вытягиваются и ослабевают заклепки. При
деформационном износе в его аварийной стадии происходит разрыв детали
по сечению, в котором металл перешел за предел пластичности.
Коррозионный износ
В результате взаимодействий металла с внешней средой поверхности деталей
самолетов и двигателей, подверженные систематическому воздействию
атмосферных условий (влага, смена температур воздуха и т.п.), или
контактирующие с горячими газами, гидравлическими смесями и жидким
топливом, постепенно корродируют. Коррозия развивается на внешних
поверхностях самолетов и двигателей (обшивке, деталях компрессора, на
диске турбины и т.п.), а также на внутренних поверхностях агрегатов,
цилиндров, насосов, баков, трубопроводов гидравлической и топливной
систем. Коррозионный налет на металле постепенно утолщается. Это может
привести к постепенному изменению размеров изделий и к снижению
прочности их поверхностей.
Усталостный износ
Разновидностью естественного износа является развитие усталостных
явлений в металле конструкций самолетов и двигателей, возникающих под
воздействием знакопеременных напряжений в процессе работы. Эти явления
развиваются в местах концентрации напряжений: вокруг отверстий, в местах
резких изменений сечений детали, у краев глубоких рисок, вокруг задиров,
забоин и коррозии на поверхностях. Усталостный износ металла проявляется
в сетке мелких трещин на поверхности детали. Эти трещины, концентрируя
напряжения на своих концах, развиваются в длину и глубину, значительно
ослабляя пораженную ими деталь и вызывая, в конце концов, ее разрушение.
В зависимости от вида износа применяют различные методы
упрочнения и восстановления деталей. Изношенные детали восстанавливают
различными электролитическими способами. В производстве получили
распространение хромирование, ожелезнение, никелирование, меднение и
цинкование. Данные методы обладают высокой производительностью, не
требуют больших материальных затрат (используются дешевые
электролиты), позволяют бороться с различными видами износа
(коррозионно-механическим, механическим и др.)
Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой
обработки металлических изделий, целью которого является изменение
структуры и свойств в заданном направлении. Термической обработке
подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для
улучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, и
окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им
требуемых свойств [4].
Смазывание предназначено для снижения потерь мощности и
сокращения скорости изнашивания соприкасающихся деталей. Помимо
этого, устраняется заедание, поверхность деталей защищается от коррозии,
повышается компрессия и создается определенная амортизация при ударных
нагрузках за счет выдавливания смазочного материала из зазоров между
деталями.
PVD-процесс применяют для создания на поверхности деталей,
инструментов и оборудования функциональных покрытий — износостойких,
коррозионностойких, эрозионностойких, антифрикционных, антизадирных,
барьерных и т. д. С помощью PVD-процесса получают покрытия толщиной
до 5 мкм, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует
дополнительной обработки.
Для повышения прочностных свойств детали используют легирование.
К наиболее часто применяемым легирующим элементам относятся марганец,
кремний, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.
Основной эффект от легирования достигается в том случае, когда происходит
изменение типа кристаллической решетки железа.
Лазерная наплавка порошковых материалов обеспечивает получение
наплавленного слоя высокой степени однородности и качества без
значительного термического влияния на нижележащие слои металла.
Применяют порошки хрома, бора, никеля, кремния. После последующей
шлифовки толщина наплавки может достигать 0,2-0,4 мм, повышается
износостойкость наплавленного слоя в 2-3 раза.
Электронно-лучевая обработка поверхности производится мощным
электронным пучком в вакуумной среде и имеет ряд преимуществ по
сравнению с лазерной обработкой:
более высокий КПД, высокая мощность и меньшая стоимость. Износ
уменьшается в 2-4 раза.
Методы детонационного и плазменного нанесения покрытия –
газотермические методы, основанные на полном или частичном нагреве
материала покрытия до состояния плавления и распылении его газовой
струей. Особенность этих методов упрочнения – возможность наносить
тугоплавкие материалы на металлическую подложку без значительного ее
нагрева (не более 150 o С) [5].
3. Ремонт остекления кабины фюзеляжа.
Устранение дефектов поверхностных слоев стекла шлифованием и
полированием. В большинстве случаев глубина поверхностных трещин не
превышает 0,5 мм, а это и есть тот допуск на толщину, в пределах которого
механическая прочность стекла находится в заданном интервале. Наряду с
этим удаление трещин приводит к полному восстановлению механических
свойств стекла. Способами механического шлифования и полирования,
которые бы не приводили к образованию в поверхностных слоях опасных
напряжений растяжения, являются виброшлифование и виброполирование.
Отличительной особенностью виброшлифования от виброполирования
является то, что шлифование производится абразивными порошками при
обильном смачивании водой. Рабочим инструментом является мягкая
пластина, облицованная поливинилхлоридной пленкой и совершающая
орбитальное движение диаметром 2 мм со скоростью 3— тысячи оборотов в
минуту. Давление на шлифуемую поверхность при нормальной работе равно
0,01 кгс/см. Усилие резания абразивных зерен невелико. Это объясняется
тем, что абразивные зерна в этом случае подвижны в отличие от их жесткого
закрепления на поверхности шлифовальной шкурки. Происходит так
называемое бархатное шлифование. Машинка приводится в движение
сжатым воздухом при давлении 4— кгс/см. Если в процессе шлифования
чрезмерным нажатием повысить давление машинки на обрабатываемую
поверхность, то процесс шлифования прекратится, так как шлифующая
поверхность перестанет перемещаться и вместо нее орбитальное движение
начинает совершать корпус. Целесообразно при шлифовании
последовательно уменьшать зернистость порошка. Например, при глубине
дефекта 0,5 мм применять порошок № 10 до остаточной глубины дефекта
0,1—,2 мм, затем применять порошок № 6 до незначительных следов
дефекта, а затем — порошок № 4 до полного удаления дефекта.
После удаления дефекта можно приступать к следующему этапу—к
виброполированию, которое производится этой же машинкой, но площадкой,
облицованной фетром. Полирование также производится при обильном
смачивании водой вначале смесью паст ГОИ и ВИАМ-2, а затем только
одной пастой ВИАМ-2. Шлифованию и полированию без термообработки
подвергают стекла, имеющие повреждения поверхностных слоев в виде
«серебра», забоин (заколов), царапин в пределах допуска. В процессе всей
работы шлифуемую поверхность необходимо охлаждать водой. В противном
случае возможно повышение температуры поверхностного слоя и появление
«серебра» на этом участке стекла. Вода постепенно уносит с поверхности
измельченное стекло и абразивный порошок. Поэтому в процессе
шлифования необходимо добавлять свежий абразивный порошок.
Разрешается отдельные участки зачищать циклей, шабером или острой
бритвой, а затем шлифовать вручную мокрым тампоном с абразивным
порошком. Если в процессе шлифования «серебро» будет появляться вновь,
то такое стекло заменяют.
Восстановление клеевого соединения стекла с лентой мягкого крепления
блистеров производится с помощью герметика ВИТЭФ-1 или клея ПУ-2 при
отслоении ленты от стекла на глубину до 5 мм.
При температуре воздуха выше +18 С и отслаивании ленты на участках
длиной до 100 мм блистер можно не снимать.
Для восстановления клеевого соединения необходимо:
— приготовить герметик ВИТЭФ-1 (шпательный вариант) или клей ПУ- 2;
— отогнуть кромку капроновой ленты от стекла в месте нарушения клеевого
соединения, очистить ее от остатков старого клея и заполнить
образовавшийся зазор новым герметиком или клеем с помощью шпателя;
— прикатать ленту резиновым роликом для равномерного распределения
герметика под лентой, не создавая при этом больших давлений;
— прикатать ленту к стеклу, создавая давление 0,2—0,3 кгс/см кв. с
помощью мешочков с песком на участках длиной до 200— мм или с
помощью резиновой ленты (амортизационного шнура) на участках с
отслоением большей длины;
— выдержать склеиваемые места под таким давлением не менее 24 часов при
температуре не менее +18 С;
— снять прижимные мешочки или резиновую ленту и очистить стекло от
подтеков герметика;
— наклеить на стекло блистера по всему периметру липкую ленту на
расстоянии 5— мм от торца капроновой ленты;
— нанести на наружную поверхность стекла по всему периметру блистера
(между липкой и капроновой лентами) и наружную поверхность капроновой
ленты (шириной до 10 мм от кромки ленты) слой свежеприготовленного
герметика толщиной до 1 мм;
— свести на «ус» нанесенный слой герметика по всему периметру шва, не
допуская заусенцев и утолщений;
— отремонтированный блистер или фонарь выдержать в течение 3— суток,
после чего можно допустить к эксплуатации.
Ремонт стекол, имеющих сквозные трещины. Ремонт стекол со сквозными
трещинами производится путем наклейки усиливающей накладки. Ремонту
подлежат внутренние (несиловые) стекла двойного остекления самолетов и
все стекла вертолетов.
Последовательность работ такая:
— засверлить концы трещин сверлом диаметром 1,5—,0 мм;
— подготовить усиливающую накладку из органического стекла марки СО95 или СО-120 толщиной 2—3 мм; размеры каждой накладки должны быть
такими, чтобы трещина перекрывалась с каждой стороны не менее чем на 12
мм; наружные края накладки закруглить;
— на накладку нанести дихлорэтановый клей и дать свободную выдержку
примерно 2 мин до возникновения липкости;
— наложить накладку на ремонтируемый участок и дать закрытую выдержку
в течение 30 мин; после этого прижать накладку с помощью мешочков с
песком;
— выдержать ремонтируемый участок под нагрузкой в течение четырех
часов, после чего мешочки снять.