Вообще изломы подразделяются на две большие группы: хрупкие и вязкие.
Под хрупким изломом понимают излом без признаков макроскопических пластических деформаций. Такой вид излома возникает при разрушении в условно упругой зоне деформирования. Однако при этом следует иметь в виду, что у вершины распространяющейся хрупкой трещины в металлах возникает локальная пластическая деформация. Хрупкое разрушение распространяется с большой скоростью, сопоставимой со скоростью распространения звука в данном материале. Разрушение происходит вдоль определенных кристаллографических плоскостей зерна (плоскости скола), вызывая транскристаллитное разрушение или по границам зерен, вызывая межкристаллитное разрушение. Хрупкое разрушение происходит в тех случаях, когда появляются факторы, препятствующие пластическим деформациям. Это может иметь место при изменении под воздействием эксплуатационных нагрузок свойств материала (выделение хрупких карбидов, накопление усталостных повреждений, охрупчивание границ зерен и т. п.) или из-за приближения напряженного состояния к трехосному. Хрупкое разрушение происходит, как правило, мгновенно, без видимых изменений состояния объекта.
Расчеты на надежность по критериям хрупкого разрушения проводятся на основе упругой линейной механики разрушения или на разрабатываемых в настоящее время методах нелинейной механики разрушения, учитывающих явление пластических деформаций в вершинах трещин.
Пластическому или вязкому излому предшествует макроскопическая пластическая деформация, вызванная сдвигом в плоскостях скольжения или плоскостях скола и по границам зерен.
Иногда выделяют квазихрупкое (полухрупкое) разрушение, к которому относят изломы, при которых поперечное сужение гладкого образца достигает порядка 5 %, а с надрезом — 2%.
Волокнистый излом относят к вязкому разрушению. Он характерен тем, что плоскость излома перпендикулярна к направлению максимальных растягивающих напряжений. Этот излом образуется в условиях плоского деформированного состояния.
В вязком разрушении выделяют также разрушение сдвигом, когда плоскость излома наклонена под углом 45°. Этот вид излома образуется при плоском напряженном состоянии.
В зависимости от приложенных нагрузок изломы подразделяются на:
- динамические;
- усталостные;
-изломы, вызванные превышением предела прочности;
-изломы при растяжении и изгибе.
К динамическим относятся изломы, происходящие внезапно под действием перегрузок или удара. Среди динамических изломов следует различать хрупкие изломы с крупнозернистой поверхностью у практически недеформируемых материалов и гладкие изломы от сдвига, проходящие по направлению максимального касательного напряжения и связанные со значительной пластической деформацией.
Важным средством исследования процесса усталости является изучение усталостных изломов (фрактография усталостного разрушения).
Первый этап исследования излома — макрофрактографический анализ, второй (часто) — микрофрактографическое исследование отдельных участков излома с применением оптических и электронных микроскопов.
К усталостным относятся изломы под действием переменных нагрузок, когда разрушение наступает после приложения большого числа циклов нагружения.
Усталостные изломы имеют ряд характерных признаков, позволяющих их отличать от других видов излома (рис.3.25).
Рисунок 3.25 - Схема усталостного излома деталей: 1 — фокус излома и очаг разрушения; 2 — вторичные ступеньки и рубцы;3 — усталостные линии; 4 — зона ускоренного развития трещин; 5 – зона доламывания
Профиль излома состоит из двух отчетливых областей: одна — гладкая и бархатистая - является усталостной зоной; вторая — грубошероховатая и кристаллическая - зоной мгновенного разрушения.
Первая область образуется в течение многих циклов. В результате применения переменных нагрузок поверхности усталостной трещины сглаживаются из-за трения между двумя поверхностями трещины. Та часть материала, которая разрушается мгновенно, имеет грубую зернистую поверхность, так как износ между поверхностями трещины в данном случае отсутствует. Для деталей, изготовленных из чугуна и многих цветных металлов, усталостная зона имеет вид грубой кристаллической поверхности, а зона мгновенного действия — гладкую поверхность. Относительные размеры, формы и местоположение двух областей излома зависят от величины и направления прилагаемых нагрузок, а также наличия или отсутствия надрезов, являющихся концентраторами напряжений.
Обычно на поверхности излома можно различить пять характерных зон.
1 Фокус излома — малая локальная зона, близкая к точке возникновения начальной макроскопической трещины усталости. Обычно фокус излома располагается на поверхности детали в местах концентрации напряжений или поверхностных дефектов. Если в теле деталей были внутренние дефекты или детали подвергались поверхностному упрочнению, фокус излома может располагаться внутри детали.
2 Очаг разрушения - небольшая зона, прилегающая к фокусу излома. При больших напряжениях может быть несколько очагов разрушения. На поверхности излома эта зона имеет наибольшие блеск и гладкость. Усталостные линии на очаге разрушения обычно отсутствуют.
3 Участок избирательного развития соответствует зоне развившейся трещины усталости. В этой зоне видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера нагружения. Направления развития трещины могут отклоняться от первоначального. При этом образуются зародыши трещин, развивающиеся в другом направлении, называемые иногда пасынковыми. От их слияния образуются вторичные ступеньки и рубцы.
4 Участок ускоренного развития трещины является переходной зоной между участками усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зона образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разрушению.
5 Зона долома характеризуется признаками макрохрупкого разрушения.
На рис. 3.26 показана качественная картина влияния метода нагружения, величины нагрузки и концентрации напряжения на вид излома в стальных деталях.
Рисунок 3.26 - Виды изломов при усталостных разрушениях от изгиба (зоны мгновенного разрушения заштрихованы накрест)
Среднее положение между динамическими и усталостными изломами занимают изломы, вызванные превышением предела прочности. Они характеризуются большой поверхностью окончательного излома, а также наличием на поверхности излома отдельных, проходящих на больших расстояниях линий разгрузки или уступов. По направлению излома можно судить о том, какая перегрузка вызвала разрушение (перегрузка растяжения, изгиба или кручения).
Изломы при растяжении и изгибе легко различить на основе анализа конструкции и схемы приложения нагрузок. Хрупкий недеформированный излом при растяжении располагается перпендикулярно оси растягивающей нагрузки. Такой излом возникает у хрупких материалов (например, чугуна), а также при невозможности деформации из-за различных надрезов, наличия у деталей разных диаметров в продольном сечении и т. п.
Излом от сдвига при растяжении, наблюдающийся на деталях из вязких материалов с шейкой, проходит под углом 45° к оси растягивающей нагрузки.
Изломы изгибающей нагрузкой характеризуются более сложным распределением напряжений, чем при растяжении. В этом случае на изогнутой стороне детали возникают растягивающие напряжения, а на противоположной — сжимающие напряжения. Четкое разделение динамических изломов при изгибе на хрупкие и изломы от сдвига невозможно. По направлению волокон на поверхностях при динамических изломах можно судить о направлении излома. Исходная точка усталостных изломов при изгибе легко находится по линиям разгрузки.
Усталостные изломы при изгибе подразделяют на (рис. 3.26) :
- односторонние;
- двусторонние;
- изломы при круговом изгибе.
Круговой усталостный излом возникает на вращающихся деталях, работающих на изгиб (валы роторных машин). В этом случае несколько трещин, расположенных по диаметру, объединяются, вследствие чего зона окончательного излома располагается близко к центру круглой детали.
Иногда целесообразно подразделять изломы при изгибе на простые и сложные.
К простым обычно относятся изломы, которые вызываются одной трещиной. Простой излом начинается в точке на (около) поверхности из-за наличия отдельных дефектов.
Сложный излом происходит в результате действия двух или более трещин, которые распространяются на различных точках на окружности сечения и оказывают совместный эффект на вид излома. Так как чаще всего исходные трещины не находятся на одной плоскости сечения, то поверхность излома у пересечения изломов от различных трещин образует уступы.
Рассмотрим характер изломов при скручивании деталей. В этом случае хрупкие динамические изломы происходят под углом около 45° относительно к оси детали (при отсутствии в детали гантелей, выточек и т.п.). Поверхность излома неровная, крупнозернистая. Если в тянутых сталях с высокой прочностью, термически улучшенных,
расположение волокон ярко выражено из-за различных включений, то хрупкий излом проходит в предельном направлении из-за концентрации внутренних напряжений. Опасность разрушения может быть уменьшена применением более вязких материалов или более интенсивным отпуском термически улучшенных сталей.
Излом от сдвига при кручении может иметь место в деталях, изготовленных из вязких материалов. Структура излома ровная, гладкая, с ярко выраженным пластическим скручиванием. Избежать этих видов излома можно путем повышения предела текучести. Усталостные изломы при кручении на гладких валах представляют хрупкий излом под углом 45° даже при вязких материалах на мелкошлицевых валах. Фронт усталостного излома часто проходит даже поперек детали. При этом от каждого основания шлица проходят частичные усталостные изломы, идущие по радиусу к центру поперечного сечения.
Изломы при скручивании, вызванные превышением предела прочности в зависимости от вязкости материала и формы валов, могут проходить вдоль, поперек, под углом 45° или комбинированно. Поверхность излома имеет волокнистую структуру. Из-за небольшой пластической деформации материала поверхность излома оказывается не такой гладкой, как при динамическом изломе от сдвига. Хрупкий излом, вызванный превышением предела прочности, обычно происходит под углом 45°. Для этого вида излома характерным является большая поверхность окончательного излома. Если имеет место сильная концентрация внутренних напряжений, вызванная продольным фрезерованием, то хрупкий излом может возникать в продольном направлении.
Если при анализе излома будет неправильно определена его причина, то проводимые мероприятия по исключению возможности появления такого разрушения у других подобных деталей могут не только не дать положительного эффекта, но привести даже к снижению надежности.
На рис. 3.27 приведены типичные примеры разрушения деталей машин. Хрупкое разрушение валков прокатного стана (рис. 3.27 а) произошло в результате возникновения недопустимых нагрузок, которые, в свою очередь, возникли из-за большого износа опор.
Усталостнаяполомка вала (рис. 3.27 б) и зуба шестерни
(рис. 3.27 в) произошла из-за повышенной концентрации напряжений, связанной с ошибками при конструировании и изготовлении, или в результате возникновения повышенных циклических динамических нагрузок при эксплуатации машины. На характер поломки зубьев влияют распределение нагрузки по длине, вид зацепления, источник концентрации напряжений и другие факторы .
Усталостное разрушение материала необязательно должно привести к поломкам детали. Возможно возникновение усталостных трещин, которые до определенных размеров незначительно снижают работоспособность машины, и опасность представляет в основном возможность их быстрого роста, приводящую к снижению несущей способности машины.
Рисунок 3.27 - Примеры разрушения деталей машин:а - скол у валка прокатного стана; б - усталостная поломка вала, в - усталостная поломка зуба шестерни; г - трещина в обшивке самолета; д - разрушение трубопровода гидросистемы; е — разрушение стенки кожуха камеры сгорания реактивного двигателя
Даже в таких ответственных конструкциях как обшивка фюзеляжа и крыльев самолета возникают трещины (рис. 3.27 г), распространение которых локализуют при регламентных работах или устраняют поврежденный участок, заменяя новым.
Местные разрушения могут проявляться на таких деталях, как трубопроводы гидросистем (рис. 3.27д), когда из-за превышения допустимых значений давления или из-за понижения прочности материала детали, например под воздействием высоких температур, происходит местное вздутие, а затем и разрушение данного участка.
На рис. 3.27 е показана трещина в стенке кожуха камеры сгорания реактивного двигателя, когда разрушению предшествовали прогар материала, газовая коррозия и абразивный износ стенок, а также накопление усталостных разрушений. Таким образом, разрушение материала как проявление данного процесса старения может являться следствием комплекса разнообразных необратимых процессов.
На основе широкого применения кинетических диаграмм усталостного разрушения к настоящему времени выполнено огромное количество работ, посвященных изучению феноменологии и закономерностей роста усталостных трещин в связи с влиянием условий нагружения, структуры и свойств материалов, геометрии изделий, воздействием окружающей среды и т. п.
Однако из-за непредсказуемой изменчивости свойств конструкционного материала на субмикроскопическом уровне невозможно ограничиваться при его выборе только данными теоретических исследований. В связи с этим широкое распространение получили экспериментальные методы оценки фактических характеристик металлов, составляющие основу феноменологии усталостной прочности.
