Износ может быть определен как изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения микрообъемов поверхностного слоя изделия за счет механического воздействия.

Контактирующие поверхности изнашиваются в любой машине. Во многих случаях вред может быть минимизирован смазкой, фильтрацией масла, выбором материалов и соответствующей конструкцией и другими методами.

Во многих отношениях износ подобен коррозии. Оба эти явления: многообразны и обычно случаются одновременно; предсказуемы при постоянных окружающих условиях; чрезвычайно трудно оцениваемые ускоренными методами в условиях эксплуатации и трудно классифицируемые из-за небольших изменений размеров, формы и массы деталей, подверженных износу. Наконец, и износ и коррозия являются чрезвычайно важной экономической проблемой.

По условиям внешнего воздействия на поверхностный слой различают: абразивный, эрозионный, адгезионный и другие виды износа.При выполнении визуального контроля необходимо знать историю и работу рассматриваемого механизма. Во многих случаях невозможно проводить полное исследование только визуальным контролем изнашиваемых деталей.

Абразивный износ характеризуется срезом. Он происходит, когда одна поверхность трется под давлением по другой поверхности с достаточно большим выделением тепла. Абразивный износ – это непреднамеренная механическая обработка.

Эрозионный износ происходит тогда, когда частицы в жидкости или другой среде скользят или перекатываются с большой скоростью. Каждая из движущихся частиц очень незначительна по размерам и массе, но их достаточно большое количество приводит к износу в таких механических сборках, как насосы, крыльчатки, паропроводы, сопла, трубопроводы с резкими изгибами. Эрозионный износ может изменить форму лопастей крыльчаток, лопаток турбин так, что ухудшается эффективность их работы.

Износ за счет адгезии можно охарактеризовать как микросварку, которая возникает в том случае, когда выступы одной поверхности входят в контакт с выступами другой поверхности с выделением достаточно большого выделения тепла. При таком взаимодействии выступ на одной стороне становится выше, а на другой – ниже первоначальной высоты. Кончик выступа может либо обломаться при новом контакте, либо снова свариться с выступом противоположной поверхности и цикл повторяется. В результате такого износа в стали возникает структура (белый неотпущенный мартенсит), очень чувствительная к растрескиванию из-за ее хрупкости.

Межгосударственным советом по стандартизации, сертификации и метрологии в июне 1997 г. принят межгосударственный стандарт ГОСТ 30479–97 "Обеспечение износостойкости изделий. Методы установления предельного износа, обеспечивающего требуемый уровень безопасности. Общие требования".

Стандарт устанавливает требования к методам определения предельного износа и предельных величин зазоров в сопряжениях, при которых обеспечивается безопасность эксплуатации изделий и их составных частей, работающих в условиях трения и износа.

При определении предельного износа следует учитывать, что линейный закон изменения износа может привести к нелинейным временным зависимостям параметра безопасности, например, износ может обусловливать скачкообразный характер изменения состояния устройства (при определенном износе накладок тормоза грузоподъемной машины происходит скачкообразное изменение в кинематических взаимодействиях).

По критерию интенсивного возрастания износа предельный износ должен быть установлен в момент резкого возрастания износа.

Процесс постепенного накопления повреждений и разрушение металлов под действием многократно приложенных нагрузок носит название усталость.

Свойство металла сопротивляться усталости носит название выносливость.

Чтобы подчеркнуть сложность и важность проблем, связанных с усталостью, достаточно указать, что она ответственна примерно за 50 % случаев всех аварийных разрушений, встречающихся в инженерной практике.

Большинство разрушений происходит от усталости и сравнительно меньше – от статических нагрузок.

Скольжение – это перемещение части плоскостей внутри кристаллической решетки.

Двойникование – это такая форма скольжения, при которой параллельные плоскости кристалла движутся одна относительно другой так, что решетка по одну сторону от плоскости двойникования представляет собой зеркальное отображение того, что имеется на другой стороне.

Микроструктурные теории усталостного разрушения основываются на представлении о сдвигах, происходящих в полосах скольжения и приводящих к образованию интрузий и экструзий.

В полосах скольжения на поверхности деталей, подвергнутых знакопеременной нагрузке, можно наблюдать с помощью электронных микроскопов выдавливание тонких лепестков металла, названных экструзиями.

Вдавливание или углубление этих полос, проиллюстрированное на рис. 13.7, принято называть интрузией. С этими понятиями многие исследователи связывают механизм усталости металлов.Локальная пластическая деформация (полосы скольжения и двойникование) могут быть источниками усталостных трещин. При высоких амплитудах напряжения, как и при повышенных температурах, микротрещины могут развиваться и на границах зерен.

Источники трещин, как правило, концентрируются на поверхности или в подповерхностных слоях.

Наиболее характерной чертой усталостного разрушения является отсутствие деформаций в районе разрушения даже в таких материалах, как мягкие стали, которые высокопластичны при статическом разрушении. И это опасно, так как отсутствует информация о признаках, предшествующих разрушению. Усталостные трещины обычно мелкие и их трудно обнаружить, пока они не достигнут макроскопического размера, после чего они быстро распространяются и вызывают полное разрушение за короткий промежуток времени.

Обычно усталостные трещины зарождаются в зоне изменения формы, нарушений поверхности деталей и в районе дефектов.

Поверхности усталостного излома имеют характерный вид. Обычно они содержат две или три визуально различимые зоны. Около области зарождения трещины, где усталостная трещина распространялась медленно, поверхность часто напоминает полированную. Во второй, менее гладкой, зоне трещина распространяется быстрее и поверхность разрушения имеет нерегулярный характер. Третья зона представляет собой поверхность, по которой происходит окончательное разрушение. Эта зона может иметь либо кристаллическую (хрупкое разрушение), либо волокнистую (вязкое разрушение) поверхности.

Всегда есть опасность усталостного разрушения деталей при действии циклических напряжений; поэтому, чтобы избежать разрушений, необходимо выявлять усталостные трещины. К наиболее эффективным методам неразрушающего контроля для их обнаружения относят капиллярный, магнитный и ультразвуковой.

Трещины термической усталости. Разрушение деталей после многократного воздействия периодически изменяющегося во времени уровня термических напряжений представляет собой явление термической усталости. Разрушение при термической усталости наступает при значительных знакопеременных пластических деформациях при общем числе теплосмен (циклов), характерном для повторно-статических нагружений. Термическая усталость является особенно серьезной проблемой, например, в газовом хозяйстве, где температура деталей изменяется с большой скоростью, в самолетных конструкциях, подвергающихся кинетическому нагреву; при эксплуатации электростанций (когда термические напряжения возникают при пуске и остановке агрегатов) и металлургического оборудования (изложниц, прокатных валков, штампов), где поверхность металла повторно нагревается и охлаждается.

На термоусталость деталей влияют конструктивные и технологические факторы: образование трещин бывает связано с наличием конструктивных концентраторов напряжений – в местах изменения сечений, у отверстий, в галтелях, в зонах сварных швов.

Имеется тенденция к возникновению трещин термоусталости в местах с наиболее окисленными поверхностными слоями.

Внутренние металлургические дефекты могут не оказать существенного влияния на термоусталость, если место их расположения не совпадает с местами наибольших температурных перепадов и концентрации деформаций.

Для разрушения при термической усталости характерно множественное возникновение трещин, что объясняется локальностью действия термических напряжений и относительно быстрой их релаксацией.

Характерными для термоусталости являются трещины с широкими полостями и тупыми окончаниями – трещины "разгара". Стенки большинства трещин интенсивно окислены. Степень окисления даже соседних трещин может быть различной, что свидетельствует о неодновременном возникновении трещин и об относительно медленном их развитии.

Трещины термоусталости могут иметь местные уширения, когда они пересекают границы зерен, неблагоприятно ориентированные для развития по ним трещин. Указанное явление объясняется более интенсивным окислением границ зерен в связи с большей концентрацией в них легко окисляющихся элементов (молибден, вольфрам), которые входят в состав карбидов, располагающихся обычно по границам зерен, а также более свободным доступом кислорода по границам зерен.

При наличии на пути трещин границы зерна, ориентированной под острым углом к их траектории, трещины могут ветвиться. Такие трещины называются "паукообразными".

Анализируя работы по термической усталости можно сделать следующие выводы.

1. Главным фактором в процессе термической усталости является максимальная температура цикла.
2. Циклы нагрева оказываются более опасными, чем охлаждения, поскольку значение максимальной деформации при растяжении определяется максимальной температурой.
3. Значение остаточной деформации растяжения поверхности определяется временем пребывания изделия при максимальной температуре цикла.
4. Трещины (преимущественно межзеренные) образуются на поверхности изделия.
5. Предотвращение окисления поверхности изделий способствует повышению стойкости металла.
6. Хрупкие материалы с ограниченной областью пластичности наиболее склонны к такому виду разрушения.

Несмотря на сходство явлений термической и химической усталости, необходимо учитывать, что действие повторных нагревов сопровождается сложным комплексом процессов, проходящих в материалах при высоких температурах, – окислением, старением, рекристаллизацией, ползучестью.

Одновременное действие коррозионной среды и переменного напряжения оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие. Разрушение при коррозионной усталости может начаться при напряжениях значительно ниже предела выносливости.

Трещины коррозионной усталости. Коррозионная усталость проявляется при одновременном воздействии на металл циклических напряжений и коррозионных сред. Характеризуется понижением предела выносливости металла. Кривая усталости металла в коррозионной среде
(рис. 13.8) по мере увеличения числа циклов непрерывно понижается, в отличие от кривой усталости на воздухе, которая имеет горизонтальный участок, соответствующий пределу выносливости. С увеличением напряжения увеличивается роль механического фактора, с уменьшением напряжения и увеличением агрессивности среды – коррозионного.

 

Увеличение частоты переменного напряжения интенсифицирует влияние среды, причем для изделий с порами, трещинами и другими концентраторами напряжений больше, чем для гладких, а для закаленных больше, чем для отожженных.

Причины коррозионной усталости – локализация электрохимических анодных процессов (при коррозии в растворах электролитов) и химических процессов (при газовой коррозии) на участках концентрации механических напряжений (поры, трещины, скопления вакансий, дислокаций и т.п.).

Повреждению подвержены в большей или меньшей степени все конструкционные сплавы на основе железа, алюминия, никеля, меди и других металлов.

Одна из особенностей коррозионной усталости углеродистых и низкоуглеродистых сталей – повышение условного предела выносливости по мере увеличения размера деталей (при испытании на воздухе наблюдается обратная закономерность). Эта инверсия указанной закономерности наиболее заметна при увеличении размеров деталей до 50 … 60 мм.

Коррозионно-усталостное разрушение начинается, как правило, после существенного повреждения поверхности, образования на ней язв, каверн и межкристаллитной коррозии. От этих очагов может практически одновременно начаться развитие многих трещин. Короззионно-усталостные трещины – это в большинстве случаев многочисленные трещины, разветвляющиеся по мере роста и заканчивающиеся пучками, напоминающими корневую систему растений. Они менее ориентированы, чем при усталостном разрушении без коррозионного влияния среды. При коррозионно-усталостном нагружении разрушение может проходить как по границам, так и по телу зерен.

Трещины контактной усталости. Особый вид разрушения представляют собой контактные усталостные выкрашивания, образующиеся на поверхности металлических деталей при многократном приложении контактных нагрузок и относительном возвратно-поступательном движении.

Поверхностные контактные разрушения – фреттинг-коррозия или контактная усталость являются не полным разрушением, а сочетаниями многочисленных, часто очень мелких сколов.

В условиях переменного контакта на поверхностях деталей образуются развальцованные языки, более твердые по сравнению с основным материалом из-за деформационного упрочнения. Сильная развальцовка языков может привести к образованию следов сдвига, которые могут быть местами зарождения усталостных трещин. Увеличенные за счет деформации, при развитии усталости, языки (или чешуйки) могут быть вырваны в результате действия тангенциальных растягивающих сил.Контактное усталостное выкрашивание (образование питтингов) с последующим развитием усталостного разрушения по сечению деталей наблюдается в таких деталях, как подшипники качения и скольжения, на зубьях шестерен, замковых соединениях и пр.

Причиной образования питтинга служат местные перегрузки или недостаточная смазка. Только большие силы трения могут привести к образованию длинных деформационных языков, которые вызывают питтинговое разрушение боковых сторон зубьев шестерен.

Питтинги могут быть обнаружены при приработке боковых сторон зубьев еще до эксплуатации. Они связаны с наличием локальных выступов на поверхности, которые развальцовываются до небольших языков, отрываются без образования усталостных трещин, и оставляют на боковой стороне зуба плоский отпечаток с гладкой поверхностью.

Кавитационное растрескивание. Кавитация означает образование полости на поверхности твердого тела при разрушении газообразных пузырьков. Лопающиеся пузырьки производят разрушения в слое металла на границе с жидкостью. Усталостная кавитация наблюдается, когда колеблющаяся стенка граничит с жидкостью (например в циклически нагружаемых подшипниках скольжения).

Термические напряжения – это напряжения, возникающие в связи с изменением теплового состояния металла изделия при его нагреве, охлаждении, а также длительном пребывании при повышенной или пониженной температуре.

Разрушения под действием термических напряжений происходят только вследствие теплового градиента, без приложения внешней механической нагрузки. Причиной возникновения трещин при этом является образование локальных полей напряжений.

Каждое изменение температуры из-за перепада температур по сечению изделий вызывает даже в не имеющих превращений металлах и сплавах существенные тепловые напряжения. Если к тому же температура превышает температуру превращения, то образуются новые фазы и модификации, имеющие различные удельные объемы. Это сопровождается возникновением дополнительных структурных напряжений, связанных с превращениями. Резкое одноразовое высокоскоростное (десятки, сотни градусов в 1 с) и неоднородное изменение температуры металла приводит к возникновению так называемых термоударных трещин. Предпосылкой для образования термоударных трещин является возникновение таких суммарных тепловых и структурных напряжений, которые приводят к появлению термических напряжений, превышающих временное сопротивление.

В участках изделия, примыкающих к поверхности, при охлаждении возникают растягивающие напряжения, в глубине изделия – сжимающие. В начальной стадии напряжение в резко охлажденном тонком внешнем слое очень велико, поскольку зоны материала, расположенные в глубине, допускают деформацию только в ограниченной степени. Действие таких термических напряжений, например, растрескивание при закалке, может проявляться не в момент изменения теплового состояния (охлаждения), а спустя некоторое время (иногда спустя несколько суток) в результате постепенного накопления напряжений, возникающих при изменении удельных объемов структурных составляющих металла.

Общий уровень остаточных термических напряжений зависит от предела текучести материала, его модуля упругости Е, коэффициента теплопроводности, формы изделия, температурного градиента и продолжительности (резкости) охлаждения.

Действие термических напряжений усиливается при наличии резких изменений сечений изделия (выточки отверстия и пр.) и дефектов металла, концентрирующих тепловые напряжения.

При воздействии ионизирующих излучений (рентгеновское, a, b, g, протонное, нейтронное) на конструкционные материалы последние получают определенные повреждения, определяемые количеством энергии, поглощенной материалом.

К числу таких радиационных повреждений относятся: вакансии, внедренные атомы, примесные атомы, термические пики, ионизационные эффекты.

Вакансия представляет собой узел решетки, в котором в результате взаимодействия с излучением отсутствует атом. Образуются в твердых телах при столкновении быстрых нейтронов, осколков деления ядер и других быстрых частиц с атомами решетки.

Внедрившиеся в междоузлия атомы – атомы, сместившиеся из своих устойчивых положений в решетке.

Примесные атомы образуются в результате ядерных реакций, протекающих при захвате нейтронов ядром атома (радиационное легирование). Внедряясь в решетку облучаемого вещества, они могут значительно изменять его свойства.

Термические пики обусловлены колебаниями узлов решетки вдоль пути движения быстрых либо заряженных частиц, выбитых из своего места атомов решетки. В локальных объемах (»10^–17 см³) возникают большие перегревы (до 10³ К).

Ионизационные эффекты наблюдаются, когда ионизирующие излучения, проходя через вещество, вызывают в нем ионизацию, следствием чего является разрыв химических связей, образование радикалов и т.д.

Облучение металлов увеличивает подвижность атомов и ускоряет фазовые и структурные превращения, ограничивает число активных полос скольжения, увеличивает число дислокаций, движущихся через полосы скольжения, что в конечном итоге приводит к упрочнению и охрупчиванию металлов.

Нейтроны, помимо образования дефектов кристаллической решетки в результате смещения атомов, могут захватываться атомными ядрами с последующим превращением этих ядер в новые (примесные) элементы. Непрерывное образование новых, химически нежелательных, атомов в сложных сплавах при облучении может оказать значительное влияние как на механические свойства, так и на металлургическую стабильность сплавов. Однако для большинства конструкционных материалов количество примеси, внесенной таким образом, меньше уже присутствующей.

Ядерные превращения становятся металлургически важными, когда в результате образуются такие продукты, как гелий и другие благородные газы, не растворяющиеся в решетке.

Если произойдет пресыщение кристаллической решетки этими атомами в результате продолжительного облучения, они могут либо начать взаимодействовать с соседними мигрирующими вакансиями с образованием простых агрегатов, либо гомогенно накапливаться с образованием газовых пузырей на границах зерен. Образующийся при облучении водород способствует охрупчиванию металлов.

Слияние вакансий способствует формированию пустот (радиационная пористость) и вызывает заметное распухание и коробление металла.

Физические и химические неоднородности (различного типа дефекты, примесные атомы), возникающие при облучении металлов, существенным образом изменяют их свойства (возрастает удельное электросопротивление; повышается склонность к коррозионному растрескиванию; металлы охрупчиваются: предел текучести, предел прочности, твердость возрастают, пластичность снижается; падает значение длительной прочности).

Радиационная стойкость материала – это способность материала сохранять исходный химический состав, структуру и свойства в процессе облучения и (или) после воздействия ионизирующих излучений. Количественно характеризуется максимальным значением поглощенной дозы (Грей), при которой материал становится непригодным для конкретных условий применения.

Радиационная стойкость конструкционной стали имеет значение около 5×10⁷ Гр.

Предварительная радиационно-тер­мическая обработка – облучение и отжиг – позволяет увеличить радиационную стойкость в 10 … 15 раз. 

При исследовании металлов на радиационную стойкость наиболее чувствительным является метод измерения электросопротивления, т.к. их электрическое сопротивление возрастает за счет образования радиационных дефектов.

Ниже в сжатой форме представлены процедуры визуального и измерительного контроля при техническом диагностировании таких ответственных объектов, как энергетические и авиационно-космические.