Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

(например, при высоких температурах) или больших нагрузках; материалы, имеющие малую константу скорости, рекомендуется применять в тех случаях, где в процессе старения участвуют большие массы реагирующих веществ (изделия, работающие в среде, содержащей кислород и влагу). Малую константу ско­ рости имеют нержавеющая сталь, золото, никель, кадмий, хром. Пластмассы особенно подвержены старению в присутствии озона, и поэтому их рекомендуется заменять материалом, имеющим малую константу скорости (например, керамика зна­ чительно повышает долговечность изделия).

Изоляция от воздействия внешней среды (потоков энергии) предусматривается при конструировании. Например, в реак­ тивном двигателе камера сгорания обычно отделяется одним или несколькими слоями изоляции для предохранения остальных деталей от перегрева. Барьеры выполняются в виде слоя краски, гальванических покрытий, герметизации, масляной ванны, пас­ сивирования, анодирования и других покрытий. Во всех случаях защищаемое изделие окружается барьером из другого мате­ риала, который имеет либо высокую энергию активации, либо малую константу скорости.

Для обеспечения надежности в точном приборостроении и машиностроении часто используют сложные барьеры в виде герметически закрытых корпусов, заполненных нейтральным газом, или в корпусе, где размещено изделие, поддерживается глубокий вакуум.

При рассмотрении кинетики деформирования многочислен­ ные случаи механического нагружения изделий можно разде­ лить на две группы: нагружение в замкнутых, непогружаемы.х системах (резервуары, баллоны, пружины и т. п., находящиеся под действием постоянного давления) и нагружение в незамкну­ тых (подгружаемых) системах. В последнем случае деформи­ руемой детали или системе сообщается сила в процессе эксплуатации.

Кинетика разрушения связана с запасом энергии нагружаю­ щей системы и с так называемой податливостью нагружения. Из анализа случаев разрушений затянутых болтов сосудов, нагруженных внутренним давлением, видно, какое значение име­ ет податливость системы и запас упругой энергии. Если неболь­ шая трещина возникает в системе с малой податливостью, то развитие трещины не будет быстрым, а авария может быть предотвращена. В случае, когда системы имеют большую по­ датливость и обладают огромным запасом упругой энергии, происходит взрывоподобное разрушение.

Современные методы расчета деталей машин на прочность позволяют в ряде случаев определить не только несущую спо­ собность деталей, но и оценить, как показано выше, срок их ста­ рения и надежность. Обеспечение прочности и надежности машин особенно важно при применении материалов с повышен­

ными механическими свойствами, новых технологических про­ цессов, увеличивающих сопротивляемость деталей, а также при воздействии повышенных и пониженных температур, активных сред, нестационарной нагруженное™ и других факторов. Расчет на прочность при статической нагруженное™ обычно проводится в связи с влиянием пластических деформаций на распределение напряжений и на перемещения в соответствии с расчетом по критерию прочности и жесткости как в упругой, так и в упруго­ пластической области. При этом следует учитывать возможность

Рис. 61. Схема температурной кри­ вой статического растяжения

возникновения хрупких состояний в условиях низких темпера­ тур, остаточной напряженности и других факторов, что вызывает необходимость расчета конструкций и на сопротивление хруп­ кому разрушению.

Влияние температуры на разрушение сваренных полос из углеродистой стали, содержащей 0,16—0,28% С, показано на рис. 61. В полосе без надреза и при отсутствии остаточных напряжений [91] разрушение происходит при весьма больших пластических деформациях на уровне предела прочности овр (кривая RQP). При наличии острого надреза (без остаточных

напряжений) при температуре выше верхней критической t кр происходит разрушение путем сдвига при достижении предела

прочности; при снижении температуры ниже ікр разрушение происходит путем отрыва на уровне напряжений предела теку­ чести (кривая PQST). Если при этом имеются значительные остаточные напряжения, например, после сварки, то при тем­

В области критического интервала /кр < / < / кр трещина также возникает, но ее развитие замедляется и эффект влияния остаточных напряжений исчезает вследствие пластического перераспределения напряжений. Линия возникновения и раз­ вития хрупкой трещины соответствует кривой иУн. Разрушение деталей может произойти при весьма малых значениях крити­ ческих разрушающих напряжений, например, в сварных кон­ струкциях с повышенной остаточной напряженностью. Полное распределение трещины без заметных пластических деформа­ ций (хрупкое разрушение) возможно как в хрупких, так и пластических материалах и связано с наличием в материале дефектов и неоднородностей, размеры которых статически распределены в объеме детали, а также с существованием критической температуры хрупкости (хладноломкость).

Окружающая среда (низких температур) оказывает большое влияние на прочность деталей при эксплуатации экскаваторов и других машин в условиях Крайнего Севера. Разрушение дета­ лей происходит главным образом по причине недостаточного учета хладноломкости материалов, некачественной сварки (наличие остаточных напряжений, концентраторов напряже­ ний, шлаковых и газовых включений и др.) и конструктивных несовершенств деталей.

Несущая способность высоконапряженных деталей (дисков турбин, толстостенных резервуаров под высоким давлением), нагруженных статически, обычно определяется в связи с влия­ нием пластических деформаций на напряжения и перемещения. В то же время для деталей, нагруженных главным образом переменными напряжениями (быстровращающиеся валы, осо­ бенно подверженные колебаниям, вибрирующие пружины, лопатки турбин и др.), преимущественное значение имеет несущая способность в отношении их сопротивления усталости.

При этом следует иметь в виду, что в случае больших стати­ ческих составляющих могут возникнуть пластические дефор­ мации, и поэтому необходимо учитывать статическую несущую способность деталей.

Несущая способность деталей при действии статических нагрузок, при которой сохраняется надежная работа машин, будет обеспечена при действии на деталь нагрузок, не вызы­ вающих разрушения деталей, недопустимых условиями эксплуатации перемещений и деформаций. В условиях дли­ тельного действия статических нагрузок и повышенных темпе­ ратур расчет на прочность конструктивных элементов (детали паровых и газовых турбин, реакторов и др.) основывается на анализе перераспределения напряжений в связи с ползучестью материала и на оценке сопротивления хрупкому разрушению металла, постепенно теряющего пластичность. В результате ползучести деформации деталей могут во времени достигать

предельных величин, при которых происходит нарушение работы машины. В процессе релаксации можно постепенно ослабить натяг в соединениях деталей, при падении прочности под нагрузкой в течение времени может произойти разрушение

Рис. 62. Схема старения деталей в результате ползучести

упруго-пластическая деформация (участок ОА), а затем разви­ ваются во времени t деформации ползучести е. Стадия / соответствует неустановившейся ползучести, когда скорость деформации непрерывно уменьшается, стремясь к некоторой постоянной скорости, характеризующей стадию II (стадию уста­ новившейся ползучести). Стадия III, предшествующая разру­ шению, характеризуется увеличением скорости деформирования вследствие уменьшения опасного сечения детали. При вязком разрушении процесс развивается при сравнительно низких тем­ пературах, больших скоростях деформирования; в опасном сечении заметны местные деформации, а излом носит внутрикристаллитный характер. В случае хрупкого разрушения излом носит межкристаллитный характер и возникает при высоких температурах и относительно низких скоростях деформирова­ ния. В случае нестационарного температурного режима работы машины при повышении температуры при одном и том же вре­ мени до разрушения возможен переход от вязкого разрушения к хрупкому, и наоборот: вязкое разрушение сменяется хрупким при постоянной температуре эксплуатации и увеличении вре­ мени до разрушения.

Процесс потери пластичности во времени носит название охрупчивания. Несущая способность деталей, длительно рабо­ тающих в условиях высоких температур при действии стати­ ческих нагрузок, может определяться, как и для деталей, при нормальных температурах достижением предельных перемеще­