Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

пользуется в основном для бурения восстающих скважин диа­ метром до 85 мм и глубиной до 15 м в породах средней и высо­ кой крепости. При необходимости телескопные перфораторы легко переоборудуются при бурении с каретками. Всем видам указанных телескопных перфораторов практически свойственны те же недостатки, что для ручных перфораторов. Поэтому перед конструкторами и машиностроителями стоит задача создания достаточно мощного, легкого и надежного телескопного перфо­ ратора с широким диапазоном использования в различных гор­ ногеологических условиях.

Впоследние годы в мировой практике горнорудного произ­ водства наметились тенденции к более широкому применению на проходческих работах мощных тяжелых, так называемых колонковых перфораторов, установленных на распорных коло­ нках и на различных каретках. Применение колонковых пер­ фораторов позволяет увеличить производительность буровых работ при проходке горных выработок в породах средней и вы­ сокой крепости, а также дает возможность бурить скважины глубиной более 10—15 м диаметром до 85 мм.

ВСССР выпускается пока весьма ограниченное число ко­ лонковых перфораторов. Можно указать лишь три разновид­ ности, устаревшую КЦМ-4, КС-50 и, разрабатываемую серию типа ПК-50, с высокими параметрами вращения бура.

Из указанных типов колонковых перфораторов наиболее длительный период применялись машины КЦМ-4 и КС-50, ко­ торые как показал опыт эксплуатации, имели ряд конструктив­ ных недостатков и низкую долговечность. Перфораторы КЦМ-4

иКС-50 хотя еще и применяются на некоторых горнорудных предприятиях, однако они уже сняты с производства. Что ка­

сается перфоратора ПК-50, и их разрабатываемых прототипов, то данный перфоратор находится в стадии опробования в за­ водских и шахтных условиях и пока не нашел широкого приме­ нения. Специалисты считают, что мощные колонковые перфо­ раторы, в ряде случаев могут успешно конкурировать с буро­ выми установками и даже заменять их. Поэтому в целях даль­ нейшего развития и широкого внедрения буровых работ с при­ менением мощных колонковых перфораторов требуется поста­ новка глубоких исследований в этой области. Необходимо в конечном итоге разработать и наладить производство широкой серии надежных, работоспособных колонковых перфораторов с достаточно низким уровнем шума, вибрации, а также и раз­ личных типов необходимого бурового инструмента и буровых кареток для их использования в различных отраслях горной промышленности.

14

§ 2. О важнейших феноменологических аспектах разрушения конструкционных металлов под нагрузкой

Приступая к изложению материалов, касающихся непосред­ ственно циклической прочности и металловедческой стороны затронутой проблемы, необходимо иметь достаточно четкое представление о достижениях в области прочности и механики разрушения существующих сталей. В этой связи уместно позна­ комить читателей с наиболее важными разделами современной науки о разрушении, хотя бы металлических материалов, с использованием новейших информаций по этому вопросу.

Несмотря на то, что разрушение материалов, как физико­ механический процесс, давно представляет собой хорошо из­ вестное явление, все-таки полной ясности о природе этого про­ цесса еще нет. Это стало особенно ощутимо в наши дни, когда бурное развитие техники столкнулось с необъяснимыми фак­ тами внезапного разрушения деталей, узлов машин, конструк­ ций и целых сооружений, несмотря на то, что согласно предва­ рительных инженерных расчетов все должно было гарантиро­ вать их надежную работу. История знает очень много приме­ ров внезапного разрушения металлических мостов, пролетов зданий, сварных судов, повлекших невосполнимые человеческие жертвы и материальные затраты. Так по литературным данным только за 1950—1955 гг. насчитывается более двадцати слу­ чаев разрушения крупных мостов и зарегистрированы катастро­ фы более пятидесяти сухогрузных и наливных судов, которые разломились пополам не проработав и четверти возможного технического ресурса. Начавшиеся еще в 20-х годах нашего сто­ летия исследования Гриффитса, Орована и др., посвященные случаям хрупкого разрушения материалов, вскоре вылились в самостоятельное научное направление под общим названием ме­ ханика разрушения материалов. В настоящий период работы в этой области привлекли десятки смежных отраслей знаний, та­ кие как математика, физика, металловедение, сопротивление материалов и даже биология. Стало очевидным, что разруше­ ние металла под нагрузкой, как явление, есть сложнейший процесс, в котором сам разрушаемый материал выступает не как пассивная жертва, а определенным образом сопротивляется воздействию внешних сил. По образному выражению Орована, металлам, как и живому аналогу в природе, например, челове­ ку, свойственны явления болезни, поражения травмами и смерть, наступающая с его поломкой. Причем влиянию всех этих недугов металлы, в принципе, могут не поддаваться дли­ тельное время. К сожалению, понимание этого наступило не сразу. Долгое время да еще и сейчас конструкционные материа­ лы представляются, как бездефектные тела. Появление какоголибо дефекта на поверхности или внутри стальной детали, на-

15

пример, трещины, отождествляется с началом неизбежного раз­ рушения и это является основанием для его браковки.

Вот почему до настоящего времени проблема разрушения металлов не всеми трактуется равнозначно. Многие ее аспекты повествуются весьма противоречиво и являются предметом страстной полемики.

На сегодняшний день науке известно несколько специфи­ ческих форм разрушения металлов, которые объединены приня­ той классификацией и имеют свою терминологию. Мы обратим основное внимание на усталостное разрушение, как наиболее сложное и многогранное явление и осветим лишь важнейшие его стороны, которые непосредственно будут отвечать последу­ ющему изложению основного материала. Если же читатель сочтет нужным более глубже вникнуть в процессы усталостно­ го разрушения металлов, то он найдет эти дополнительные све­ дения в обстоятельных монографиях отечественных и зарубеж­ ных авторов, например, Одинга И. А., Кудрявцева И. В., Рат­ нер С. И., Ивановой В. C., Школьника Л. Μ., Карпенко Г. В., Романова В. В., Форреста, Екобори и др.

Усталостное разрушение является следствием переменного

.воздействия нагрузок на металл, причем характерным являет­ ся то, что при усталости разрушение наступает без заметных пластических деформаций и при напряжениях меньших, чем при статической нагрузке. Это обстоятельство длительное время не поддавалось логическому объяснению, в связи с чем появлялось довольно много теоретических трактовок, научная несостоятель­ ность и ошибочность которых отвергнута самой жизнью и появ­ лением более прогрессивных теорий. В настоящее время в за­ рубежной и отечественной науках об усталостной прочности принята ориентация на разработку дислокационно-энергетичес­ ких теорий усталостного разрушения. Наиболее успешно данное направление развивается в СССР школами советских метал­ ловедов и специалистов в области прикладной механики сплош­

Морозовым Е. Μ., Леоновым Μ. Я., Черепановым Г. П., Пана-

а) Морфологические особенности усталостного разрушения.

Внешняя картина усталостного излома, как правило, состо­ ит из двух явно выраженных зон: зоны замедленного развития магистральной трещины и зоны хрупкого долома.

В свою очередь зона усталости имеет рядг признаков, отли­ чающих ее от участка хрупко разрушенного сечения. Такими особенностями являются ступеньки и рубцы, имеющие порой геометрически правильную форму и напоминающую годовые кольца на срезе деревьев. Морфологическая картина усталост­ ного излома зависит как от природы материала, условий уста-

16

разрушения, что позволит усовершенствовать или разработать более удобные дислокационные схемы описания и расчета тре­ щин.

в) Макроскопические процессы роста усталостных трещин и роль пластичности в их развитии.

Если микроскопическая картина развития усталостных тре­ щин очень важна для понимания реальных процессов в тонкой структуре металла, пораженной полостью атомного масштаба или масштаба кристаллической решетки, то макроскопический акт роста трещины охватывает пределы одного или нескольких зерен, что представляет интерес в плане создания практических мероприятий по остановке магистральной усталостной трещины технологическими методами. Линейный спектр данных трещин лежит уже в более широком интервале от IO2 мкм до десятков миллиметров. Именно в этот интервал вписываются всевозмож­ ные производственные дефекты, расположенные в поверхности и внутри металла, являясь потенциальными очагами зарожде­ ния трещин. Достоверно установлено, что в основе развития усталостных трещин лежат явления пластичности, которые бо­ лее пли менее проявляются в сплавах и сталях на ее контуре, вызывая необратимые структурные процессы, например, экстру­ зию и интрузию. По определению Фудзиты, открывшего эти яв­ ления, речь идет о межзеренном течении металла, которое в одном случае приводит к выдавливанию субструктуры сплава в виде язычка в межзеренном пространстве, а в другом, напро­ тив, к утяжке межзеренных границ. Указанные эффекты, вообще говоря, протекают в микроскопическом объеме зерна у контура трещины, однако они доказывают, что при знакопеременном движении берегов трещины хотя и в незначительном объеме у ведущего ее конца протекает пластическая деформация, кото­ рая постепенно упрочняет сплав. Упрочняющие процессы про­ текают не во всех сплавах одинаково. Это зависит как от струк­ турной и химической природы сплава, так и от уровня напря­ жений. Журков С. Н. и Регель В. П. полагают, что в принципе все процессы, связанные с пластическими видоизменениями в структуре при циклическом нагружении, адекватны аналогич­ ным явлениям, наблюдаемым при статическом нагружении. Раз­ ница заключается лишь в том, что в первом случае скорость накопления нарушений и прочих необратимых изменений зна­ чительно выше. Советскими учеными Ивановой В. C., Терентье­ вым. В. Ф. и др. показано, что в основе усталостного упроч­ нения металла и последующих изменений в структуре лежат ряд сложных эффектов, природная сущность которых еще не совсем ясна. К ним относятся эффект Портевена — Ле-Шателье, эффект Баушингера, появление линий Чернова—Людерса, а также эффект Френча. Краткая характеристика этих эффектов заключается в следующем. Эффек Протевена—Ле-Шателье говорит о том, что у ряда металлов и сплавов при деформа-

18