Характеристика восстанавливаемых деталей

Лекция 1

Определение детали и ее состояний

Машины состоят из первичных неразделяемых элементов - деталей. Деталь (по ГОСТ 2.101-68) - это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. К деталям относят также изделия с покрытиями н изделия, полученные с помощью сварки, пайки, склеивания н подобных процессов.

Деталь может пребывать в исправном, неисправном, работоспособном, неработоспособном и предельном состояниях.

В исправном состоянии деталь соответствует всем требованиям нормативной, конструкторской или технологической документации, а если деталь не соответствует хотя бы одному из требований этой документации, то она признается неисправной.

Работоспособное состояние детали такое, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданную функцию, соответствуют требованиям нормативной документации. Если значение хотя бы одного нз этих параметров не отвечает требованиям нормативной документации, то деталь признается неработоспособной.

Предельное состояние детали определяется тем, что ее дальнейшее применение по назначению технически невозможно или экономически нецелесообразно. При достижении предельного состояния деталь может обладать или нет остаточной долговечностью. В первом случае деталь может быть восстановлена, а во втором она отправляется в утиль.

Примеры состояний детали, при которых ее восстановление невозможно: 1) необратимые явления усталости; 2) межкрнсталлитная коррозия металлических материалов; 3) потеря прочности деталей из полимерных материалов в результате старения. Организация процессов восстановления деталей, основанная на использовании классификации элементов этих деталей, обладает экономическими преимуществами. Такая организация предполагает разработку технологических модулей восстановления элементов разнотипных деталей, из которых образуют технологии восстановления конкретных деталей. Системный эффект от применения такого подхода выражается в уменьшении трудоемкости технологической подготовки восстановительного производства. Основной методологический принцип концепции заключается в применении ограниченного числа типовых и модульных технологических операций восстановления элементов деталей к восстановлению деталей различных видов.

Причины достижения деталями предельного состояния

Детали поступают на восстановление с различными сочетаниями повреждений. Некоторые из этих сочетаний определяют предельное состояние детали. Знание природы достижения деталями предельного состояния позволяет обоснованно назначать мероприятия по повышению их долговечности.

Основная доля деталей в составе сопряжений с другими деталями достигает предельного состояния из-за изнашивания. В результате этого процесса происходят разрушение материала, отделение его от поверхности твердого тела и (или) накопление его остаточной деформации при трении. Указанные явления приводят к постепенному изменению размеров и (или) формы детали.

В зависимости от условий изнашивания и активности окружающей среды различают основные виды изнашивания: механическое, коррози- онно-механическое и эрозионное.

Механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий. Основные виды этого изнашивания: абразивное, усталостное, кавитационное и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание - это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. В зависимости от вида среды (жидкость или газ), перемещающей твердые частицы, различают гидроабразивное и газоабразивное изнашивание.

Абразивные частицы размером 1...30 мкм всегда присутствуют в воздухе, смазочном материале и на трущихся поверхностях. Абразивными частицами могут служить продукты изнашивания, твердые частицы оксидов, частицы нагара и др.

Скорость абразивного изнашивания зависит от контактных напряжений, относительной скорости частиц и направления их потока к рабочей поверхности детали, твердости частиц и материала изнашиваемой поверхности, структуры материала. Абразивное изнашивание наиболее характерно для деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Технологические способы повышения стойкости к механическому изнашиванию сводятся к выбору материала трущихся поверхностей, его структуры и твердости.

Многие детали машин под действием знакопеременной нагрузки подвергаются усталостному изнашиванию и утрачивают в работе часть усталостной прочности. Критическим напряжением при усталости является предел выносливости. Этот показатель в отличие от других прочностных характеристик (пределов упругости, текучести и прочности) во многом зависит от состояния поверхности детали.

Процесс разрушения при усталости металлических деталей состоит из зарождения и распространения усталостных трещин. Период зарождения усталостных трещин состоит, в свою очередь, из циклических микро- и макротекучести и упрочнения.

На стадии циклического упрочнения появляются первые микротрещины размером - 1 мкм за счет накопления несовершенств кристаллической решетки (дислокаций, вакансий) и их движения к границам зерен. Эта стадия характеризуется множественными перемещениями дислокаций, повышением их плотности, формированием самоорганизующихся дислокационных структур и упрочнением материала. Стадия циклического упрочнения заканчивается достижением линии необратимой повреждаемости (линии Френча), на которой размер микротрещин сопоставим с размерами зерен материала. Этим заканчивается период зарождения усталостных трещин.

Следующий период - распространение усталостных трещин - состоит из трех стадий: медленного (припорогового), стабильного и ускоренного роста трещин.

Таким образом, уже с первых циклов нагружения в металле происходит эволюция дислокационной структуры. Изменения сосредоточиваются в зоне пластического деформирования у вершины магистральной трещины. В зависимости от расстояния от вершины трещины до рассматриваемого участка материала меняется напряженное состояние и формируется дислокационная структура: мелкоячеистая у самой вершины трещины; далее в виде дислокационных стенок; завершается она полосовой и венной структурами, дислокационными петлями и скоплениями. Все основные процессы эволюции дислокационной структуры, ее превращения и неравновесные фазовые переходы в полной мере происходят лишь в поверхностных слоях металла. В этих слоях имеются и нераспростра- няющиеся трещины размером 10... 120 мкм.

Кроме того, в процессе циклического деформирования происходят фазовые превращения (например, образование мартенсита деформации в метастабильных аустенитных сталях), процессы возврата или старения.

Усталостную прочность поверхностного слоя повышают его пластическим деформированием.

Следует различать контактную усталость поверхностных слоев, которая возникает при трении качения и называется «питтинг», и усталостное изнашивание при трении скольжения, хотя усталостная природа разрушения в обоих случаях одинакова. Кавитационное изнашивание - это разрушение материала от соприкосновения его с движущейся жидкостью, в которой нарушается сплошность ее объема из-за образования полостей, заполненных паром, газом или их смесью.

Интенсивность кавитационного изнашивания возрастает с повышением скорости потока жидкости. При завихрении сплошной поток жидкости разрывается из-за локального уменьшения давления и в нем образуются парогазовые полости в виде пузырей или полос размером порядка десятых долей миллиметра. За 0,002 с кавитационный пузырек может вырасти до 6 мм в диаметре и разрушиться за 0,001 с. В течение 1 с на площади в 1 см2 могут образоваться и разрушиться более 30 млн. таких пузырьков. Исчезновение (захлопывание) пузырьков происходит в зонах повышения давления, которое сопровождается конденсацией паров и растворением газов. Движение жидкости с большим ускорением в полость исчезающего пузырька создает гидравлические удары. Кавитаци- онные явления вызывают вибрации работающих поверхностей.

Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода до 0,8 % увеличивает ее. Пластинчатый перлит более стойкий, чем зернистый. Введение никеля и хрома в сталь повышает эту стойкость. Наиболее стойким является низколегированный чугун (1 % Ni и 0,3 % Мо) с шаровидным графитом. Закалка ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение, наплавка твердых сплавов уменьшают кавитационное изнашивание.

Изнашивание при заедании - это вид механического изнашивания в результате схватывания трущихся поверхностей, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и абразивного воздействия возникших неровностей на сопрягаемую поверхность. Для этого вида изнашивания характерно разрушение оксидных и масляных пленок, разделяющих поверхности.

При взаимодействии двух поверхностей в точках фактического контакта наблюдаются удаление адсорбционных и оксидных пленок, сближение ювенильных поверхностей до расстояния действия межатомных сил. Вследствие взаимодействия атомов происходит схватывание поверхностей, сопровождающееся выделением энергии. При относительном перемещении поверхностей происходят вырывы материала в виде микроскопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую поверхность.

Заедание в неподвижных соединениях объясняется ростом и сращиванием оксидных пленок и соединением их кристаллических решеток.

Большое значение для уменьшения интенсивности изнашивания при заедании имеют способ подачи смазочного материала, количество и качество присадок к основному маслу.

Коррозионно-механическое изнашивание - это результат механического воздействия, которое сопровождается химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Одним из видов коррози- онно-механического изнашивания является окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой, а также изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание характеризуется образованием и разрушением вторичных структур в поверхностных слоях детали при их нагружении и трении. При этом на поверхности трения образуются твердые растворы или химические соединения с кислородом, водородом и азотом. Механизм окислительного изнашивания включает три стадии:

непосредственный механический контакт трущихся поверхностей или через среду и образование тонкого слоя деформированного активированного металла;
химическую реакцию образовавшегося слоя с активными элементами среды и образование вторичных структур толщиной 0,01...0,02 мкм с низкой механической прочностью;
разрушение и удаление вторичных структур механическими воздействиями. На ювенильных поверхностях практически мгновенно образуются новые вторичные структуры, которые затем также разрушаются*

Повышение износостойкости в условиях окислйтельного изнашивания происходит за счет повышения химической стойкости и твердости поверхностного слоя деталей.

Изнашивание при фреттинг-коррозии - вид изнашивания соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Механизм этого вида изнашивания следующий:

пластическое деформирование микровыступов, повышение контактных температур, разрушение пленок оксидов, адгезионное схватывание поверхностей, срезание образовавшихся связей, усталостные явления. Разрушившиеся выступы быстро окисляются кислородом воздуха;

инкубационное накопление усталостных повреждений, уменьшение скорости изнашивания вследствие адсорбции на продуктах изнашивания кислорода и влаги;
поверхностно-усталостное разрушение.

Фреттинг-коррозия развивается на поверхностях сопряжении с натягом, контактных поверхностях шарнирных механизмов. При этом ослабляется натяг поверхностей или их заклинивание, если продукты изнашивания не выходят из зоны контакта.

Уменьшение или предотвращение фреттинг-коррозии достигается конструктивными или технологическими методами. Первое направление заключается в увеличении натяга в сопряжениях, использовании демпфирующих устройств, применении жидких и твердых" смазочных материалов. Второе направление включает упрочнение поверхностей пластическим деформированием, термической, химико-термической обработкой, нанесение гальванических или полимерных покрытий.

Эрозионное изнашивание - это механическое изнашивание поверхности в результате воздействия на нее потока жидкости и (или) газа.

Электроэрозионное изнашивание усложняется разрушением поверхности детали вследствие воздействия разрядов при прохождении электрического тока, сопровождающееся переносом ионов материала и появлением оксидных пленок. Интенсивность изнашивания зависит от плотности тока, контактного электрического сопротивления, скорости перемещения контакта, механической нагрузки, температуры поверхностей и вида материала деталей.

Деформация деталей проявляется в виде изменения формы поверхностей и параметров их взаимного расположения. Это происходит под действием релаксации внутренних напряжений и длительного действия эксплуатационных нагрузок при рабочей температуре механизма.

Внутренние напряжения, возникающие при изготовлении, эксплуатации и восстановлении деталей, распределяются в объеме детали неравномерно. При деформировании кристаллических тел, приводящем к повышению напряженного состояния, все большее число зерен участвует в пластической деформации. Когда внешняя нагрузка снимается, зерна, оставшиеся в различном упругопластическом состоянии, неспособны возвратить весь объем детали в исходное состояние вследствие анизотропии кристаллов.

Коррозия поверхностей - это результат их химического или электрохимического взаимодействия с коррозионной средой. Существует много видов коррозии: газовая, атмосферная, коррозия при трении, фрет- тинг-коррозия, щелевая, ножевая, коррозия под напряжением и др.

Старение материала - это процесс изменения строения и свойсп материалов, происходящий или самопроизвольно, или в течение длительного времени при рабочей температуре деталей.

Характеристика восстанавливаемых деталей