Особливості руйнування твердих кристалічних тіл

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

 

 

Література.......................................................................

Додаток А

Правила з техніки безпеки

при виконанні лабораторних робіт...............................................

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

 

Вступ

 

В сучасних економічних умовах на підприємствах приділяється увага зниженню витрат на виробництво продукції та її експлуатацію. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є повне використання ресурсу обладнання та виробів. У зв'язку з цим необхідно через певні періоди часу проводити діагностику, наприклад, технологічного устаткування, тобто перевіряти його технічний стан, а у випадку виходу з ладу якої-небудь деталі встановлювати причини її поломки. Для вирішення вказаних питань необхідні фахівці високого рівня, яких на сьогодні недостатньо на виробництві. Тому на даний момент є актуальною дисципліна «Експертні дослідження» яка сприяє підвищенню кваліфікації вказаних спеціалістів.

При вивченні даної дисципліни досліджуються причини та механізми розвитку пошкоджень, що приводять до повного або часткового руйнування елементів конструкції. Пошкодження можуть виникати з багатьох причин, наприклад, в результаті зносу або ерозії поверхні, спотворення форми, зниження твердості інструменту, втрати пружності пружини і ін. У зв’язку з цим для встановлення причин відмови та повернення системи до штатного режиму функціонування необхідно застосування комплексного підходу. Тобто об'єднуються зусилля різних фахівців: конструкторів, механіків, спеціалістів з тертя та зношування, автоматичного регулювання, неруйнівного контролю і матеріалознавства.

При проведенні вказаних досліджень, зокрема спеціалісти з матеріалознавства з’ясовують:

– раціональність вибору матеріалів для певних умов експлуатації;

– відповідність хімічного складу застосовуваних матеріалів вимогам креслення;

– якість проведення запланованих конструктором термічної, хіміко-термічної чи інших видів обробок.

Для вирішення цих питань студенти при виконанні лабораторних робіт з дисципліни “Експертні дослідження ” повинні навчитися застосовувати набуті знання з фізико-механічних і експлуатаційних властивостей матеріалів, моделювання, діагностики та дефектоскопії, стандартизації та контролю якості продукції для встановлення причин передчасного руйнування чи виходу з ладу деталей, надавати рекомендації щодо усунення таких причин.

Проведення матеріалознавчої частини експертних досліджень доцільно розділити на наступні етапи:

1) за допомогою довідників, монографій, підручників, досвіду реального виробництва охарактеризувати умови експлуатації виробу, оцінити середні та можливі максимальні напруження і деформації, що можуть виникати при виготовленні та експлуатації виробу, середовище (агресивне, підвищена або навпаки знижена температура), конструкцію, зокрема вказати місця наявності концентраторів напружень;

2) описати хімічний склад матеріалу, з якого виготовлений даний виріб, його термічну обробку, структуру, властивості; дефекти в заготовках, які можуть з’явитись в процесі виготовлення та експлуатації виробу;

3) на основі аналізу попередньої інформації запропонувати гіпотези щодо можливих причин передчасного виходу виробу з ладу;

4) для підтвердження висунутих гіпотез вибрати методики дослідження і моделювання (фізичного і, або математичного). Навести стандарти основних методик та детально описати нестандартні запропоновані методики проведення досліджень, моделювання і обробки отриманих результатів, навести ескізи зразків;

5) порівняти вимоги до матеріалу виробу, зокрема складу, структури, стану поверхні, властивостей зміцненого шару та серцевини з результатами досліджень. Дати пояснення змінам структури, властивостей, форми виробу, що досліджується.

На основі результатів дослідження скласти експертне заключення щодо причин передчасного виходу з ладу даного виробу та запропонувати рекомендації з метою підвищення його ресурсу, наприклад, замінити матеріал на більш доцільний; удосконалити конструкцію; покращити умови експлуатації; застосувати більш сучасні технології, зокрема термічної обробки у вакуумі, лазерного поверхневого зміцнення, методи порошкової металургії, тощо.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ РУЙНУВАННЯ КРИСТАЛІЧНИХ ТА АМОРФНИХ МАТЕРІАЛІВ

 

Мета роботи: провести порівняльні дослідження структури, фізико-механічних властивостей крихких та пластичних матеріалів

Загальні положення

 

Відомо, що для таких конструкцій як судна, мости, балони високого тиску, газопроводи, шлюзи, ємності для зберігання рідких газів існує небезпека руйнування, часто несподіваного. Інженерам потрібно було пройти довгий шлях повний сумнівів і катастроф, щоб переконатися в корисності власних розрахунків на міцність. Разом з тим виявилося, що такий розрахунок, який може бути здійснений тільки на основі вивчення механізму зародження та розвитку процесу руйнування може здешевити подібну конструкцію. Проте поки повністю не розкрита природа явища руйнування, проблему не можна вважати вирішеною, оскільки без знання основних закономірностей та причин руйнування не можна бути впевненим, що вжиті заходи оптимальні. Саме знання механізму та причин руйнування дає можливість створити умови, у яких вказаний процес буде неможливим.

Таблиця 1.1 - Ознаки зламу крихкого і пластичного тіла

 

Характерні ознаки	Крихке тіло	Пластичне тіло
Кристалографічний характер руйнування	Відкол	Зріз
Зовнішній вигляд зламу	Кристалічний	Волокнистий
Швидкість поширення тріщини	Висока (нестійка тріщина)	Низька (стійка тріщина)

 

До основних факторів зовнішнього впливу варто віднести температуру, час, тиск, вид напруженого стану, середовище (контакт із хімічно активною речовиною, наявність радіаційного опромінення та ін.). На характеристики пластичності та міцності впливають також конструктивні та технологічні фактори, такі як розміри твердого тіла, легування, термообробка. Вплив конструктивних і технологічних факторів пов'язаний зі структурою матеріалу, тому пояснення характеру зміни механічних властивостей вимагає фізичного підходу до розглянутого питання.

Такий підхід вперше був здійсненний академіком АН СССР Френкелем Я. І. (1894 - 1952). Ним була оцінена теоретична міцність кристала на зсув виходячи із простої моделі двох рядів атомів, що зміщуються один відносно одного під дією напружень зсуву. При цьому вийшло, що її значення становить . Для заліза в якого модуль ; теоретична міцність вийшла в 1000 разів більше реальної міцності (). Теж приблизно для міді , а , тобто в 76000 разів теоретична міцність більше реальної. Різниця в значеннях теоретичної та реальної міцності була пояснена тим, що деформація здійснюється послідовним проходженням дислокацій вздовж площини ковзання, а не шляхом одночасного зсуву по всьому кристалі (як передбачалося при розрахунку) та наявністю мікроскопічних тріщин.

При зниженні температури випробувань у таких матеріалах показник зміцнення або не змінюється, або зменшується, проте несуттєво. Незначне зниження показника зміцнення спостерігається також і у випадку підвищення границі плинності після термообробки.

Температура, як правило впливає на величину границі плинності більш сильно ніж на границю міцності, тому при низьких температурах спостерігається перехід матеріалу із пластичного стану у крихкий. Першою демонстрацією такого переходу стала опублікована в 1924 р. схема А. Ф. Іоффе, отримана за результатами випробувань кристалів хлористого натрію. Схема Іоффе була підтверджена випробуваннями багатьох матеріалів. Температура, при якій границя плинності і границя міцності стають рівними, одержала назву температури крихкості T_кр. При цій температурі руйнування відбувається при відсутності макропластичних деформацій, а при температурі нижче температури крихкості стан плинності стає взагалі неможливим.

Матеріали і устаткування

Набір зразків з крихких та в’язких матеріалів при нормальних умовах, розривна машина, обладнана піччю. Мікроскоп. Деталі після передчасного руйнування від однократного навантаження.

 

Вказівки з техніки безпеки

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

 

Таблиця 1.4 - Ознаки зламу сплаву ВТ15 у крихкому і пластичному стані при певній температурі.

 

Ознаки руйнування
Кристалографічний характер руйнування
Зовнішній вигляд зламу
Швидкість поширення тріщини

 

Зміст звіту

Мета роботи, загальні відомості.

За даними таблиці 1.2 побудувати графіки залежностей механічних властивостей від температури із застосуванням теоретичних відомостей пояснити їх характер, визначити Т_кр. Проаналізувати результати наведені у таблицях 1.3 та 1.4, описати виявлені закономірності. Зробити висновки за результатами проведених досліджень.

 

Література

1. Лахтин Ю.М., Материаловедение [Текст]: Учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – С 11…14; С.68…80.

2. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей [Текст]: Справочник под ред. В.Д. Кальнера. М.: Машиностроение, 1984. – С100…102.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

 

ОСОБЛИВОСТІ ПОШИРЕННЯ ТРІЩИН У КРИСТАЛІЧНИХ ТІЛАХ ПРИ КРИХКОМУ ТА В’ЯЗКОМУ РУЙНУВАННІ

 

Мета роботи:. Дослідити особливості поширення тріщин у кристалічних тілах при крихкому та в’язкому руйнуванні

 

Загальні відомості

 

Теорія крихкого руйнування Гріффітса добре підтверджується експериментами на аморфних матеріалах типу скла при невисоких температурах, що забезпечує досить повне гальмування пластичної деформації. Проте при переході до металів вона дає результати, які не відповідають реальності хоча їх поводження при крихкому руйнуванні якісно не відрізняється від поводження скла. Причина цієї невідповідності згідно Оровану, у тому, що пружна енергія, яка вивільнюється при рості тріщини, витрачається не тільки на утворення нових поверхонь, але й на пластичну деформацію. Тому що, біля вершини тріщини утворюються високі напруження і деякий об'єм металу завжди піддається пластичній деформації. Оскільки при поширенні тріщини у кристалі в зоні високих напружень біля її вершини будуть виникати все нові джерела дислокацій, які тріщина змусить працювати, тобто буде відбуватись пластична деформація у вказаному місці. Коли тріщина розірве метал, поверхня зламу буде пластично деформована. Тому при крихкому руйнуванні металів пластично деформований шар на поверхні зламу існує завжди. Залежно від умов його товщина може мінятися від часток мікрометра до десятків мікрометрів і більше.

Оскільки на пластичну деформацію витрачається певна робота, то товщина деформованого шару буде впливати на загальні енерговитрати, пов'язані з руйнуванням. Чим швидше поширюється тріщина, тим тонше деформований шар і тим у меншому ступені він деформований, тому що потрібно на приведення в дію дислокаційних джерел витратити певну енергію, а це потребує деякого часу.

Орован до величини (енергії поверхонь, що утворюються) у формулі Гріффітса додав ще один доданок - енергію яка витрачається на пластичну деформацію (так звана ефективна поверхнева енергія) шару матеріалу, що прилягає до нової поверхні, що утворилася

. (2.1)

де С – довжина тріщини, Е – модуль Юнга.

Оскільки на 2-3 порядка більше , то першим доданком можна нехтувати і формулу Гріффітса-Орована набуває виду:

 

(2.2)

Величина не залишається постійною в процесі росту тріщини. При поширенні тріщини, у зв’язку з ростом її довжини і відповідно підвищенням концентрації напружень, значення зменшується. Проте навіть у самих несприятливих умовах вона залишається вище . При швидкості 24 км/год за теоретичним розрахунком = . Проте тріщина з такою швидкістю рухатися не може. Її гранична теоретична швидкість становить 0,5 v звуку в металі, тобто 2,5 - 3 км/с.

Є багато експериментальних даних, підтверджуючих, що крихкому руйнуванню в кристалічних тілах передує пластична деформація, незважаючи на те, що шлях руху дислокацій безпосередньо перед тріщиною, що поширюється, може бути невеликим.

Вважається, що за утворення зародків тріщин відповідальна взаємодія дислокацій. На цій підставі був запропонований ряд можливих механізмів, (Модель Стро-Мотта, Механізм Коттрелла) деякі з яких знайшли експериментальне підтвердження.

Відповідно до моделі Коттрелла утворення мікротріщин відбувається в площині перпендикулярній до осі розтягнення. Це підтверджується експериментальними даними.

 

 

Таблиця 2.3 Вплив режиму термічної обробки, та технології виплавки Сталі 3 на температура переходу її у крихкий стан

 

Сталь	Температура переходу, ºС
Початок	Кінець
Кипляча горячекатаная	+100
Кипляча нормалізована	+40	-20
Спокійна горячекатаная	+20	-40
Спокійна нормалізована		-60

 

Примітки:

- початок переходу- при температурі вище зазначеної злам повністю в’язкий.

- кінець переходу - при температурі нижче зазначеної злам повністю крихкий.

На значення ударної в’язкості також впливає товщина прокату (табл. 2.4).

Таблиця 2.4 Значення ударної в'язкості Сталі 3 в залежності від товщини прокату

 

Товщина листа, мм	Температура випробувань,ºС
+20	-20
3 - 4,9
26 - 40

 

 

Матеріали і устаткування

Набір зразків зі зламами. Мікроскоп, лупа.

 

Вказівки з техніки безпеки

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

 

Порядок оформлення звіту

Мета роботи. Охарактеризувати основні види зламів при крихкому руйнуванні. Оцінити схильність до крихкого руйнування різних сплавів та сталей. Зробити висновки результатів даних досліджень.

 

2.8. Література:

1. Лахтин Ю.М., Материаловедение [Текст]: Учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – С 11…14; С.77…80.

2. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей [Текст]: Справочник под ред. В.Д. Кальнера. М.: Машиностроение, 1984. – С102…105.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРИЧИН ЗАРОДЖЕННЯ ТРІЩИН

РУЙНУВАННЯ

Мета роботи: дослідити причини зародження тріщин руйнування та закономірності розташування їх місць на поверхнях зламів.

 

Загальні відомості

Причиною руйнування навантажених деталей часто є наявність внутрішніх або поверхневих несуцільностей таких як – заходи, волосовини, тріщини, пористість, включення і ін. Вони часто служать місцями зародження втомного руйнування або корозійного розтріскування, внаслідок того, що вони підвищують локальні напруження (викликають концентрацію напружень) та чутливість до агресивного впливу навколишнього середовища.

Закати це прямолінійні дефекти у вигляді тонких тріщин які, як правило, проходять по поверхневі через усю довжину прокатаної заготовки.

На поперечних макрошліфах і мікрошліфах видна характерна особливість закату – розташування його під гострим кутом до поверхні металу.

На мікрошліфах характерною ознакою закату є те, що його кінець зазвичай не розгалужений і огинається волокном. Часто даний дефект заповнений окалиною, а метал його стінок зневуглецьований. Закати виявляються при зовнішньому огляді прокату або при осадці зразків у гарячому або холодному стані. Їх наявність контролюється методами неруйнівного контролю.

Волосовини можуть бути внутрішніми і зовнішніми. Дефект уявляє собою скупчення неметалічних включень, що попадають у метал, зокрема шлаки, вогнетриви, феросплави і ін. У деформованому металі забруднення витягаються уздовж напрямку деформації і утворюють ниткоподібні дефекти які називають волосовинами. На поздовжніх мікрошліфах волосовини уявляють собою рядки неметалічних включень.

При руйнуванні у зламі на наявність закату або волосовини вказує наявність плоскої ділянки, яка при візуальному огляді виглядає чорною або тьмяно-сірою і не має рельєфів руйнування. Така область (ділянка) утворюється в результаті розшаровування двох металевих поверхонь, що перебували в контакті, але не були зв'язаними (або були не міцно зв'язаними) між собою.

На рисунку 3.1, як приклад, наведено злам колінчатого валу. В даному випадку волосовина, яка знаходиться між краєм деталі і лінією вказаною стрілками, ініціювала зародження втомної тріщини.

 

 

Рисунок 3.1. Втомне руйнування щоки колінчатого валу від волосовини

 

На рисунку 3.2. показаний закат у шпильці, що утворювався під час накатки різьби. Закат послужив ініціатором корозійного розтріскування, яке привело до руйнування. Обидві поверхні сильно окислені, що свідчить про утворення даного дефекту до термічної обробки шпильки.

Тріщини. Причина зародженя висхідної тріщини і її розмір, досить важливі для встановлення критичної довжини тріщини, по досягненню якої починається її нестабільний ріст. Найчастіше до експлуатаційних ушкоджень приводять термічні тріщини, що утворюються під дією термічних і фазових напружень.

Поверхня висхідної тріщини в зламі, як правило, має міжкристалічний рельєф. Якщо тріщина розкрилася у бік зовнішньої поверхні зразка так, що в неї можуть проникати повітря, вода і ін. то вона звичайно набуває темного кольору, внаслідок окиснення. Як приклад на рисунку 3.3 показано тріщину відколу, яка має окислену поверхню.

 

Рисунок 3.2. Закат у різьбі шпильки (а), х100; (б) окисленні поверхні,х2000

 

 

а б

Рис. 3.3. Тріщина відколу (а), х100; продукти корозії на поверхні

руйнування (б), х2000

Включення, що діють як несуцільності, зокрема оксиди, сульфіди, силікати і ін. можуть ініціювати руйнування. Причиною є те, що при відносно низьких деформаціях відбувається відділення їх від матриці або руйнування самих включень, що приводить до утворення мікропор які діють як несуцільності.

Пористість, це наявність у металі дрібних порожнин найбільш часто зустрічається в литому стані матеріалу або у зварених з'єднаннях, а також залишкова пористість від зливка може зберігатися і після кування. Поверхні тріщин, що поширюються по ділянках з пористостю характеризується наявністю великої кількості дрібних поглиблень або наявністю ділянок, що мають вид дендритної структури. Поверхні руйнування по ділянках значної пористості виглядають «забрудниними» або «закопченими» через велике число дрібних пор, схожих на чорні точки.

До дефектів, що можуть ініціювати руйнування також відносяться: ліквація та несприятливе орієнтування зерен.

Дуже важливо правильно визначити місце розташування вихідної тріщини, тому що це дозволяє встановити, що ж ініціювало руйнування.

Радіальна зона зламів прямокутних зразків ширина яких значно більше товщини мають вид ялинки або шеврона. Вершини V-подібних шевронних візерунків спрямовані убік, протилежний напрямку поширення тріщини, тобто вершини вказують у той бік, у якому ймовірно розташоване місце зародження тріщини руйнування.

На місце зародження тріщини руйнування вказують лінії зупинки фронту тріщини. Місце зародження руйнування, зазвичай розташоване на увігнутій стороні кривої фронту тріщини.

На рисунку 3.4 показане втомне руйнування зуба шестірні, що відбулося з - за наявності на поверхні дефекту кування. Близько місця зародження тріщини видні лінії втоми (вказано стрілочкою). На деякій відстані видні струмкові візерунки, викликані відколом.

 

 

Рис. 3.4. Поверхня втомного руйнування зуба шестерні

 

На рисунку 3.5 зображено схему зародження та поширення подібних тріщин.

 

 

1 – поверхня зрізу; 2 – волокниста зона; 3 – зона зрізу; 4 –місце зародження тріщини руйнування

Рисунок 3.5. Схема місця зародження та поширення тріщини

 

Іноді плоска поверхня близько місця зародження тріщини руйнування безпосередньо переходить у зону повного зрізу. На поверхні зламу утворюється трикутна область, яка вказує напрямок поширення тріщини.

Зазвичай місця зародження тріщин руйнування розташовані на вільних поверхнях деталей, чому сприяє наявність концентраторів напружень та агресивне середовище.

У поверхово-зміцнених деталях руйнування в зоні з високою твердістю зупиняється в більш м'якій серцевині. У цих же деталях, що зазнають згину або крутінню місце зародження тріщини руйнування може виникнути на границі поділу між зміцненим шаром та більш пластичною і менш міцною серцевиною, у результаті концентрації напружень у місцях перепадів міцності.

Матеріали і устаткування

Набір зламів зразків і деталей, мікроскоп.

 

Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

 

Порядок оформлення звіту

Мета роботи, загальні відомості. Дати коротку характеристику основним дефектам, що можуть ініціювати зародження тріщин. Пояснити вплив виявлених дефектів на закономірності зародження тріщин. Надати рекомендації по їх усуненню. Зробити висновки щодо отриманих результататів.

 

Література

3. Лахтин Ю.М., Материаловедение [Текст]: Учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – С 8...9.

4. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей [Текст]: Справочник под ред. В.Д. Кальнера. М.: Машиностроение, 1984. – С38…45.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

 

Приклад виконання експертної роботи на тему «Дослідження причин руйнування колінчатого валу тепловозу»

Мета роботи: встановлення причин руйнування колінчатого валу дизельного двигуна тепловозу. що відпрацював половину планового ресурсу.

Загальні відомості

На ЗФЗ при штатній роботі тепловозу відбулося руйнування колінчатого валу дизельного двигуна який відпрацював менше 50 % планового ресурсу. Тому за ініціативи ЗФЗ з метою встановлення причин руйнування вказаної деталі була проведена дана робота.

 

Обговорення результатів

 

Відомо, що в умовах циклічного навантаження (характерних для колінчатих валів) руйнування відбувається тоді, коли під дією прикладених напружень в металі виникають та розвиваються тріщини.

Число циклів, необхідне для втомного зародження тріщини сильно залежить від стану поверхні, зокрема її шорсткості. Так Уодсворт [1] встановив, що в результаті зняття зі зразків шарів матеріалу товщиною 30 мк їх довговічність можна збільшувати нескінченно. Це свідчить про те, що підвищена шорсткість поверхні зменшує довговічність деталей. Очевидно, що негативний вплив підвищеної шорсткості поверхні, у першу чергу проявляється в важконапружених ділянках якими на колінчатому валі є місця шатунних шийок ослаблені отворами для подачі змащення. З огляду на вищесказане, однією із причин передчасної появи тріщин показаних на рисунку 4.2 варто вважати підвищену шорсткість поверхонь на виході із отворів. Причому, якщо поверхня шийок могла бути ушкоджена під час аварії, то низька чистота поверхні виходів із отворів, скоріше за все є браком виробника.

 

 

Рисунок 4.2 – Тріщини, що поширюються від отвору на шийці.

 

Відомо, що характер зламу залежить від структури металу і дозволяє передбачити причини руйнування деталей. Тому наступним кроком даної роботи було вивчення будови зламу. Злам даної деталі представлений на рисунку 4.3.

 

 

Рисунок 4.3 - Злам колінчатого вала, що відпрацював половину планового ресурсу.

Із цього рисунку видно, що зародження руйнування має багатоджерельний характер. Одна із втомних тріщин, імовірно, зародилася в зоні переходу від щоки до шийки колінчатого вала (позиція 1 на рис. 4.3). Друге місце зародження втомного руйнування (позиція 2 того ж рисунка) розташоване на поверхні шийки вала. Таке багатоджерельне зародження втомного руйнування, як правило, вказує на існування декількох причин, що викликали руйнування деталі.

Зародження втомної тріщини в зоні переходу від щоки до шийки, ймовірно, обумовлено концентрацією напружень, що звичайно виникає в подібних місцях. Концентрація напружень у таких зонах може значно підвищуватись при наявності рисок і металургійних дефектів. Друге місце зародження втомного руйнування може бути обумовлено здатністю тріщин у ряді випадків зароджуватися безпосередньо по границях зерен і двійників, а також субзерен. Джерелом зародження тріщини може стати і міжфазна поверхня неметалеве включення – матриця [3]. Причому якщо згідно [2] тріщини зароджуються по границях таких мікроскопічних дефектів як блоки і субзерна, то ймовірно можна припустити, що мінімальний розмір неметалічних включень, при їх формі, що сприяє зародженню втомних тріщин може бути таких же невеликих розмірів як і зазначені структурні елементи. Тому допускати наявність неметалічних включень довжиною до 4 мм., як зазначено у вимогах креслення, нам здається некоректним.

У зв'язку з вище викладеним наступним етапом даної роботи було дослідження мікроструктури матеріалу вала, що безпосередньо примикає до місця руйнування.

Поверхня нетравленого шліфа представлена на рисунку 4.4. Як видно (рис. 4.4) у зразку металу присутні неметалічні включення, на наш погляд, здатні сприяти виникненню втомних тріщин (наприклад при їхньому розташуванні в області галтелі). Причому якщо біля окремих включень зароджуються тріщини, які поширюються порівняно повільно, то у випадку скупчення неметалічних включень, показаному на рисунку 4, можливий більш швидкий розвиток магістральної тріщини шляхом об'єднання тріщин, що утворюються біля кожного окремого включення. Таким чином, наявність скупчень неметалічних включень, що виявленні в матеріалі, також могли бути однією із причин, які знизили ресурс роботи колінчатого вала.

 

Рисунок 4.4 – Скупчення неметалічних включень (´200).

 

На підвищення втомної міцності позитивно впливає наявність напружень стиснення у поверхневому шарі матеріалу. На поверхні досліджуваного колінчатого валу такого роду напруження повинні були б бути викликані азотуванням. При відносно невисоких температурах порядку 550 °С вдається одержати дрібні нітриди і концентрацію азоту достатню для істотного збільшення параметра кристалічної ґратки сталі. У результаті цього підвищується твердість і об’єм поверхневого шару. Збільшення об’єму тільки тонкого поверхневого шару викликає в ньому появу напружень стиснення.

В даному випадку (рис. 4.5) у поверхневому шарі деталі спостерігаються відносно крупні нітриди. Крім того безпосередньо під азотованим шаром знаходиться зона із структурою схожою на структуру серцевини деталі. На наш погляд доречно припустити, що така структура могла утворитися при нагріванні поверхневого шару деталі до більше високої температури ніж 550 °С. Для підтвердження цієї гіпотези вивчили зміну мікротвердості по перетині шатунної шийки колінчатого вала в напрямку від поверхні до її центра. Як видно з таблиці 1 мікротвердість азотованого шару значно нижче звичайно одержуваних значень і приблизно така ж, як мікротвердість серцевини шийки, а підповерхневий шар (від 0.85 до 5 мм.) має мікротвердість ще нижче.

 

а б в

а - поверхневий шар глибиною до 0.5 мм.

б - підповерхневий шар глибиною від 0.5 мм. до 5 мм.

в - серцевина глибиною більше 15мм.

Рисунок – 4.5. Зміна мікроструктури по перетині шийки вала. Відстань від зламу до зразка-шліфа близько 10 мм.

Таблиця 4.1. Зміна мікротвердості по перетині шийки від поверхні в глибину деталі.

 

Відстань від повер-хні, мм.		0.15	0.25	0.35	0.5	0.85	1.0	1.5	2.0
Значення Нm

 

Продовження таблиці 4.1

 

	3.0	4.0	5.0	7.0	9.0	10.0	15.0

 

Примітка:

Довірчий інтервал у визначенні мікротвердості при a=0.05 становить Нm. – ±30

 

Зниження мікротвердості поверхневого і підповерхневого шарів підтверджує гіпотезу про те, що дана деталь піддавалася поверхневому перегріванню тому що при нагріванні азотованого шару до температур, що значно перевищуючі температури азотування, (орієнтовно вище 700 °С), звичайно відбувається укрупнення нітридів і як результат зниження мікротвердості. Якщо вважати наведені міркування справедливими, то ще одну причину зниження втомної міцності колінчатого вала можна уявити у такий спосіб: при нагріванні поверхні шийок верхній шар металу розширюється і оскільки серцевина деталі холодна відбувається пластична деформація поверхневих ділянок матеріалу. При остиганні металу поверхневого шару він зменшується в об’ємі і в результаті між ним і серцевиною шийки виникають внутрішні напруження першого роду. Причому на поверхні виникають розтягувальні напруження. Вони також можуть бути додатково збільшені внаслідок виділення із кристалічної ґратки металу поверхневого шару атомів азоту. Виникнення розтягувальних напружень, внаслідок нагрівання поверхні шийок, могло бути ще однією причиною зниження терміну служби колінчатого вала.

 

Висновки:

Руйнування валу ініціювали наступні причини:...

1....

2....

3....

Матеріали й устаткування

Фотографії зламів валу тепловоза, зразки для мікроструктурних досліджень, прилад ПМТ-3, мікроскоп.

 

Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

 

Порядок оформлення звіту

 

Оформити звіт у відповідності з даним прикладом. Сформулювати висновки та рекомендації щодо усунення виявлених причин руйнування дослідженої деталі (зміна вимог на кресленні, заміна матеріалу та термообробки, застосування інших методів контролю якості матеріалу і ін.).

 

Лабораторна робота № 5

 

Приклад виконання роботи на тему «Дослідження причин зниженої стійкості мульд Запорізького підприємства»

 

Мета роботи: встановити причини зниженої стійкості мульд для розливу феросплавів Запорізького підприємства.

 

Вступ

В теперішній час із встановленням ринкових відносин споживач має можливість використовувати мульди різних підприємств, у тому числі підприємств, що в наслідок різних причин перейшли на випуск нової для них продукції та пристосували своє устаткування для виробництва різних виробів. Це може приводити до того, що чавун у виливках різних підприємств буде відрізнятися структурою, яка багато в чому визначає його властивості, а відповідно і ресурс роботи виробів [1]. Так згідно даним зазначеної роботи термічна стійкість сірого чавуну (стійкість проти утворення термічних тріщин) багато в чому визначається формою та розмірами графітових включень. У свою чергу зазначені параметри графіту залежать не тільки від хімічного складу чавуну, а і від технологічних факторів (температури перегріву та часу витримки розплаву в рідкому стані), які в свою чергу, залежать від умов кожного конкретного підприємства.

На Запорізькому підприємстві з литва кольорових металів було налагоджено виробництво мульд для охолодження феросплавів у виді чушок на ЗФЗ. Проте ресурс роботи таких виробів був значно нижчий ніж таких же виробів, що постачаються з Алчевського підприємства. Тому за ініціативи ЗФЗ з метою виявлення причин низької стійкості мульд, що постачаються у відповідності з ТУ 14-12-327-85 Запорізьким підприємством була проведена дана робота.

 

Матеріал і методика

 

Згідно ТУ 14 - 12 - 327 - 85 чавун мульд повинен мати: границю міцності >235 МПА, твердість 140... 220 НВ, хімічний склад який наведено у таблиці 5.1. Креслення мульди наведено на рисунку 5.1, а розміри та масу в таблиці 5.2.

 

Таблиця 5.1 - Хімічний склад чавунів мульд

 

Завод вироб-ник	Хімічний склад, % мас.
С	Si	Мп	Ti	Cu	Cr	S	P
Склад чавуну за ТУ 14-12-327-85	3,2-3,5	1,4-2,2	0,4-0,8	0,07-0,2	0,45-0,8	< 0,2	<0,1	<0,2
Рядова мульда	3,45	2,42	0,57	0,02	0,25	0,1	0,04	0,06
Запо-різька мульда	3,2	3,25	0,22	0,03	0,02	0,02	0,32	0,06
Алчев-ська мульда	3,82	1,56	0,39	0,02	0,04	0,05	0,13	0,05

 

Для проведення досліджень зразки вирізалися із двох ділянок мульд (вушка і ребра), що не контактували із заливаємим феросплавом і, ймовірно, зберегли структуру, що утворилася при виготовленні даних мульд. Вивчення мікроструктури проводили на нетравлених і травлених (в розчині азотної кислоти) шліфах. Хімічний склад та твердість зразків визначали користуючись стандартними методиками. Мікротвердість структурних складових визначали за допомогою приладу ПМТ-3 при навантаженні 50 г.