Neville Sachs

Перевёл Котелевец А.А.

Машины не должны ломаться, и механические компоненты, такие как валы, крепежные детали, и структуры не должны выходить из строя. Но когда они выходят из строя, они могут рассказать нам, почему именно. Это может звучать немного надуманно, но эксперты говорят, что причины для более чем 90% всех производственных неудач могут быть обнаружены физической экспертизой с применением малого увеличения мощности и некоторых основных физических испытаний. Экспертиза отказа покажет направление критической нагрузки, и влияние внешних сил, таких как остаточные напряжения и коррозия. Тогда, точно зная, физические центр поломки, можно вывести зависимость, что человеческие ошибки являются скрытыми причинами этих физических поломок.

Прежде чем объяснить, каким образом диагностировать поломки, мы должны рассмотреть влияние износа на участки. Когда нагрузка ложится на участки, она искажается. В звуковом диапазоне нагрузка не является чрезмерной, напряжение не превышает допустимого напряжения текучести, и участок деформируется упруго, т.е. когда нагрузка исчезла, участок возвращается к своей первоначальной форме. Это показано на рисунке 1, диаграмма напряженно-деформированного состояния, показывающая отношения между нагрузкой и деформацией.

В удачном случае, участок работает в упругой области, площадь между исходным состоянием и состоянием текучести и будет остаточная деформация. Еще большее увеличение нагрузки приведет участок к разрыву.

На рисунке 1 показаны основные случаи нагрузки, и они применяются, когда нагрузка на участке является относительно постоянной, так же как нагрузка на стены здания или напряжение в ножках стола. Это очень разные случаи, как колебания нагрузок, например, в гидравлических цилиндрах или в шатуне автомобиля. Эти колебания нагрузки называют усталостной нагрузкой, и, когда наблюдается превышение усталостной прочности, то может развиваться трещина. Эти усталостные трещины могут медленно работать до полного разрушения. (Коррозия может значительно повлиять на усталостную прочность).

Рисунок 1.

Части машины могут разрушаться либо из-за одной силы перегрузки или от усталостных сил. Глядя на поломку визуально, можно будет сказать, какая нагрузка стала причиной вязкого или хрупкого разрушения.

Пластическое разрушение является одним из тех, где есть много зон. Как правило, пластичные участки не выдерживают нагрузки, когда они ослабевают и не могут нести необходимые нагрузки, как перегруженные вешалки пальто. Однако, некоторые пластичные участки ломаются на две части и могут быть определены, потому что есть много дефектов вокруг разрушения, подобное тому, что случится, если вы пытались дать слишком большую нагрузку на чёрный болт из углеродистой стали.

Термин "хрупкое разрушение" используется, когда участок перегружен и излом без видимых искажений. Это может произойти, потому что материал очень хрупкий, такой как серый чугун или закаленная сталь, или когда нагрузка применяется крайне быстро. Обычно пластичные участки не выдерживают тяжелых ударных нагрузок и разрушаются, как стекло.

Важным моментом о сбоях является то, что способ приложения нагрузки, т. е. направления и тип, могут быть диагностированы, смотря на отказ визуально. Трещина будет всегда расти перпендикулярно к плоскости максимального напряжения. Ниже приведены примеры разницы в появлении между пластичными перегрузками и хрупкими перегрузками.

Рисунок 2.

На приведенных выше примерах на рисунке 2, мы можем посмотреть на перегрузку и отказ, зная тип материала мы можем определить направление силы, которая привела к поломке. Общие промышленные материалы, которые включают наиболее пластичные алюминиевые и медные сплавы, стали и нержавеющие стали, которые не закаленные, большинство цветных металлов, пластмасс и многих хрупких материалов включая чугун, закаленные стальные части, высокопрочные легированные цветные металлы, керамику и стекло.

Одно замечание в том, что тип разрушения, пластичного или хрупкого должны быть сопоставлены с природой материала. Есть некоторые случаи, когда хрупкие разрушения появляются в обычных пластичных материалах. Это означает, что нагрузка была приложена очень быстро и произошли некоторые изменения в материале, такие как низкая температура хрупкости, и материал уже не вязкий.

При хрупком разрушении, разделения двух половин происходит не совсем мгновенно, но с огромной скоростью, почти со скоростью звука, в материале начинают развиваться трещины в точке максимального напряжения. Одним из результатов этого является то, что направление пути разрушения часто совпадает с направлением вращения, которое указывает на происхождение поломки.

До сих пор мы говорили о перегрузках валов, которые могут привести к немедленному, почти мгновенному, катастрофическому разрушению. Очень важным отличием является то, что усталостным трещинам требуется время, чтобы расти по всей части. В усталостном разрушении нагрузка может превышать усталостную прочность материала и инициировать трещину, которая не приведет к катастрофической поломке для миллионов циклов. Мы видели, усталостные разрушения в 1200 об/мин валов, что заняло меньше 12 часов от установки до окончательного разрушения, около 830000 циклов. С другой стороны, мы также проводим мониторинг роста трещины в медленно вращающихся валах технологического оборудования, что работало многие месяцы и более 10000000 циклов до разрушения.

Рисунок 3 показывает поведение усталостной трещины с различными зонами роста и основные физические особенности усталостной зоны. Прогрессия знаков является свидетельством того, что темпы роста изменилась трещина выросла по валу и не появляется на поверхности.

Рисунок 3.

Есть несколько сложных механизмов, участвующих в появлении усталостной трещины и как только трещина начинается, это почти невозможно остановить из-за концентрации напряжений в вершине.

Концентрация напряжений является физическим или металлургическим признаком, который увеличивает местные напряжения в некоторых случаях. Хорошим примером является вал, показаный на рисунке 4. Мы видим, что напряжение в области радиуса варьируется в зависимости от размера радиуса. Маленький радиус может резко увеличить напряжение.

Рисунок 4.

Концентрация напряжений, обозначенное символом Kt, может быть вызвано изменениями в металле, внутренними дефектами, или изменениями формы. Существует множество данных, которые показывают, что результирующее значение зависит как от типа напряжения, т. е. изгиба, кручения и т. д., и общего вида участка.

Концентрация напряжений имеет большое влияние на трещины из-за их влияния на повышение местных напряжений. Трещина может начаться исключительно влиянием эксплуатационных нагрузок и она может быть умножена на коэффициент концентрации напряжений.

Вид усталостного разрушения говорит нам, какой тип (изгиб, растяжение, кручение или их комбинации) и величина нагрузки. Чтобы понять какой тип нагрузки, посмотрите на направлении распространения трещины. Она всегда будет перпендикулярна к плоскости максимального напряжения. Четыре примера на рисунке 5 показывают четыре общих типа разрушения.

Рисунок 5.

Из рисунка 5 возникает вопрос "какой тип изгиба?" Он был в одной плоскости изгиба или он был на изгиб при кручении? Как видно на рисунке 6, глядя на вид разрушения мы снова можем определить тип нагрузки. Обратите внимание, что при вращающейся нагрузке трещины растут хаотичным образом.

Рисунок 6.

Усталостные поломки почти всегда начинаются на внешней поверхности вала на концентрации напряжений, так как местные напряжения увеличиваются. Однако, мгновенная зона (IZ) несет нагрузку в момент перед разрывом участка. Глядя на размер IZ, можно определить величину нагрузки на участке. На рисунке 7 показано сравнение легко и тяжело нагруженных валов для простого изгиба и вращательного изгиба.

Рисунок 7.

Если участок сравнительно легко нагружен, то растрескивание начнется только в одной точке и результат будет выглядеть как один из приведенных выше примеров. Однако, если вал более сильно нагружен, то трещины могут появиться в нескольких местах. На рисунке 8 мы видим эскиз вращающегося вала, который вышел из строя за несколько недель. При его осмотре вы можете увидеть, что зона излома очень мала, это означает, что не было сильной нагрузки. Кроме того, трещины идут прямо через вал, значит причиной была нагрузка на изгиб. Но если нагрузка была легкой, то почему вал сломался? Причиной является концентрация напряжений.

Рисунок 8.

Глядя на вид разрушения, вы видите серии храповиковых марок. Эти границы между соседними плоскостями разрушения, т. е. между каждой парой храповиковых марок являются источником разрушения, и эти отдельные трещины растут внутри, и в конечном итоге объединяются на одной плоскости.

Из этого можно сделать вывод, что там должны были быть значительные концентрации напряжений. Рассчитанные концентрации напряжений находятся в диапазоне от 4,0, так что напряжение на участке происхождения было в четыре раза больше, чем это должно было быть.

С помощью этой информации от типа нагрузки и величину нагрузки, мы можем начать смотреть на некоторые поломки и диагностики, откуда они пришли. Ниже приведены некоторые примеры поломок и объяснение их причин.

Поломка крутильной усталости в результате свободной посадка концентратора. Обратите внимание на тяжелые (от слабости) трещины вала.

Усталостное разрушение на изгиб при кручении вала двигателя. Обратите внимание на маленькую мгновенную зону, которая показывает, что вал был легко нагружен в момент отказа.

Прослеживая последовательность отказа, мы видим отказ начался в углу паза. Но, мгновенная зона крошечная. Это указывает, что вал было очень нагружен на момент исследования и дальнейшее исследование не требуется.

Впечатляющее хрупкое разрушение крупного универсального сустава. Тот факт, что поверхность имеет равномерную шероховатость говорит нам, что это было мгновенное разрушение.

Свидетельство неумелого ремонта. При ремонте вала никогда не должны были применять сварку. Четыре недостатка сварки валов инициировали усталостное растрескивание очень тяжело нагруженного вала.

Типичная поломка изгибом. Умеренные размеры мгновенной зоны. Изгиб при кручении, происхождение отказа смотрят на валу.

Опасная явная поломка изгибом.