Трещина напряжения в металле

Обновлено: 17.05.2024

Усталостные трещины в этом композите зарождаются не на поверхности раздела матрица - волокно, а в местах выхода матрицы на поверхность образца. Если дислокации матрицы при скольжении пересекают поверхность раздела и армирующую фазу, то они перерезают упроч-нитель по минимальному размеру сечения. Напротив, скопление скользящих дислокаций матрицы у поверхности раздела может привести к концентрации напряжений и разрушению волокна. И тот и другой механизмы оставляют возможность для дальнейшей деформации матричной фазы. [2]

Усталостные трещины в металлах почти всегда возникают на свободных поверхностях, и поэтому усталостная прочность металлов очень чувствительна к поверхностным дефектам. В металлах, армированных волокнами, усталостные трещины могут зарождаться в двух основных местах: на свободных поверхностях и на границах раздела волокна и матрицы. От свойств волокна и границы раздела волокна и матрицы зависит, будут ли последние служить местами зарождения усталостных трещин или нет. Высокопрочные хрупкие волокна, имеющие малую деформацию разрушения и большой статистический разброс прочности на разрыв ( см., например, [50]), могут разрываться при растяжении в произвольных слабых точках по всему композиту. Каждый такой разрыв волокна является возможным местом зарождения усталостных трещин в металлической матрице. Затем там в результате локальной концентрации напряжений происходит классическое явление усталости. [3]

Усталостные трещины на рис. 11, а и 11, б росли в матрице параллельно поверхности раздела, это указывает на то, что прочность связи на границе раздела превосходит прочность матрицы. [4]

Усталостные трещины могут обходить волокна, распространяясь в условиях антиплоской деформации [20, 22] ( рис. 10, е); пример этого явления показан на рис. 13 для алюминия 7075 - 0, армированного бором. Волокно бора изображается на нем в виде конусообразного сегмента. [6]

Усталостные трещины обычно зарождаются в галтелях, местах прессовой посадки, шпоночных соединений, у отверстий под смазку. На рис. 5.16 показано расположение этих участков на коренных валах некоторых шипов ШПМ. С целью выявления трещин производится профилактическая дефектоскопия валов. [7]

Усталостные трещины в металлоконструкциях и сварных швах находят магнитопорошковым или УЗ методами; износ контролируют ультразвуковой толщинометрией. Технология контроля этими методами изложена в предыдущих главах. [8]

Усталостные трещины в металле стыкуемых элементов, расположенных под головками заклепок ( радиально от отверстий), обнаруживают УЗ методом. Такие трещины начинаются обычно от заклепочных отверстий первого, второго, реже третьего ряда заклепок: эти трещины при их развитии могут распространяться до заклепочных отверстий следующего ряда, не выходя на наружную сторону. [10]

Усталостные трещины образуются в местах большего концентратора напряжений, каким, в данном случае, является внутренний шов. [11]

Усталостные трещины появляются без заметной пластической деформации. Профиль излома состоит из двух отчетливых областей: одна - гладкая и бархатистая является усталостной зоной, вторая - грубошероховатая и кристаллическая - зоной мгновенного разрушения. Первая область образуется в течение многих циклов. В результате применения переменных нагрузок поверхности усталостной трещины сглаживаются из-за трения между двумя поверхностями трещины. Та часть материала, которая разрушается мгновенно, имеет грубую зернистую поверхность, так как износ между поверхностями трещины в данном случае отсутствует. Для деталей, изготовленных из чугуна и многих цветных металлов, усталостная зона имеет вид грубой кристаллической поверхности, а зона мгновенного действия - гладкую поверхность. [12]

Усталостная трещина всегда возникает в той точке металла, где отношение местного напряжения к пределу выносливости металла самое низкое. Обычно эти точки находятся на поверхности детали. Объясняется это тем, что прочность металла по его поперечному сечению сравнительно одинакова, а максимальное напряжение при кручении или изгибе находится в крайних волокнах. Иная картина наблюдается при наличии трещин или других металлургических дефектов внутри материала. Эти дефекты приводят к понижению прочности материала в окрестности дефекта. В результате внутри детали развивается трещина, которая распространяется как в направлении к поверхности, так и к центру детали. [13]

Усталостная трещина появляется, когда максимальные подповерхностные касательные напряжения превосходят предел выносливости материала, а развивается параллельно поверхности. В конечном итоге усталостная трещина приводит к отделению части металла и образованию оспинки выкрашивания. При реверсивном воздействии напряжений усталостные трещины развиваются по нормали к поверхности в глубь металла. В идеальной атомной решетке, свободной от приложенных или остаточных напряжений, атомы находятся в равновесном состоянии под действием внутренних сил. Однако реальная атомная решетка металлов геометрически несовершенна из-за наличия в ней местных дислокаций. Приложенные внешние силы приводят к перемещению атомов в новые положения, что вызывает пластическую деформацию и наклеп. Увеличение пластической деформации за предел текучести приводит к возникновению и развитию трещин. Масло, попадаемое в трещину, играет роль гидравлического клина, ускоряющего процесс развития трещины. [15]

трещина напряжения

Дефект поверхности, представляющий собой разрыв металла, идущий вглубь под прямым углом к поверхности, образовавшийся вследствие напряжений, связанных со структурными превращениями или неравномерным нагревом и охлаждением.

Примечание На микрошлифе трещина напряжения имеет разветвленный конец и проходит по границам зерен. Окисление и обезуглероживание в зоне дефекта происходит только при последующем нагреве.



Металлургия. Терминология ГОСТ . 2013 .

Полезное

Смотреть что такое "трещина напряжения" в других словарях:

трещина напряжения — Дефект поверхности, представляющий собой разрыв металла, идущий вглубь под прямым углом к поверхности, образовавшийся вследствие напряжений, связанных со структурными превращениями или неравномерным нагревом и охлаждением. Примечание. На… … Справочник технического переводчика

Трещина напряжения — 16. Трещина напряжения Ндп. Продольная трещина Закалочная трещина Трещина деформации Трещина охлаждения Трещина от правки Холодная трещина Термическая трещина D. Spannungsriss Е. Stress crack F. Crique de tension Дефект поверхности,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ТРЕЩИНА НАПРЯЖЕНИЯ — [stress crack] А. Трещина трубопрокатного происхождения. Дефект поверхности продольной ориентации, представляющий собой нарушение сплошности металла в виде узкого разрыва, идущего обычно вглубь, под прямым углом к поверхности, образовавшегося… … Металлургический словарь

трещина напряжения — [stress crack] трещина, нормальная к поверхности, результат напряжений, вызванных структурным превращением; Смотри также: Трещина шлифовочная трещина трещина расщепление травильная трещина … Энциклопедический словарь по металлургии

трещина — 3.8 трещина: Дефект поверхности, представляющий собой разрыв металла. Источник: ГОСТ Р 52597 2006: Прутки латунные для обработки резанием на автоматах. Технические условия … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

трещина-расщепление — [split crack] дефект торцевой поверхности металла в форме щелевидного разрыва в осевой части толстого листа; Смотри также: Трещина шлифовочная трещина травильная трещина торцевая трещина … Энциклопедический словарь по металлургии

Трещина — [crack] преимущественно двухмерный дефект нарушение сплошности материала с образованием свободных поверхностей: Смотри также: шлифовочная трещина трещина расщепление травильная трещина торцевая трещина … Энциклопедический словарь по металлургии

трещина деформации — ГОСТ 21014 88 ндп. см. трещина напряжения … Металлургия. Терминология ГОСТ

трещина от правки — ГОСТ 21014 88 ндп. см. трещина напряжения … Металлургия. Терминология ГОСТ

трещина охлаждения — ГОСТ 21014 88 ндп. см. трещина напряжения … Металлургия. Терминология ГОСТ

Дефекты термообработки. Трещины напряжения закалочного происхождения (закалочные).

Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже АС3

и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Дефекты закалки с нагревом ТВЧ и их предупреждение. Деформация. Трещины.

Хотя деформация деталей при высокочастотной закалке значительно меньше, чем при объемной, тем не менее и в этом случае она может быть причиной брака. Как и при объемной закалке, деформация связана, во-первых, с неравномерностью нагрева и охлаждения и, во-вторых, с увеличением объема стали при образовании мартенсита.

Неравномерность нагрева при высокочастотной закалке вызывается неравномерным зазором по окружности между индуктором и нагреваемой деталью. В тех местах, где зазор меньше, нагрев происходит сильнее. Такое явление называется эффектом близости. Во избежание этого проводят, как указывалось выше, вращение детали при нагреве. Вращение, однако, не дает эффекта, если сама нагреваемая деталь имеет эксцентриситет, или центры станка, в которых она устанавливается, имеют биение.

Неравномерность охлаждения вызывается неравномерной подачей воды через спрейер.

В результате неравномерности нагрева и охлаждения может произойти искривление геометрической оси при закалке цилиндрических изделий типа валов, шпинделей и т. п.

Наибольшая деформация наблюдается при односторонней поверхностной закалке, особенно в тех случаях, когда детали не обладают достаточной жесткостью, как, например, пластины. Однако даже изделия, обладающие высокой жесткостью, такие как рельсы, балки и др., но имеющие большую длину, при односторонней закалке склонны к деформации. В этих случаях уменьшение деформации может быть достигнуто снижением толщины закаленного слоя, а также закалкой обратной, нерабочей стороны пластин или балок.

Увеличение объема при высокочастотной закалке происходит только в поверхностном слое детали, где образуется мартенситная структура. Несмотря на то, что глубина закаленного слоя в большинстве случаев не превышает 2—3 мм, изменение объема даже в таком небольшом слое может привести к ощутимому и нежелательному изменению размеров детали. Например, при поверхностной закалке цилиндрической детали, при равномерном расширении слоя во всех направлениях можно было бы ожидать увеличения диаметра детали примерно, на 3 мкм на каждый миллиметр толщины закаленного слоя. Если же учесть, что в большинстве случаев увеличение объема при поверхностной закалке происходит в основном в направлении глубины слоя (по диаметру детали), то увеличение диаметра можно принять в 3 раза большим, т. е. оно составит примерно 0,01 мм на каждый миллиметр толщины слоя.

Наряду с увеличением диаметра при закалке цилиндрических деталей, особенно в тех случаях, когда длина их значительно превышает диаметр, происходит уменьшение длины. Такое уменьшение может достигать 1 % от длины закаленного участка.

Важным преимуществом высокочастотной закалки является то, что изменение объема, связанное со структурными превращениями, а значит и изменение размеров обрабатываемой детали, могут быть более или менее точно учтены.

Первопричиной появления трещин при высокочастотной поверхностной закалке, как и при обычной закалке, являются внутренние напряжения. Это все те же термические напряжения, возникающие вследствие уменьшения объема металла при охлаждении, и структурные напряжения вследствие увеличения объема стали при образовании мартенсита.

Однако условия возникновения трещин, их вид и размеры при высокочастотной закалке имеют свои характерные особенности. Сущность их сводится к следующему. Поскольку нагреву подвергается только тонкий поверхностный слой металла, то при последующем резком охлаждении он будет стремиться уменьшиться в объеме, но этому будет препятствовать лежащий под ним холодный слой металла. В результате в поверхностном слое возникнут растягивающие напряжения. До 600— 500°С нагретый металл еще сохраняет сравнительно высокую пластичность, но ниже этой температуры пластичность падает, и такие напряжения могут привести к трещинам. При дальнейшем охлаждении ниже 300— 200°С, когда в поверхностном слое образуется мартенсит, происходит увеличение объема металла, и это уменьшает растягивающие напряжения, поэтому возникшие трещины, как правило, не увеличиваются по глубине. По существу это микротрещины, которые во многих случаях могут быть удалены при последующей шлифовке.

Возникновению микротрещин способствует неравномерность охлаждения водяным душем, когда разобщенные тонкие струйки воды, попадая на закаливаемую поверхность, создают неоднородное охлаждение. Образующиеся микротрещины имеют характерное для этого случая расположение, соответствующее расположению отверстий в спрейере.

Неоднородность охлаждения уменьшается при вращении детали. Действенной мерой является также применение индукторов с коническими душирующими отверстиями. В таких спрейерах струя воды по выходе из отверстия расширяется, и при попадании на поверхность детали отдельные струи воды сливаются в общий поток. Применяемое в настоящее время в практике заводов охлаждение масляным душем — эффективное средство борьбы с трещинами.

Перейти вверх к навигации

Окисление и обезуглероживание

Такой брак характеризуются образованием окалины на поверхности стальных изделий и выгоранием углерода в поверхностных слоях (так называемое — обезуглероживание) .

Такой брак термической обработки неисправим,

но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Дефекты термической обработки стали

Нарушение в проведении термической обработки металлических изделий приводят к возникновению разнообразных дефектов.

Давайте остановимся на основных дефектах, которые могут возникать в результате термической обработки стали.

Недогрев. Недогрев стали возникает в том случае, когда сталь во время обработки нагревается до температуры ниже критической. В результате этого, к примеру, часть феррита может не превратиться в аустенит.

После охлаждения аустенит остаётся в закалённой стали, в результате этого образуется особая структура.

Перегрев. Перегрев возникает, когда сталь перегревается до температуры намного выше критической, или же в случае, когда температура находилось в норме, но была слишком долгая выдержка.

Перегрев приводит к росту зерен, а при очень сильном перегреве образуется видманштеттова структура, где пластинчатая форма ферритных участков расположены под углом друг другу, в результате чего образуются треугольники. Механические свойства стали находятся на крайне низком уровне.

Окисление и обезуглероживание. Обезуглероживание и окисление стали во время нагрева является результатом взаимодействия с газами, которые находятся в печах. В результате данного взаимодействия на поверхности стали образуется окалина (при окислении), а в результате обезуглероживания происходит выгорание углерода, что приводит к образованию структуры феррита.

Образование окалины приводят к неравномерности твёрдости металла, вызывает необходимость дополнительной его обработки, а так же дополнительной потери металла.

Результатом действия обезуглероживания является резкое снижение твёрдости и выносливости на поверхностях металла. Для предотвращения данных неблагоприятных последствий, необходимо использовать печи с контролируемой атмосферой.

Закалочные трещины. Закалочные трещины возникают при резком нагреве или охлаждении метала. Предотвращения данных дефектов достаточно просто, достаточно придерживаться правильной технологии нагрева и охлаждения стали.

Коробление. Коробление возникает в результате неравномерного охлаждения отдельных частей детали (мест), в результате этого процесса происходит изменение внешней формы.

На данный процесс большое значение оказывает, как форма детали, так и способ погружения для охлаждения.

Предотвратить образование данного дефекта возможно путём правильного режима закалки.

Пятнистая закалка. Пятнистая закалка является дефектом, который возникает при неравномерном охлаждении поверхности детали, которое осуществляется в процессе проведения закалки.

Способствовать возникновения пятнистой закалки может наличие на поверхности окалины, грязи или в соприкосновение деталей между собой.

Результатом пятнистой закалки является неравномерная твёрдость. Средством профилактики пятнистой закалки является защита поверхности детали от окалины, её очистка и правильный способ охлаждения.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения,

либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.

Дефекты, возникающие при закалке стали

Неправильно проведенная закалка вызывает ряд дефектов в метал­ле. К ним прежде всего относятся недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, деформация, коробление и трещины.

Недостаточная твердость может быть следствием заниженной температуры нагрева металла перед закалкой для доэвтектоидных марок стали; недостаточной выдержки металла при температуре за­калки; малой скорости охлаждения при закалке; перегрева металла перед закалкой для заэвтектоидных марок стали.

Для исправления этих дефектов необходимо подвергнуть сталь нормализации или отжигу с последующей повторной закалкой при соблюдении установленного режима нагрева и охлаждения.

Мягкие пятнав металле, т. е. незакаленные участки с по­ниженной твердостью, возникают из-за неоднородной исходной струк­туры или обезуглероживания поверхности. При наличии, например, в исходной структуре скоплений феррита он не успевает перейти в раствор и сохраняется после закалки. Образование на поверхности изделий обезуглероженных участков, естественно, отражается на твер­дости металла после закалки. Неоднородность структуры стали перед закалкой исправляют отжигом или нормализацией. Применение более резких охладителей позволяет иногда предупредить^ образование мяг­ких пятен при закалке.

Повышенная хрупкость стали появляется при ее закалке от излишне высоких температур. Дефект обнаруживается при рассмотрении микро­ структуры или излома стали, а также проявляется при механических испытаниях. Для устранения повышенной хрупкости производят пов­торную закалку стали по нормальному режиму нагрева.

Деформация, коробление и трещины в изделиях являются следст­вием объемных изменений и внутренних напряжений в металле при закалке.

Деформация изделий происходит в результате мартенситного пре­вращения стали после закалки. Коробление (поводка) изделий полу­чается при их неравномерном нагреве или охлаждении. Оба эти де­фекта могут быть предотвращены или значительно уменьшены равно­мерным нагревом и охлаждением изделий, применением специальных способов закалки и, наконец, правкой и шлифованием изделий после закалки.

Образование трещин можно предупредить, если правильно конст­руировать деталь, устранив в ней неравномерные переходы от толстых сечений к тонким и подвергнуть ее отжигу перед механической обра­боткой для снятия внутренних напряжений. Прерывистая и ступен­чатая закалка также способствуют предотвращению закалочных тре­щин в металле.

Образование трещин при термической обработке стальных изделий

Образование трещин при термической обработке стальных изделий

Поскольку макротрещины являются результатом воздействия напряжений первого рода, то очевидно, что их расположение и глубина распространения должны определяться распределением напряжений в объеме изделия.

Хрупкое разрушение чистых металлов и многих пластичных сплавов при комнатной температуре можно вызвать двухосным или трехосным приложением растягивающих внешних усилий; в случае сжимающих усилий металлы разрушаются от касатель­ных напряжений сдвигом, т. е. разрушаются вязко. Это справед­ливо для материалов и напряженного состояния, при котором проявляются пластические свойства материала. Хрупкие мате­риалы, к которым относится и закаленная сталь, могут разру­шаться не только от растягивающих, но и сжимающих напряже­ний, что хорошо выявляется при одноосном сжатии [50], при ко­тором разрушение происходит по направлению действующего усилия. В данном случае излом проходит перпендикулярно поперечным растягивающим деформациям, т. е. в направлении, в котором согласно понятиям теории упругости растягивающие напряжения отсутствуют. Поэтому целесообразно разрушение хрупких материалов рассматривать по отношению к деформациям растяжения.

В процессе механических испытаний при любом способе при­ложения внешних усилий, даже одноосном, образец деформи­руется в трех направлениях и, по существу, в нем всегда возни­кает объемное деформированное состояние. При одноосном ра­стяжении в направлении действующего усилия появляются де­формации растяжения, а в двух других направлениях — сжатия (фиг. 4, а). Хрупкие материалы при растяжении разрушаются перпендикулярно направлению усилия, т. е. перпендикулярно максимальной деформации растяжения.

Одноосное сжатие в направлении действующего усилия вы­зывает деформацию сжатия, но в двух остальных направле­ниях— деформации растяжения и перпендикулярно деформа­циям растяжения наступает разрушение (фиг. 4, б).

При двухосном и трехосном приложении сил растяжения или сжатия хрупкое разрушение также будет направлено перпенди­кулярно наибольшей деформации растяжения. Двухосное равно­мерное растяжение изотропных материалов может привести к одновременному разрушению образца в четырех направлениях Двухосное равномерное сжатие (фиг. 4, г) вызывает растягивание в одном направлении и разрушение возможно также в одном направлении, нормаль­ном к деформации.

Закалочные трещины могут образоваться в зоне, подвергну­той не только растягивающим, но и сжимающим напряжениям, при этом они направляются перпендикулярно максимальной де­формации растяжения.

При трехосном приложении усилий, когда в двух направле­ниях действуют растягивающие, а в одном — сжимающие напря­жения, последние должны способствовать хрупкому разруше­нию, поскольку они увеличивают деформацию растяжения (фиг. 4, д), вызываемую растягивающими усилиями.

Термическая обработка создает в изделиях объемно-напряженное состояние. В элементарном объеме очень часто возни­кает напряженное состояние, аналогичное описанному выше, когда в двух направлениях действуют растягивающие напря­жения и в одном — сжимающие. Такое напряженное состояние должно быть опасным для образования трещин.

Объемное напряженное состояние изделий характеризуется различным распределением напряжений по сечению. В одних случаях напряжения меняются по величине постепенно, в дру­гих случаях напряжения по величине и знаку изменяются резко (в пределах сотых долей миллиметра). Последнее часто наблю­дается в тонких поверхностных слоях изделия, в которых напря­жения сжатия или растяжения значительно превышают (до не­скольких раз) максимальные напряжения в сердцевине. В этом случае поверхностный тонкий слой можно рассматривать как самостоятельную зону, находящуюся в плосконапряженном со­стоянии

Макротрещины, возникающие в изделиях, должны распола­гаться в соответствии с напряженным состоянием: при напряженном состоянии во всем объеме изделия следует ожидать об­разования глубоких трещин, а при двухосном напряженном со­стоянии в поверхностном слое — образования поверхностных трещин. Многолетние наблюдения над образованием макротре­щин в изделиях, изготовляемых из высоко- и среднеуглеродистой легированной и нелегированной стали, а также низкоуглероди­стой цементуемой стали, привели к выводу, что трещины, воз­никающие в изделиях при термической обработке, также можно подразделить на две группы: глубокие и поверхностные. Каждая

группа трещин подразделяется на две разновидности: выходя­щих на поверхность изделия и внутренних. Классификация тре­щин приводится на фиг. 5, согласно которой макротрещийы, воз­никающие при термической обработке изделия, подразделяются на четыре типа. Пятым типом трещин являются микротрещины, позникающие от напряжений второго рода.

Первый тип трещин — трещины глубокие, раскрываю­щиеся от поверхности изделия (фиг. 6). Они могут быть про­дольными или изменять направление в зависимости от конфигу­рации изделия (концентраторов напряжений). Продольное на­правление трещин чаще наблюдается в тех изделиях, длина ко­торых превышает их диаметр или толщину, и даже в изделиях сложной формы. Например, на поверхности фрезы, изготовлен­ной из быстрорежущей стали (фиг. 6, а), трещины имеют раз­личные направления, но если эту фрезу сломать по трещинам, то обнаружится их преимущественное направление вдоль оси (фиг. 6,6).

Как показали наблюдения, трещины первого типа возникают в полностью прокаливающихся изделиях. В данном случае под прокаливаемостью понимается слой с мартёнситной структурой, когда твердость сердцевины изделия равна или ниже (не более чем на HRC 1—3) твердости поверхности. В этом случае в по­верхностном слое изделия возникают, как правило, растягиваю­щие напряжения, а распределение их по сечению соответствует схеме, приведенной на фиг. 5 для данного типа трещин.

Если исходить из общих представлений об образовании тре­щин, то следует предположить, что трещины первого типа могут появиться в любом слое стали, где деформация растяжения (в тангенциальном 'направлении) превосходит способность стали к удлинению при данном напряженном состоянии. Вместе с тем практически наблюдается, что наибольшая склонность к трещи­нам первого типа проявляется в образцах со сквозной прокали­ваемостью, когда на поверхности обнаруживаются преимущест­венно напряжения растяжения (фиг. 5, а). Такое напряженное состояние характерно для прокаливающихся образцов после охлаждения в воде. Очевидно, неодновременность структурных превращений, возникающая при резком охлаждении, вызывает напряжения растяжения в поверхностном слое. Логично предпо­ложить, что если под действием растягивающих напряжений в сердцевине возникают трещины, то должны встречаться хотя бы отдельные случаи, когда в изделиях обнаруживаются внутренние продольные трещины. Однако таких трещин пока не отмечалось. По-видимому, практически внутренние напряжения в сердцевине изделий, могущие вызвать деформацию растяжения в тангенци­альном направлении, достаточную для разрушения, образуются редко.

Известно, что в цилиндрических образцах после термической обработки осевые напряжения имеют, как правило, большую, а радиальные напряжения — меньшую величину. Казалось бы, и трещины должны возникать от наибольших осевых напряжений. Но в этом случае они располагались бы перпендикулярно оси, а в действительности трещины бывают направлены вдоль оси. Продольное расположение их вызывается тангенциальными на­пряжениями, хотя величина этих напряжений, как правило, не­сколько меньше осевых. Продольное расположение трещин в не­которой степени, очевидно, объясняется анизотропией свойств стали. Многие детали, а также и инструмент изготовляются из проката. Прокат, как известно, в продольном и поперечном на­правлениях имеет различные свойства. При испытании попереч­ных образцов по сравнению с продольными образцами ([50] обна­руживается понижение следующих механических свойств: пла­стичности, сопротивления отрыву, истинного сопротивления раз­рушению. В закаленной на мартенсит инструментальной стали сопротивление отрыву при разрушении поперечных образцов на 30—50% меньше, чем при разрушении продольных образцов.

Второй тип трещин — внутренние дугообразные, отли­чающиеся от трещин первого типа не только глубиной залегания, но и расположением (фиг. 5, б). Они располагаются главным образом внутри углов изделий. Если изделие имеет небольшую толщину, то трещины, располагаясь в углах, сливаются и при­нимают дугообразную форму (фиг. 7). Не исключена возмож­ность выхода внутренних трещин на поверхность изделий. Они называются внутренними потому, что берут начало из сердце­винных слоев и только вследствие перераспределения напряже­ний и повышенной хрупкости стали часто распространяются до поверхности. Внутренние трещины, не выходящие на поверх­ность после закалки, выявляются после сколов углов изделий или вершин зубьев (фиг. 7, г).

Трещины второго типа возникают в непрокаливающихся или цементованных изделиях. В таких изделиях поверхностный зака­ленный слой имеет большой удельный объем по сравнению с сердцевиной. Вследствие этого поверхностный слой стремится расшириться и подвергает сердцевину растяжению. Сам поверх­ностный слой в этом случае будет находиться под воздействием сжимающих напряжений. Распределение напряжений в цементо­ванных или непрокаливающихся образцах неоднократно исслеловалось различными авторами; оно соответствует напряженно му состоянию, схематически представленному на фиг. 5, б. Тре­щины возникают в зоне, подвергнутой растягивающим напря­жениям. Преимущественное образование внутренних трещин в

углах следует объяснить наличием в них объемных растягиваю­щих напряжений. Закаленный или цементованный слой в углах воздействует на сердцевину с трех сторон, создавая напряжен­ное состояние, затрудняющее пластическую деформацию стали и облегчающее образование трещин.

Третий тип трещин — поверхностные, проникающие ιι;ι глубину от 0,01 до 1,5—2 мм. На поверхности эти трещины имеют произвольное направление, не связанное с конфигурацией .изделия. В зависимости от глубины они по-разному выявляются на поверхности изделия.

Трещины, проникающие в глубину до нескольких сотых мил­лиметра, образуют на поверхности изделия мелкую сетку (фиг. 8, а) . При увеличении глубины трещин ячейки сетки укруп­няются, затем сетка становится слабо замкнутой (фиг. 8, б), и, наконец, при глубине около 1,0 мм на поверхности появляется несколько трещин произвольного (фиг. 8,- в) или продольного (фиг. 8, г) направления.

Трещины третьего типа образуются в том случае, когда по каким-либо причинам в поверхностных слоях возникают растя­гивающие напряжения, а способность металла этих слоев к де­формации оказывается недостаточной (см. фиг. 5, в).

Четвертый тип трещин — трещины отслаивания и сколов (см. фиг. 5, г). Для примера приведем многочисленные случаи отслаивания поверхностной корки после шлифования, а также отслаивания диффузионных слоев, полученных химико-термической обработкой. Но к тре­щинам отслаивания относится значительно более широкий круг встречающихся трещин, и расположение их вблизи поверхности изделия является частным случаем. Анализ многих изделий с трещинами отслаивания приводит к выводу, что трещины появ­ляются вследствие действия сжимающих напряжений и возни­кают от растягивающих поперечных деформаций.

Трещины отслаивания располагаются вдоль структурных зон, подвергнутых сжатию и отличающихся повышенной хрупкостью. Известна возможность такого разрушения в хрупких материалах при одноосном сжатии [50]. Однако трещины отслаивания возни­ кают только в том случае, когда напряжения от растягивающих к сжимающим переходят в очень узкой зоне, равной тысячным или сотым миллиметра, т. е. когда знак напряжений меняется в микрослоях (см. фиг. 5, г).

Обычно трещины отслаивания располагаются в структурной зоне малой толщины, напряженное состояние которой можно рассматривать как двухосное равномерное сжатие. Наглядно это можно показать следующим.

Если в зоне образования трещин четвертого типа возникает объемное напряженное состояние и, помимо напряжений двух­осного сжатия, появляются и растягивающие напряжения в тре­тьем направлении (радиальном), то они будут способствовать образованию этих трещин.

В изделии одновременно могут присутствовать глубокие и по­верхностные трещины. Пример наличия в изделии трещин пер­вого и третьего типов приведен на фиг. 12, где глубокие и боль­шие трещины появились от объемного напряженного состояния, а поверхностные и мелкие вызваны наличием дополнительного напряжения в поверхностном слое изделия. Поскольку глубокие трещины вызываются напряжениями, действующими во всем объеме изделия, то, очевидно, причину их образования следует искать в технологических условиях, влияющих на напряженное состояние объема (например, перепад температур по сечению из­делий при сквозном нагреве и охлаждении). Появление поверх­ностных трещин связано с явлениями, происходящими в поверх­ностных слоях (изменение состава стали вследствие химико-тер­мических процессов, протекающих в поверхностных слоях, рез­кий разогрев поверхности и др.).

На основании изучения причин, приводящих к образованию трещин при обработке конкретных изделий, по виду трещин можно определить технологические факторы, вызывающие тре­щины, и указать мероприятия по их устранению. Например, установлено, что в инструменте из быстрорежущей стали, нагревае­мом для закалки в соляных ваннах, поверхностные трещины вы­зываются наличием обезуглероженного слоя. Если трещины име­ют вид мелкой сетки (а следовательно, малую глубину) и рас­положены по всей поверхности изделия, то обезуглероживание произошло при нагреве в соляной ванне, а если поверхностные трещины располагаются с одной стороны (обычно на плоском инструменте), не образуют сетки, но расположены произвольно, то это указывает на неравномерное снятие припуска при меха­нической обработке. Конкретные причины образования трещин и технологические мероприятия по их предупреждению будут рассмотрены ниже.

Применяемые марки стали и условия обработки настолько разнообразны, что еще встречаются трещины, причины и техно­логические условия образования которых еще не изучены и они «не классифицируются». Например, еще не совсем ясно, к како­му типу можно отнести трещины, возникающие возле кромки изделия и направленные параллельно ей. Известны случаи об­разования подобных трещин в связи с обезуглероживанием и троститным превращением на .поверхности, и, очевидно, их сле­дует отнести к третьему типу, но для окончательной классифика­ции требуется накопление дополнительных данных.

В классификацию не включены трещины, возникающие при очень сильном перегреве стали (например, нагрев стали У12 до температуры 1200°С), когда трещины уже не имеют определен­ной ориентировки и иногда образуют сетку, видимую на поверх­ности. Образование таких трещин связано с понижением проч­ности границ зерен, и они сравнительно редко встречаются в практике. При классификации следует иметь в виду возможность появления сетки трещин вследствие сильного перегрева, в этом необходимо убедиться по структурному анализу или излому стали.

По мере изменения технологии термической обработки будут включаться новые технологические факторы и виды трещин, требующие специального изучения.

Подрезы (переходы сечений) увеличивают склонность изде­лий к образованию трещин, изменяют их направление (фиг. 13) „ но влияние технологических и металлургических факторов сохра­няется для всех четырех типов трещин. Поэтому все общие зако­номерности, относящиеся к образцам или изделиям простой формы без резких переходов в сечении или подрезов, в равной степени относятся к изделиям сложной формы.

Пятый тип трещин — микротрещины, в отличие от пе­речисленных выше трещин, возникающих от напряжений перво­го рода, образуются под действием микронапряжений или на­пряжений второго рода (см. фиг. 5, д).

Поскольку напряжения второго рода действуют в пределах микрообъемов и дезориентированы, они должны вызвать трещи­ны, также распространяющиеся на микрообъемы и тоже дезориентиро­ванные.

На возможность образования . микротрещин в стали указывается многими авторами. К этому типу от­носятся трещины, которые различи­мы под микроскопом и располагают­ся в пределах игл мартенсита или одного и нескольких зерен. В быстрорежущей стали, согласно данным.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

На микрошлифе трещина напряжения имеет разветвленный конец и проходит по границам зерен. Окисление и обезуглероживание в зоне дефекта происходит только при последующем нагреве. Возникающая на поверхности трещина может углубляться. [4]

Для элементов с трещинами напряжения в бетоне для стадии эксплуатации можно приближенно определить, используя гипотезу плоских сечений, линейный закон деформирования бетона и арматуры, учитывая работу бетона в растянутой зоне между трещинами и пренебрегая работой растянутого бетона в сечении с трещиной у ее вершины. Такая методика является предпочтительной по сравнению, например, с расчетной схемой, основанной на прямоугольной эпюре в бетоне сжатой зоны, так как в данном случае нас интересуют максимальные сжимающие напряжения в бетоне. [5]

Отсюда следует, что с ростом длины трещины напряжения в концевой области растут. [6]

Непосредственно разрыв наступает при возникновении в вершине хотя бы одной опасной трещины напряжения , соответствующего величине теоретической прочности. Справедливость теории микротрещин была подтверждена А. Ф. Иоффе [21] в известном эксперименте с кристаллом поваренной соли. [7]

Из приведенных асимптотических формул следует, что при уменьшении расстояния от конца трещины напряжения неограниченно растут и при г 0 напряжения равны бесконечности. Однако ясно, что задолго до бесконечности перестает быть справедливым закон Гука и вступают в силу нелинейные зависимости между напряжениями и деформациями, развивается интенсивная пластическая деформация, а сами напряжения в конечном итоге оказываются ограниченными. [9]

Чисто коррозионный этап развития трещины равномерно ускорен, поскольку с ростом глубины трещины напряжения о в ее вершине нарастают. [10]

Vp на плоскость трещины; Ъ - раскрытие трещины, которое является функцией нормального к поверхности трещины напряжения . [11]

На поверхности профиля, включая поверхность ребер и выступов, не должно быть раскатанных трещин, трещин напряжения , рванин, прокатных плен и закатов. [12]

Важным, даже основным моментом описанного выше механизма хрупкого разрушения металлов, является достижение в устье трещины напряжения , равного теоретической прочности. Это условие будет выполнено, если по мере развития трещины последняя будет острой. В этом случае трещина так и не достигнет критического размера, хотя может распространиться на все сечение. Такое разрушение является вязким. [13]

На поверхности прутков и полос подгруппы а не должно быть раскатанных и раскованных пузырей, загрязнений, трещин напряжения и шлифовочных, закатов и заковов, прокатных плен. Дефекты должны быть удалены пологой вырубкой или зачисткой, глубина которой не должна превышать допуска на размер. Допускаются без зачистки отдельные мелкие риски, рябизна, отпечатки и другие дефекты механического происхождения глубиной, не превышающей половины допуска на размер. [14]

При постоянной, или монотонно возрастающей нагрузке в материале создается такое распределение нормальных растягивающих усилий, что вдоль кромки трещины напряжения оказываются повышенными. Концентрация напряжений особенно велика. Когда локальные напряжения превышают локальную прочность материала у вершины трещины, может начаться катастрофически быстрой рост трещины вплоть до полного разрушения материала детали. Обычно резкое ускорение распространения трещины возникает после того, как длина трещины достигает критического значения / кр. [15]

Читайте также: