PRZYCZYNY PRZEDWCZESNEGO ZUŻYCIA CZĘŚCI MASZYN I NARZĘDZI

KRUCHE PĘKANIE:

• materiały mogą pękać w sposób kruchy, plastyczny lub mieszany, o odrębny sposób postrzega się pękanie zmęczeniowe

• cechy charakterystyczne:

  • nagłość, nieprzewidywalność (prowadzi do awarii)

  • pojawia się już przy naprężeniach nominalnych, nieprzekraczających granicy plastyczności

  • brak odkształceń plastycznych w strefie pęknięcia (mała wiązkość = energia potrzebna do powstania przełomu;
    metale - 100kJ/m²
    polimery - 1kJ/m²
    ceramika - 0,1kJ/m²
    szkła - 0,01kJ/m²)

• przyczyny kruchego pękania:

  • niska temperatura - dla każdego materiału istnieje temperatura przejścia w stan kruchy (najniższa dla metali krystalizujących w A1 - odporność na pękanie stali austenitycznych nawet w -100^OC, inne przestrzennie centrowane są kruche już w 0^OC)

  • duża szybkość naprężenia

  • trójosiowy stan naprężeń (zwłaszcza rozciągających), na który wpływają też działające obciążenie, wielkość elementu, istniejące w nim karby

• parametry charakteryzujące skłonność do kruchego pękania:

  • wiązkość G_c [kJ/m²]

  • krytyczny współczynnik intensywności naprężeń K_I [MPa * m^1/2] - odporność na pękanie

  • udarność - oznacza pracę potrzebną do złamania próbki z naciętym karbem przy dynamicznym obciążeniu zginającym - próba udarności sprzyja kruchemu pękaniu

• przełomy:

  • łupliwy - niewykazujący śladów odkształcenia plastycznego, zazwyczaj widoczny nieuzbrojonym okiem, często biegnie wzdłuż płaszczyzn łupliwości związanych z określonymi płaszczyznami krystalograficznymi w krysztale

  • międzykrystaliczny - następuje wzdłuż granic ziaren (najmniejsza odporność na pękanie)

  • plastyczny - znaczne rozwinięcie powierzchni i nieregularny charakter

ZMĘCZENIE

• proces zmęczenia = obciążenie + czas, obciążenie powinno mieć charakter cykliczny, typowe elementy podlegające zmęczeniu: części obracające się, drgające, wały, części silników, układów jezdnych pojazdów. Zmęczenie rozpoczyna się kiedy współczynnik intensywności K jest mniejszy od krytycznej wartości współczynnika naprężeń K_C, a poziom naprężeń nominalnych nie przekracza granicy plastyczności R_e. Z każdym cyklem materiał absorbuje kolejne porcje energii, co skutkuje uszkodzeniami w najsłabszych jego punktach lub tam gdzie poziom naprężeń jest największy (w pobliżu koncentratorów naprężeń)

• koncentratory naprężeń - powstają zarówno w wyniku projektowania elementu, na etapie procesu technologicznego (wtrącenia niemetaliczne, spawy, zawalcowania, zakucia) oraz w trakcie eksploatacji (wżery korozyjne, zarysowania, uderzenia powodujące lokalny zgniot, mikropęknięcia):

  • mechaniczne - karby - wszelkie nieregularności kształtu elementu lub zarysu jego powierzchni (makroskopowe - pęknięcia, rysy obróbkowe, nagłe zmiany przekroju; mikroskopowe - mikropęknięcia, mikrorysy powstałe przy szlifowaniu)

  • metalurgiczne - nieregularności właściwości mechanicznych (np. twarde, o ostrych krawędziach składniki struktury - wydzielenia azotków lub węglików, wtrącenia niemetaliczne)

• w przypadku zmęczenia wady "rozrastają się" aż w końcu powodują uszkodzenie materiału

• zmęczenie niskocyklowe - przy naprężeniach nominalnych przekraczających granicę plastyczności, liczba cykli powodująca zniszczenie zmęczeniowe nie przekracza 10⁴ - następuje makroskopowe odkształcenie plastyczne, potem plastyczne pękanie pod kątem 45^O do kierunku działania naprężeń - inny od klasycznego przełom

• przełomy zmęczeniowe - dwie różniące się wyraźnie części:

  • rzeczywisty przełom zmęczeniowy z miejscem inicjacji pęknięcia (ognisko przełomu) i z rozchodzącymi sie od niego liniami spoczynku (wynik zmiany kierunku rozchodzenia się pęknięcia na skutek np. przerwy w obciążeniu)

  • przełom resztkowy - powstaje gdy w wyniku postępu pęknięcia zmęczeniowego przekrój elementu zmniejsza sie na tyle, że naprężenia w pozostałej części przekraczają granicę wytrzymałości doraźnej, jego udział pozwala oszacować poziom sił działających na przekrój

ŚCIERANIE (zużycie)

• zachodzi przy współpracy dwóch lub więcej części maszyn - wzajemne przemieszczanie tych części i nacisk ich powierzchni. Zużycie skutkuje ubytkiem masy lub zmianą ich wymiarów.

• fazy: docieranie /; zużycie ustalone -; zużycie przyspieszone /

• rodzaje:

  • zużycie adhezyjne - w przypadku materiałów twardych - sczepianie się mikronierówności i odrywanie ich pod wpływem przemieszczenia

  • zużycie ścierne - mikroskrawanie (bruzdowanie) przez utlenione cząstki mikronierówności, cząstki kurzu, piasku między powierzchniami

PEŁZANIE

• polega na tym, że przy długotrwałych naprężeniach, mniejszych od granicy plastyczności, następuje ich trwałe odkształcenie (wydłużenie) a potem zniszczenie. Każdy materiał ma temperaturę granicznej, w której rozpoczyna się proces pełzania (pełzanie - funkcja naprężeń, czasu i temperatury)

• elementy procesu pełzania: ruchliwość dyslokacji (szczególnie wspinanie) i dyfuzja, oba zależne od temperatury topnienia

• fazy: etap pełzania początkowego, pełzania ustalonego (najważniejszy - szybkość większa im większa temperatura i naprężenie), pełzania przyspieszonego (kumulacja uszkodzeń struktury, pojawiają się pustki - kondensacje wakansów - które wydłużają się coraz bardziej)

• odporność na pełzanie materiałów pracujących w podwyższonej temperaturze:

  • granica pełzania - naprężenie przy którym w określonym czasie i w określonej temperaturze wydłużenie osiągnie wartość maksymalną

  • wytrzymałość na pełzanie - naprężenie przy którym nastąpi pęknięcie

• dla materiałów wielofazowych wskaźnikiem stabilności poszczególnych faz jest energia swobodna - im mniejsza tym większa stabilność. Dlatego dyfuzja is so good (do wprowadzania pierwiastków węglikotwórczych - węgliki dyspersyjne i stabilne; cementyt ssie bo ulega koagulacji)