Втомне руйнування деталей машин
Втомне руйнування виникає при багатократному прикладенні навантаження, яке при статичній дії на деталь не викликає ніяких пошкоджень. Характерним проявом втоми є поява і розповсюдження так званих втомних тріщин, які виникають зразу, а поступово. Втомний злам має дві зони. Перша – на гладеньку поверхню і характерні концентричні лінії. Це зона поступового розповсюдження тріщин. Друга зона подібна на крихкий злам. Це зона миттєвого завершального руйнування.
Навантаження при втомному руйнуванні можуть бути такі види циклів напружень (рис.4):
1) знакозмінний симетричний;
2) знакозмінний асиметричний;
3) пульсуючий;
4) знакопостійний.
Цикл напружень характеризується:
1. максимальним і мінімальним напруженням 
і 
;
2. амплітудою 
;
3. середнім напруженням 
;
4. коефіцієнтом асиметрії циклу 
.
Останній критерій, який характеризує опір металу втомному руйнуванню є границя втоми 
, переважно використовують як основну характеристику 
. При розуміють те , при якому зразок ще не руйнується при 
(кількість циклів). Звичайно при випробуваннях назначають це число циклів N в залежності від матеріалу або призначення деталі.
Другим критерієм, яким можна охарактеризувати стійкість металу втомі є довговічність. Довговічність N – це число циклів напруження, при якому відбувається руйнування в даних умовах випробувань. Випробування на втому проводять для встановлення залежності σmax = f(N). Криву втоми найчастіше будують в координатах lgN - σmax (напівлогарифмічні координати) (рис.5).
На втомну міцність великий вплив мають такі фактори: форма і розміри деталі; наявність концентраторів напружень; матеріал; металургійні фактори; технологічні фактори; шорсткість поверхні; вид напруженого стану. Наприклад для сталі відношення границі втоми при згині , крученні 
і розтязі-стиску має вигляд:
і 
.
Практично і експериментально встановлено, що майже завжди втомне руйнування починається з поверхні деталі. Від якості поверхні залежить інтенсивність процесу втомного руйнування металу. Так, зменшення шорсткості якісної сталі при поліруванні в 2 рази підвищує її границю втоми. Структурно неоднорідні метали (наприклад чавун) на зміну шорсткості не реагують.
У випадку корозійного середовища крива 5 а) неможлива, а гілки кривої 5 б) більше стрімко наближаються до 0.
Вплив тертя при втомі може бути як негативним, так і позитивним.
1.7Корозійне та ерозійне руйнування деталей машин
1.7.1 Корозія
Біля 30% виробів з чорних та кольорових металів за рік виходять з ладу через корозійне руйнування, причому 1/3 з них втрачається повністю. Матеріальні втрати від корозії набагато більші через зниження надійності машин, ремонти та захисні міроприємства.
Корозію класифікують на такі види:
1. за механізмом процесу:
хімічна;
електрохімічна;
2. за умовами процесу:
газова;
в неелектролітах;
в електролітах;
підземна;
атмосферна;
електрична;
контактна;
щілинна;
під напруженням;
біохімічна;
3. за характером пошкоджень:
суцільна;
місцева.
Найбільш поширена в практиці роботи машин атмосферна, хімічна корозія, при якій метали безповоротно переходять в окисли, реагуючи з киснем повітря.
Слід відмітити, що утворені під час корозії окисні плівки на поверхні металу можуть тормозити подальшу корозію, наприклад Al, Zn, Ni, Be, Cu, Cr, Fe, Si.
Найбільш поширеним електролітом при електрохімічній корозії є звичайна вода. Цьому виду корозії піддаються практично усі використовувані в техніці метали. В меншій мірі це стосується Mn, Co, Ni, Mo, W , а особливо стійкою (напівблагородний метал, є мідь).
Газова корозія є частковим випадком хімічної. В промисловості цьому виду підлягають багато деталей: клапани, циліндри, поршні ДВЗ та інші деталі, що працюють при високих температурах. Опір газовій корозії визначається жорсткістю матеріалів.
Корозія в неелектролітах протікає за хімічним механізмом при дії агресивних органічних речовин (бензин, мастильні матеріали та інші). Особливо корозії цього виду підлягають деталі нафтової промисловості. Нафта має корозійні властивості через наявність у ній сірки.
Прикладом корозії в електролітах є корозія в морській воді.
Атмосферну корозію ділять на суху, вологу і мокру. Найбільш небезпечна волога корозія, особливо в індустріальних зонах, де є багато SO2.
Підземна корозія залежить від корозійних макро- і мікропар.
Електрокорозія – через блукаючі струми в ґрунті.
Контактна корозія – при різнорідних матеріалах, навіть при зварному шві.
Фізична особливо небезпечна у складних металоконструкціях (мости). Особливо чутливі нержавіючі сталі та алюмінієві сплави.
Корозія під напруженням - один з найбільш руйнівних видів. Ділять на корозійне розтріскування під дією статичних напружень і корозійну втому під дією циклічних напружень ( наприклад залізнодорожні рельси чи осі вагонів, корпуси літаків).
Біохімічна корозія – через мікроорганізми (бактерії, грибки, водорості та інші). Найбільш небезпечні є бактерії.
1.7.2Ерозія
Ерозія – поверхневе руйнування деталей машин під дією динамічних потоків рідин, газів, твердих частинок чи електророзрядів.
Ерозію ділять на такі види:
1) за механізмом руйнування:
1.1 механохімічна;
1.2 мікроударна;
1.3 термічна;
1.4 електрична;
2) за умовами протікання:
2.1 гідро;
2.2 газова;
2.3 абляція;
2.4 абразивна;
2.5 кавітаційна;
2.6 електрична.
Найбільш поширеною є механохімічна ерозія, коли енергія удару є недостатня для якихось деформацій поверхні деталі.
Інтенсивність процесу невелика, а руйнування відбувається через злущування окисних плівок. При цьому руйнуються навіть нержавіючі сталі.
Мікро ударна ерозія виникає при енергії удару, яка достатня для пластичної деформації поверхні металу.
Механізм складний і досі невивчений.
Експериментально доведено, що опір цьому виду ерозії абсолютно не залежить від інших механічних властивостей матеріалу. Наприклад, загартована високоміцна сталь, яка за всіма характеристиками краща за вуглецеву, може бути в цьому випадку гіршою.
Термічний механізм є ведучим при дії розкаленого газового струменя на металічну поверхню. При дії такого струменя на неметалічну поверхню руйнування відбувається за механізмом абляції. Ці механізми вивчені недостатньо.
Електрична ерозія – через дію електричних розрядів: дуговий та іскровий. В основі процесу руйнування – надзвичайно високі температури в розрядному каналі.
Тема2: Забезпечення надійності в процесі розробки та проектування машин
2.1Аналіз конструкції машини та технологічність конструкцій
Технологічність конструкції – це сукупність конструктивних і технологічних рішень, які забезпечують використання прогресивних технологій та організації виробництва з найменшими затратами часу, праці та матеріалів, тобто забезпечення найменшої собівартості та високої якості виробів при заданих об’ємах виробництва та умові виконання машиною всіх її функцій.
2.1.1Основні етапи забезпечення надійності в процесі розробки та проектування машин
1. Розробка технічного завдання на проектування машин. Визначаються можливості виконання вимог на надійність та узгодження норм надійності.
2. Розробка ескізного проекту. Орієнтовно розраховують конструктивну і технологічну надійність.
3. Розробка механічного проекту. Проводять попередній розрахунок надійності та вибирають оптимальний варіант конструкції. Випробовують відповідальні вузли, агрегати з аналізом технологічності.
4. Розробка робочого проекту. Уточнюють розрахунки на надійність. Складають ТУ та випробовують типові деталі.
5. Виготовлення дослідних зразків. Складають програму випробовують машини на надійність та проводять контроль надійності процесу виготовлення.
6. Випробовування на надійність, визначають остаточно кількісні характеристики надійності. Вносять норми надійності в ТУ.
7. Коректування документації. Випуск установочної партії машин. Контролюють виконання вимог з надійності.
8. Серійне виробництво. Періодичні випробовування, збір інформації з експлуатації та розробка міроприємств з її підвищення.
2.1.2Показники технологічності
Технологічні вимоги характеризуються двома групами показників. До першої групи відносять показники виробничої технологічності. Основний показник – собівартість машини, кількісні трудота матеріалоємність, якісні – технологічність деталей, заготовок, зборки та естетичність конструкції.
Друга група показників визначає експлуатовану технологічність. Основні кількісні показники – довговічність, надійність, продуктивність, якісні – якість машини, безпека праці, зручність керування та обслуговування.
2.2Вплив атмосферних та кліматичних умов на експлуатаційні властивості деталей машин
Сучасні методи захисту від корозії можна поділити на такі групи:
1. Оптимальне конструювання деталей і вузлів, які працюють в корозійних середовищах.
2. Раціональний вибір матеріалів, стійкість проти корозії.
3. Ізоляція матеріалів від прямої дії середовища використання різноманітних захисних покрить.
4. Обробка середовища з метою зменшення агресивності чи заміна середовища.
5. Використання методів електрохімічного захисту.
При проектуванні і виробництві машин необхідно врахувати вплив на довговічність атмосферних і кліматичних умов: вологи, тепло холоду, світла, пилюки, піску, пониженого і високого тиску, радіації та іншого.
Волога – корозія.
Тепло, холод – зміна розмірів, старіння, деформації.
Світло – пластмаси, резина, цинк (корозія при світлі).
Пилюка – адсорбує вологу, реагує з фарбами, знижує стійкість до тертя.
Пісок – абразивне зношування.
2.3Розрахунок деталей машин на довговічність
Довговічність в залежності від умов роботи визначається розрахунками на міцність, втому чи зносостійкість. Розрахунок на міцність – це в першу чергу визначення коефіцієнта запасу міцності:
, к0=1,3…15
К0 = 
;
К1 – коефіцієнт навантаження (статичне, динамічне, циклічне);
К2 – коефіцієнт від матеріалу;
К3 – коефіцієнт точності розрахунку і значимості деталі;
К4 – коефіцієнт надійності врахування сил (ударні навантаження);
К5 – коефіцієнт врахування металургійних та інших дефектів матеріалу;
К6 – коефіцієнт врахування концентраторів напружень;
К7 – коефіцієнт впливу кліматичних та атмосферних факторів;
К8 – коефіцієнт зміцнюючих технологій.
Основні види розрахунків наведено в курсі ДМ.
Оцінку довговічності за показниками втомної міцності та зносостійкості проводять з врахуванням конкретних умов роботи деталі, досить складне і остаточно невирішене питання.
2.4Експлуатаційні вимоги до точності, функціональної взаємозамінності деталей та механізмів машин
Функціональною називають взаємозамінність при якій в заданих границях забезпечуються економічно оптимальні експлуатаційні показники виробів шляхом встановлення зв’язків цих показників з визначеною точністю і функціональними параметрами.
Функціональні параметри діляться на:
1) геометричні (розміри, шорсткість, відхилення форми);
2) механічні і фізико-механічні (твердість, пластичність, міцність, втомна міцність тощо);
3) електрофізичні (струм, напруга);
4) світлові та акустичні;
5) хімічні та фізичні (корозія та старіння).
Функціональна взаємозамінність базується на наступних принципах:
1. Принцип уніфікації та стандартизації.
2. Принцип пріоритетності (ряди переважних значень).
3. Принцип вибору допусків, посадок і класів точності, забезпечуючи необхідний запас точності (для зносу).
4. Принцип інверсії (врахування похибок вимірювання, активний контроль).
2.5Вплив конструкційних форм, розмірів деталей машин і механізмів на надійність машин
2.5.1Захист пар тертя від абразивного середовища
Захист проводять такими шляхами: використання min зазорів в парі, ущільнювачів, очищення МОР від абразиву (ДВЗ). Використовують також додаткові швидкозмінні деталі (стальні кільця на бурильних трубах), облицювання резиною поверхонь інтенсивного зносу (термін служби до 5-10 разів).
Часто ще компенсатори зносу та деталі з регульованим зазором.
2.5.2Влив жорсткості деталей
Для зносостійкості доцільно зменшувати жорсткість (резинові, резиново-металеві вкладиші, конструктивні методи). Використовують також «плаваючі» деталі (підшипники на осі при теплових деформаціях).
2.5.3 Компенсація теплових деформацій та зносу
Особливо актуальна ця задача для прецизійних верстатів і точних приборів.
2.5.4Забезбечення ремонтної технологічності
Тема3: Методи забезпечення надійності на стадії виготовлення виробу
3.1Класифікація технологічних методів підвищення надійності деталей машин
До основних технологічних етапів, на яких формується надійність виробів машинобудування відносяться:
1) виробництво заготовок литвом, тиском, зварюванням та ін.;
2) попередня (чорнова і напівчистова механічна обробка поверхонь заготовок різанням);
3) термічна, термомеханічна, хіміко-термічна і т.д. види обробки;
4) кінцева обробка різанням;
5) обробка поверхонь заготовок методом зміцнюючої технології;
6) складання виробу.
Міцність, зносостійкість, стійкість проти корозії і т.д. властивості деталей машин, які обумовлюють надійність машини в цілому, залежать не тільки від хімічного складу сплавів, але в більшій мірі від технології виробництва деталей машин.
В машинобудуванні ще сталі, отримані при різних способах плавки (конвектора, мартенах, електропечах), а також сталі після переплавки (електрошлакової, вакуумно-дугової та вакуумно-індукційної). Найвищі експлуатаційні властивості мають сталі після переплавки, особливо вакуумної, де найменший процент кисню, азоту, водню, неметалічних включень.
Найбільш поширеними способами отримання заготовок є литво і обробка тиском. Властивості заготовок при литві залежать в основному від умов і швидкості кристалізації металу в формі, в наявності модифікаторів, які збільшують пластичність складу газового середовища при застиганні. Найкращі властивості – у вакуумі.
При обробці тиском увагу потрібно звернути на анізотропію властивостей металу. Розміщення волокон в заготовках повинно головним чином повторювати конфігурацію готового виробу і не перерізатися стінками деталі. Необхідно отримати таке розміщення волокон, щоб напруження при експлуатації співпадали з напрямками найбільш високих міцних характеристик металу.
Особливо чутливими до анізотропії є ударна в’язкість, втомна міцність, опір відриву. Границя міцності, текучості та твердості практично ізотропні.
Досвід виробництва та експлуатації машин свідчить про те, що в значній степені довговічність і надійність залежать від стану і фізико-механічних властивостей в дуже тонких поверхневих шарах деталей, де зароджуються і розвиваються процеси втомного і корозійного руйнування механічного зношування.
В зв’язку з цим надзвичайно важливе значення має викінчувальна обробка деталей, в результаті якої і формується поверхневий шар деталей машин.
На сучасному етапі роз розроблено безліч технологічних методів, які дозволяють змінювати склад і властивості поверхневих шарів до необхідних значень чи створювати шари з наперед заданими властивостями.
Більш широкого питання впливу виготовлення заготовок на надійність виробів освоєна в літературі технології металів. Відомості з цієї дисципліни приймають до уваги при виборі матеріалів і технологічних методів обробки поверхонь деталей машин.
3.1.2Класифікація
Технологічні методи обробки деталей машин можна класифікувати таким чином:
1. Зміцнення пластичним деформуванням:
1.1 Дробеструменевий наклеп.
1.2 Наклеп відцентровими зміцнюваними.
1.3 Обкочування роликами та кульками.
1.4 Зміцнювання карбуванням.
1.5 Розкочування роликами чи кульками отворів.
1.6 Дорнування і калібрування.
2. Термомеханічна обробка:
2.1 Високотемпературна ТМО.
2.2 Низькотемпературна ТМО.
3. Хіміко-термічна обробка:
3.1 Цементація.
3.2 Азотування.
3.3 Ціанування.
3.4 Дифузійна металізація.
3.5 Бурування.
4. Поверхневе гартування:
4.1 З нагріванням газовим полум’ям.
4.2 З нагріванням СВЧ.
5. Наплавлення і напилення матеріалу на робочі поверхні деталей:
5.1 Ручне дугове наплавлення.
5.2 Електродугова наплавлавка під флюсом.
5.3. Електрошлакова наплавка.
5.4 Вібродугова наплавка.
5.5 Наплавка лежачим електродом.
5.6 Індукціна наплавка.
5.7 Плазмова наплавка.
5.8 Напилення матеріалу.
6. Електролітичні покриття:
6.1 Хромування.
6.2 Сталювання.
6.3 Тверде нікелювання.
6.4 Цинкування, кадрування.
6.5 Електролітичне бурування.
6.6 Ематолювання.
6.7 Антифрикційне покриття.
6.8 Антифрикційне полірування.
7. Хімічні покриття:
7.1 Припрацювальні покриття для алюмінієвих сплавів.
7.2 Нанесення металічних покрить хімічними методами.
7.3 Сульфідування.
7.4 Розфатування.
7.5 Оксидування.
7.6 Емалеві покриття.
8. Електроіскрове зміцнення.
9. Покриття полімерними матеріалами:
9.1 Вихрове напилення.
9.2 Вібраційне напилення.
9.3 Газополуменеве напилення.
9.4 Струменеве напилення.
9.5 Контактне нанесення термоплавних полімерів.
9.6 Облицювання листовими полімерними матеріалами.
3.2Технологічні фактори, що впливають на надійність
3.2.1 Вплив якості поверхні на експлуатаційні властивості деталей машин
Експлуатаційні властивості деталей машин тісно пов’язані з якістю їх робочих поверхонь. Геометричні характеристики поверхонь деталей машин обумовлюються нерівностями, які можуть бути макро, мікро, та субмікрогеометричного порядку.
Макрогеометрія – це відхилення поверхні всієї деталі від її номінальної форми чи окремих відносно великих її ділянок.
Мікрогеометрія характеризує розміри поверхневих нерівностей на площі 1…10 мм2. Особливим видом мікронерівностей є хвилястість, яка характеризується великим періодом нерівностей (бл. 10 мм) і малою спів мірною з шорсткістю, висотою нерівності.
Відношення кроку нерівності L до їх висоти Н для шорсткості 
, хвилястості 150…500. Головним джерелом макро і мікронерівностей є завершальні операції механічної обробки.
Величина мікро нерівностей при обробці різальним інструментом залежить від режимів різання, механічних властивостей оброблювальних матеріалів, різального інструменту, жорсткості ВПІД.
Шорсткість поверхні, яку можна отримати після різних видів механічної обробки можна знайти в довідниках (наприклад "Справочник технолога-машиностроителя").
Субмікрогеометрія характеризує вид нерівностей, які виникають через недоліки тонкої структури самого металу. Його розглядають на ділянках 1…3 мкм2.
Від якості поверхні після обробки залежать умови подальшої експлуатації поверхонь деталей машин в умовах втомних навантажень, корозійних середовищ, а також збереження заданих посадок і спряження не слід звернути особливу увагу на те, що якість поверхонь немає ніякого значення для подальшої експлуатації в умовах тертя, зношування чи ерозії. При таких умовах рельєф поверхні, який отримується після обробки, швидко ще є в умовах експлуатації. Єдиною характеристикою залишається тільки субмікрорельєф.
На сучасному етапі проводяться інтенсивні дослідження зв’язку субмікрорельєфу з експлуатаційним властивостями при терті та різних видах зношування.
Крім геометричних характеристик, якість поверхні деталей машин визначається механічними, фізичними і хімічними властивостями тонких поверхневих шарів та їх напруженим станом.
Ці шари, як правило, дуже відрізняються від матеріалу всередині деталі через такі причини:
1. Особливий стан атомів поверхні, внаслідок чого є поверхнева енергія і адсорбційна активність.
2. Механічний, термічний і фізико-хімічний вплив на поверхню на завершальних і попередніх операціях технологічної обробки.
3. Механічний, термічний і фізико-хімічний, циклічний вплив на поверхню при експлуатації незалежно від технологічних операцій.
При зношуванні 2 причина в основному впливає на припрацювання вузлів тертя (первинний знос). Для нього має значення величина нерівностей, а й напрям рисок.
Найперший варіант риски перпендикулярний до напрямку взаємного переміщення в парі тертя. Тому у відповідальних спряженнях обговорюється напрямок рисок в технічних умовах.
Великий вплив на зношування мають хвилястість і макрогеометричні похибки поверхонь, причому вони не тільки збільшують первинний знос, але й різко збільшують експлуатаційний і зменшують його тривалість. Зменшуючи хвилястість та макропохибки, можна в окремих випадках підвищити термін служби з’єднання в 2 рази.
3.2.2Вплив точності механічної обробки на експлуатаційні властивості деталей машин
Крім якості поверхонь на експлуатаційні властивості деталей машин в неменшій мірі, а в багатьох випадках і в більшій впливає точність виготовлення та складання машин.
Слід звернути особливу увагу на явище наслідування похибок на різних етапах технологічного процесу. Так, точність складання залежить від точності виготовлення деталі, а вона в свою чергу від точності на усіх етапах, починаючи від виробництва заготовок. Тому питання точності повинні вирішуватися не ізольовано, а комплексно для всього процесу виготовлення машин. Приклади впливу точності на експлуатаційні властивості. Зубчасті колеса невеликої точності не можуть працювати при високих швидкостях через ударні навантаження.
3.2.3Залишкові напруження в деталях та їх вплив на експлуатаційні властивості деталей машин
Залишкові напруження – це напруження, які існують в деталі при відсутності зовнішніх навантажень. Вони повністю врівноважуються і їх дія на деталь непомітна. Але при механічній обробці, термічному чи хімічному впливі на деталь ця рівновага порушується і деталь почне деформуватися до того часу, коли знову не досягне зрівноваженого стану. Такі напруження відчутно впливають на точність лише тонкостінних нежорстких деталей.
Але вплив їх на експлуатаційні властивості ДМ значно ширший і складніший. Так, напруження стиску в поверхневих шарах деталі відчутно підвищує втомну міцність деталей при нормальних умовах експлуатації. Але при 
будь-які напруження знижують втомну міцність через те, що відбувається релаксація напружень і виникають зони шкідливих напружень розтягу, які значно зменшують втомну міцність при будь-яких умовах. Для корозійної стійкості будь-які напруження є шкідливими. Корозія виникає якраз в зонах виходу напружень в поверхневі шари і проникає там активніше. Ерозійні явища в зонах напружень досліджені слабо, але можна спостерігати тенденцію їх посилення в більшості досліджень.
Причинами появи остаточних напружень є нерівномірний нагрів чи охолодження деталі, фазових та структурних перетворень в металі (наприклад аустеніт – мартенсит) та пластичних деформацій при наклепі. На величину і розподіл напружень впливають і такі фактори, як конфігурація деталі, рівномірність нагріву, прокалюваність, величина зерна, температура відпуску.
Картина розподілу остаточних напружень в більшості випадків є невідомою, але якісну оцінку все-таки можна отримати.
В залежності від використаного технологічного методу розрізняють такі остаточні напруження: ливарні, кувальні, зварювальні, від наклепу, від обробки різання при електролітичних покриттях деталей.
Ливарні напруження виникають в заготовках з великою різницею товщини стінок. При подальшій механічній обробці таких відливок вони починають повільно деформуватися і якісно оброблена готова деталь продовжує деформуватися вже в готовій машині і призводить до її аварії. Тому стараються позбутися остаточних ливарних напружень (природне чи штучне старіння). Кувальні напруження виникають при куванні та штамповці через ту причину. Термічні – при гартуванні (захист тонких стінок, повільне нагрівання, врахування зміни форми для фінішних операцій шліфування).
Зварні напруження дуже великі і викликають деформації, які можуть бути значно більші допуску на деталях.
Відпуском як і для інших видів напружень, зняти ці напруження неможливо. Він може навпаки їх збільшити. Ці деформації можна зменшити тільки раціональним вибором технологічного процесу зварки.
При наклепі методами прокатування чи волочіння в поверхневих шарах заготовок виникають напруження розтягу, а всередині – стиску. Якщо в такій заготовці вирізати довгий шпонковий паз, то деталь деформується в протилежному напрямку. Те ж саме при обточуванні з нерівномірним припуском. Для зменшення впливу використовують відпал таких заготовок.