|
Категория
прочности
|
σ0,2,МПа
|
σв,
МПа
|
δ5,
%
|
ψ,
%
|
KCV(20),
Дж/см2
|
|
КТ50
|
500
|
700
|
17
|
40
|
60
|
|
КТ60
|
590
|
750
|
17
|
40
|
55
|
2. Факторы разрушения
Опыт эксплуатации конструкций различного
назначения, в том числе морских и речных судов, показывает, что их надежность в
процессе работы в существенной степени зависит от прочности и долговечности
конструктиных элементов. Известно, что подавляющее большинство конструктивных
элементов при эксплуатации воспринимают переменные во времени нагрузки, которые
являются основным условием возникновения и развития усталостного разрушения.
Это в полной степени относится к судовым гребным
валам, тем более что в этом случае процесс усталостного разрушения происходит
при одновременном воздействии на вал поверхностноактивной среды - морской воды.
Восстановление, ремонт и замена этих элементов,
особенно подводной части судна, производят только после вывода судна из
эксплуатации. Поэтому вопросы прогнозирования технического состояния таких
элементов играют важную роль в процессе эксплуатации судна и снижении
непроизводственных затрат судовладельца, связанных с простоем судна.
Гребные или промежуточные валы ломаются
относительно редко, гораздо чаще происходит их изгиб.
Естественно, что лопнувший вал не ремонтируют, а
заменяют, но во всех случаях необходимо проанализировать характер поломки и
выявить ее причину. Важно, чтобы поломка по той же причине не повторилась при
дальнейшей эксплуатации установки с новым валом.
Если вал сломался при ударе о подводное
препятствие и при этом его, скрутило, причем угол закрутки достигает величины
φ° = (0,3-0,5)L/d
- длина, a d - диаметр вала (см), то причина
поломки или в отсутствии предохранительной муфты или в неправильном выборе ее
срезного элемента - он слишком прочен.
Может произойти поломка вала без заметного
скручивания, а иногда и без видимых внешних причин, причем излом проходит под
углом примерно 45° к оси вала и имеет зернистую структуру. В таких случаях
причиной излома, как правило, является трещина, проходящая в районе шпоночных
пазов или уступов.
Возникновение трещин объясняется действием
усталостных напряжений, появляющихся, когда вал передает помимо основного
постоянного крутящего момента от двигателя к винту еще какие-то дополнительные
моменты, периодически меняющие направление.
Такие знакопеременные нагрузки возникают,
например, из-за неравномерной работы двигателя (чем меньше число цилиндров, тем
неравномерность больше) или перебоев в работе одного из цилиндров;
из-за неравномерного износа или низкого качества
изготовления зубчатых передач;
из-за неправильной установки карданных шарниров;
из-за появления сил, периодически действующих на
каждую из лопастей при пересечении ею следа от кронштейна или дейдвуда либо при
прохождении вблизи днища и у кронштейна;
из-за плохой центровки или изгиба вала <#"788242.files/image005.gif"> (F выражена в H);
(F выражена в кгс).
Поверхность образца должна быть плоской и
гладкой.
Шероховатость поверхности образца
(или площадки на изделии) Ra должна быть не более 2,5 мкм. Образец должен быть
подготовлен таким образом, чтобы не изменялись свойства металла в результате
механической или другой обработки, например, от нагрева или наклепа.Испытание
проводится следующим образом: вначале подводят образец к индентору
<#"788242.files/image007.gif">
[1].
Рисунок 3 - Схема вдавливания индентора в тело
заготовки
3.2 Испытание на растяжение
Испытание на растяжение материалов проводят в
соответствии с ГОСТ 1497-84. Стандарт устанавливает методы статических
испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре
20°С пределов пропорциональности, упругости, текучести, временного
сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения,
модуля упругости, являющихся критерием качествами необходимыми для
конструкторских расчетов.
Для испытаний применяют плоские и цилиндрические
образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов
регламентированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому подобию
и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется
соотношение начальной рабочей длины l0 и исходного диаметра d0: l0= 5d0-
короткий образец, l0= 10d0 - длинный образец [1]. Цилиндрические образцы
изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной
l0 и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рисунок 4).
Рисунок 4 - Цилиндрические и плоские образцы до
(а) и после (б) испытания на растяжение
Растяжение образца проводят на специальных
машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение
длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать
изменение длины образца при увеличении нагрузки (рисунок 5), т.е. первичную
диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и
абсолютное удлинение образца А, мм.
Рисунок 5 - Диаграмма растяжения образца
На этой диаграмме можно выделить четыре зоны: ОА
- зона упругости; АВ - зона общей текучести; ВС - зона упрочнения; СД - зона
местной текучести (разрушения). Из диаграммы можно определить механические
характеристики материалов, если ее перестроить в координатах 
(рисунок
6).
Рисунок 6 - Механические характеристики
материалов
Различают следующие механические характеристики:
- предел
пропорциональности - это наибольшее напряжение, до которого материал
подчиняется закону Гука - р;
- предел упругости
- это наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных
деформаций - е;
- предел
текучести- это напряжение, при котором происходит рост деформации без
увеличения нагрузки - s;
σ 0,2- предел текучести
условный;
- предел прочности
- b;
Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и
текучести соответствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от
l0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют
путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на
площадь первоначального поперечного сечения F0 рабочей части испытуемого
образца:
Площадь поперечного сечение 
определяется
по следующим формулам:
для цилиндрического образца
F0 = πd02/ 4
где 
-
первоначальная толщина; 
- первоначальная
ширина образца.
В точке k устанавливают напряжение сопротивления
разрушению материала.
Предел пропорциональности и предел упругости
определяют с помощью тензометра (прибор для определения величины деформации).
Предел текучести физический и условный рассчитывают, находя нагрузку по
диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для
вычисления условного предела текучести необходимо провести графические
построения на диаграмме (рисунок 7). Вначале находят величину остаточной
деформации, равную 0,2 % от l0, далее отмечают отрезок на оси деформации,
равный 0,2 % от l0, и проводят линию, параллельную пропорциональному участку
диаграммы растяжения, до пересечения с кривой растяжения.
Рисунок 7 - Определение предела текучести
Нагрузка 
соответствует
точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характеризуют
способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление
малой пластической деформации.
Предел прочности можно подсчитать, используя
показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке 
при
разрыве либо найти (Рв) по первичной
диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких
материалов существенно различается.
Все рассчитанные таким образом величины являются
характеристиками прочности материала.
Пластичность, т.е. способность деформироваться
без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на
разрыв определяют следующие характеристики пластичности:
относительное удлинение:
относительное сужение
где 
,
-
соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сечения образца после
разрыва [1].
3.3 Усталостные испытания
При циклических нагрузках в исследуемом образце
происходит постепенное накопление повреждений, приводящих к изменению свойств,
образованию трещин, их развитию и разрушению. Этот процесс называют усталостью.
Параметрами циклического нагружения являются: среднее напряжение цикла 
,
амплитуда напряжения 
, частота циклов f
(или период Т цикла), коэффициент асимметрии 
.
Цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения равны, но противоположны
по знаку, называется симметричным (
)
Схема нагружения (рисунок 8) должна в той или
иной мере воспроизвести в образцах напряженное состояние, характерное для
эксплуатационных условий работы детали, так как от соотношения касательных и
нормальных напряжений зависят сопротивление усталостному разрушению и характер
разрушения.
Рисунок 8 - Схема изменения нагрузки при асимметричном
знакопостоянном цикле
Характеристиками сопротивления усталости
материала являются;
предел выносливости 
-
максимальное напряжение цикла с коэффициентом асимметрии R, соответствующее
заданному (базовому) числу циклов напряжения;
предел выносливости при симметричном цикле 
;
циклическая долговечность N - общее число циклов,
выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины
определенной протяженности или до усталостного разрушения.
Для определения предела выносливости испытывают
10 - 15 одинаковых образцов. Для первого образца максимальное напряжение обычно
составляет 0,750
. Определяется
число циклов нагружения, которое он выдерживает до разрушения N 1. Напряжения при
испытании второго образца назначаются в зависимости от N 1: при N1 < 2 - 105 s 2 = s1 - 20 МПа; при N1 > 2 - 10 5 s2 = s1 + 20 МПа. Максимальное
напряжение цикла для каждого последующего образца понижается на 8 - 12 % до тех
пор, пока образец не выдержит без разрушения базовое число циклов нагружения.
Уточнение предела выносливости производится при
испытании нескольких других образцов, для которых 
На уровне предела выносливости должно быть
испытано не менее трех образцов. По результатам испытаний строится кривая
усталости (рисунок 9), называемая кривой Веллера.
Рисунок 9 - Кривая Веллера
гребной вал динамический испытание
3.4 Коррозионная усталость
Вследствие коррозионной усталости разрушаются
гребные винты и валы морских судов, детали самолетов, тепловозов, автомобилей,
а также бурильные трубы, лопатки компрессоров и турбин реактивных двигателей,
паропроводы, водопроводы и другое оборудование. Этот вид разрушения чрезвычайно
распространен и встречается практически во всех отраслях промышленности.
Коррозионная усталость
<#"788242.files/image042.gif">
Рисунок 10 - Схема образца для
ударных испытаний.
Испытание на ударный изгиб проводят
на маятниковых копрах с предельной энергией, не превышающей 300 Дж (рисунок 11,
а). Копер имеет тяжелый маятник 2, который
свободно качается вокруг его оси. При помощи защелки маятник может быть
установлен на разной высоте Маятник копра закрепляется в исходном верхнем
положении. По шкале фиксируется угол подъема маятника α. Если защелку
освободить, то маятник упадет и взлетит по инерции на такую же высоту, на
которую он был поднят (трение на оси вращения минимальное). Если на пути
падения маятника встретится препятствие в виде образца, он часть энергии
падения затратит на преодоление этого препятствия, и маятник уже взлетит на
меньшую высоту, он поднимется относительно вертикальной оси копра на угол β. Образец
устанавливают на пути падения маятника на две опоры станины копра надрезом в
сторону, противоположную удару маятника (рисунок 11, б). Падая, маятник
изгибает образец и ломает его [1].
Общий запас энергии маятника будет
расходоваться на изгиб и разрушение образца, а также на последующий взлет
(рисунок 11, в).
Если из общего запаса энергии
маятника вычесть часть, затраченную на взлет после разрушения образца, то
получится энергия или работа удара, затраченная на излом образца.
Работа удара К, Дж/см2, затраченная
на излом образца, определяется из разности энергии маятника в положении его до
и после удара: где Р - вес маятника, Н (кгс); Н - высота подъема маятника до
удара, м; h - высота взлета маятника после удара, м.
Высоты Н и h можно определить, зная
длину маятника и его углы подъема и последующего взлета b:
Отсюда
где P и L для данного копра -
величины постоянные. Углы a и b определяют по шкале прибора. На практике, для
того чтобы не вычислять К по вышеприведенной формуле, пользуются специальными
таблицами, в которых для каждого угла β приведена величина работы
удара К.
Основной характеристикой, получаемой
в результате ударных испытаний, служит ударная вязкость, обозначаемая КС.
Ударная вязкость - это работа, израсходованная на ударный излом образца,
отнесенная к площади поперечного сечения образца в месте надреза:
,
где F - площадь поперечного сечения
образца в месте надреза, см2.
Ударная вязкость - это сложная,
комплексная характеристика, зависящая от совокупности прочносных и пластических
материалов [2].
Испытания на ударный изгиб позволяют
установить ряд ценных свойств материала; его способность выдерживать ударные
нагрузки, склонность к хрупкому разрушению, чувствительность к надрезам.
Рисунок 11 - Схема маятникого копера
и схема ударного испытания на изгиб: а - маятниковый копер; б - схема установки
образца; в - схема испытания: 1 - станина; 2 - маятник; 3 - шкала; 5 - ремень
ручного тормаза; 6 - рычаг ручного тормоза
Заключение
Важнейшей частью контроля изделий в
машиностроении является проведения физико-механических испытаний. В данной
работе был рассмотрен составная часть валопровода - гребной вал. Так как
эксплуатация детали происходит в изменяющихся условиях, то необходимо
обеспечивать высокий уровень механических свойств. Испытания производятся по
следующим факторам разрушения: изгиб, усталостное разрушение, скручивание.
Следующие методы контроля представленные выше: испытания на растяжения,
усталостные испытания, коррозионная усталость, динамические испытания на изгиб
образцов с надрезом.
Список литературы
1. Золотаревский
В.С. Механические свойства металлов 3-е изд., перераб. и доп. - М.: МИСИС,
1998. - 400 с.
2. Определение
коррозионной стойкости // ADIO.SU [электронный ресурс].
<URL:http://www.adio.su/content/view/154/155/%20>
. ГОСТ
8536-79 Заготовки судовых валов и баллеров рулей. Технические условия. - М.:
Стандартинформ, 2004. - 31 с.
. ГОСТ
9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и
повышенных температурах. - М.: Стандартинформ, 2003. - 13 с.
. Бернштейн
М.Л. Механические свойства металлов / М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. - М.:
Металлургия, 1979. - 268 с.
. Материаловедение
/ Б.Н. Арзамасов [и др.]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 648 с.
. Иванова
В.С. Разрушение металлов / В.С. Иванова. - М.: Металлургия, 1979. - 168 с.