Часть 6. Виды повреждений

Историки любят цитировать советского «железного» наркома: «У каждой аварии есть имя, фамилия и должность». Звучит жестко, но убедительно. Применима ли эта цитата к нашей теме? Да, применима.

Действительно, у каждого повреждения двигателя есть причина, процесс развития и результат – зачастую печальный. О причинах повреждений мы говорили в предыдущих публикациях. Но тема эта нуждается в продолжении. Анализ причин повреждений и разрушений позволяет избежать негативных последствий в будущем.

Начнем с повреждений в результате механического воздействия. Внешние нагрузки создают в деталях нормальные и тангенциальные напряжения (напряжения сдвига). Если они достаточно высоки, запускается процесс разрушения детали, обычно состоящий из образования трещин, их развития, распространения, а заканчивается это разрушением – изломом.

Трещины возникают от множества причин. Это посторонние включения в конструкционном материале и неравномерность его структуры, наличие ребер жесткости, галтелей, масляных каналов, которые становятся концентраторами напряжений, повреждений поверхности в результате механической обработки, монтажа, коррозии, износа, и т.д.

В некоторых случаях развитие трещины происходит с очень высокой скоростью, вплоть до звуковой. И тогда происходит «взрывоподобное» разрушение детали. Важную роль в формировании изломов играет тип нагрузки: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение.

Различают силовое разрушение и усталостное. Силовое разрушение возникает при ударной нагрузке – здесь важна кинетическая энергия объекта воздействия, зависящая от квадрата его скорости. Либо этот тип разрушений происходит при быстрой смене статической нагрузки – например, при сдвиге или изгибе. Характеры изломов в обоих случаях будут разные.

Поверхность хрупкого излома на образце из высокопрочного чугуна. Направление разрушения – сверху вниз (деформация сдвига)

С усталостным разрушением немного сложнее. И интереснее. Здесь, как правило, вступают в действие коварные циклические нагрузки. Коварные, поскольку сразу их можно и не распознать.

Наглядный пример – коленчатый вал. Все знают, что у него есть галтели – зоны перехода от шейки к щеке. А это концентраторы напряжений! При рабочем ходе поршня коленчатый вал стремится изогнуться. В галтелях возникают растягивающие напряжения. При повороте вала на 180⁰ он изгибается в противоположную сторону, и упомянутые напряжения сменяются на сжимающие. Так происходит много раз подряд: сжимающие – растягивающие, сжимающие – растягивающие...

А на поверхности галтели есть микроскопические дефекты – шероховатости, трещины, раковины. А они есть обязательно – весь вопрос только в их размерах, то есть в классе чистоте поверхности.

 Дефекты поверхности галтели и растягивающие циклические напряжения провоцируют рост усталостной трещины

Напряжения сжатия не страшны, а вот напряжения растяжения как раз наоборот... В каждом цикле они буквально атакуют микродефекты, будто вбивая клин в растущие трещинки. Дефект растет, растет! растет!!.. и в один далеко не прекрасный момент происходит разрушение детали. И тогда механики говорят, что вал «устал».

Рост усталостной трещины приводит к разрушению вала

Важно знать, что в описанном примере участвуют и крутильные нагрузки, а также другие факторы. Для визуализации напряженно-деформированного состояния детали используется метод «видимых линий». Деталь покрывают лаком, который разрушается при деформациях. В итоге на поверхности образуются характерные линии, своеобразные «эпюры» напряжений и деформаций (см. рисунок).

Характерные линии деформации на лаковой пленке, нанесенный на коленчатый вал

Кроме того, характер разрушений зависит от конструкционного материала и технологии изготовления детали. Например, чугунный литой и стальной кованый коленчатый вал имеют различную внутреннюю структуру. Поэтому при прочих равных условиях они могут разрушиться по-разному.

Теперь о повреждениях в результате теплового воздействия. Детали и узлы двигателя работают при различных температурах – от минусовых при зимнем запуске до пиковых, превышающих 2000° C при сгорании топливной смеси. Соответственно, они подвергаются термической нагрузке, вызывающей трещины в результате перегрева, различные деформации, обгорание поверхности, нарушение работы из-за отложений нагара и многое другое.

В первую очередь это касается головки блока цилиндров (ГБЦ), цилиндропоршневой группы, клапанов и выпускных коллекторов и турбокомпрессоров. Также тепловая перегрузка может быть вызвана трением (например, в подшипниках) или слишком высокой температурой рабочих жидкостей.

Не забудем и о повреждениях, вызванных коррозией. Принято считать, что коррозия – это враг прежде всего автомобильного кузова. Это верно. Но от коррозии может пострадать и двигатель.

Коррозия – это не просто окисление металла кислородом воздуха. Это электрохимическая реакция металла с окружающей средой, при которой происходит электролитический перенос металла в результате анодной реакции. Она может привести к повреждению деталей и узлов – да такому, что их функционирование нарушится, а срок службы значительно сократится.

В двигателе коррозионные поражения грозят прежде всего деталям и узлам, которые омываются охлаждающей жидкостью, или контактируют с ней. Это «мокрые» гильзы цилиндров, водяные насосы, трубки и теплообменники (радиаторы). Поэтому в антифризы в обязательном порядке вводят антикоррозионные присадки.

Да и поработавшее моторное масло – жидкость отнюдь не «белая и пушистая». В масле скапливаются агрессивные продукты сгорания топлива, провоцирующие коррозионные атаки на металл. Недаром в композиции (пакеты) присадок для моторного масла также входят антикоррозионные присадки. Причем присадки эти разные – отдельные для цветных металлов и сплавов, и отдельные для черных (чугуна и стали).

 Продолжение следует