Процеси контактної взаємодії та циклічна міцність металів при фретингу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Сучасний рівень розвитку техніки ставить підвищені вимоги до якості, надійності та довговічності вузлів та деталей машин. Аналіз експлуатаційних пошкоджень номінально нерухомих з'єднань машин показує, що в значній кількості випадків вони виходять із ладу із-за фретинг-пошкоджень. Багаточисельні випадки руйнування деталей, на яких розвивається фретинг-корозія, показують, що закладені в конструкції геометричні концентратори напруження (шпонкові канавки, отвори, галтелі) можуть в меншій мірі знижувати втомну міцність деталі порівняно з фретинг-корозією. Однак у розрахунках деталей на циклічну міцність конструкторами за звичаєм не враховується можливість появи у з'єднані, що проектується, фретинг-корозії. Внаслідок цього реальна міцність деталі може бути набагато нижчою, ніж межа витривалості, що приймається.

Використання відомих методів підвищення фретингостійкості елементів конструкцій не завжди є можливим і ефективним.

Дослідження втомної міцності матеріалів в умовах фретинг-корозії є актуальною задачею, вирішення якої сприятиме забезпеченню надійності і довговічності сучасної техніки. Суттєвий вклад у вирішення проблеми фретинг-корозії і, зокрема, фретинг-втоми, внесли Р.Б. Уотерхауз, І.А. Одинг, В.С. Іванова, М.Л. Голего, А.Я. Аляб'єв, В.В. Шевеля, В.І. Похмурський, С.Г. Костогриз, В.М. Степанов, Г.Н. Філімонов, Л.Т. Балацький, Г.В. Цибаньов та інші, якими було запропоновано низку гіпотез про природу фретинг-корозії; досліджено вплив різних факторів на інтенсивність розвитку пошкодження; показано вплив фретинг-корозії на втомну міцність матеріалів; запропоновано методи запобігання фретинг-корозії. Однак проведених досліджень та відомостей про природу фретинг-втоми недостатньо для повного розуміння і пояснення даного явища, до того ж результати, що є на сьогодні, часто суперечливі і недостатньо систематизовані, а це створює труднощі при розробці методів щодо запобігання або зниження прояву цього негативного явища.

Актуальність роботи визначається тим, що проблема забезпечення фретингостійкості ще не вирішена і потребує нових підходів до її рішення. Необхідність даних досліджень підтверджується відповідністю питань, що піднімаються і вирішуються у роботі, програмам розвитку науки і техніки України і виявляється в удосконаленні направлення дослідження фретинг-корозійних процесів при руйнуванні матеріалів і перспективністю розвитку даного направлення для науки і практики, в установленні наукових закономірностей та ефектів, на основі яких розроблено засоби, що підвищують надійність і довговічність вузлів тертя машин.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи.

Вивчення фізико-механічних аспектів фретингостійкості металів та підвищення працездатності трибосистем, що функціонують в умовах вібрації та циклічного навантаження, шляхом обгрунтованого вибору матеріалів та технологічних методів зміцнювальної обробки.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені і вирішувалися наступні основні задачі:

1. Дослідити зв'язок структури конструкційних сталей з їх зносостійкістю й антифрикційністю в умовах фретингу з врахуванням впливу амплітудно-навантажувальних і температурних режимів контактної взаємодії.

2. Вивчити роль динамічних процесів і внутрішнього тертя, що контролюють релаксаційні властивості і фретингостійкість матеріалів, які входять у трибосистему.

3. Установити реологічні фактори фретингостійкості і розробити принципи вибору матеріалів за їхніми мікромеханічними властивостями.

4. Розробити математичні моделі інтенсивності зношування металів і теплових процесів в умовах фретинг-корозії.

5. Дослідити вплив зовнішніх механічних факторів на фретинг-втомну міцність конструкційних матеріалів при роздільних і комбінованих випробуваннях.

6. Вивчити механізм фретинг-втоми металів на основі комплексного дослідження непружних явищ, деформаційного зміцнення, напруженого стану і субструктурних змін.

7. Дослідити ефективність різних технологічних методів для підвищення опору металів фретинг-втомі і дати рекомендації щодо їх застосування.

1. Загальна характеристика фретинг-втомних ушкоджень деталей і вузлів машин

Проведено аналіз пошкодження авіаційних деталей фретинг-корозією і фретинг-втомою, у результаті чого підтверджена фретинг-втомна природа їхнього руйнування. Умови виникнення фретинг-корозії визначаються службовими функціями деталі, а із аналізу кінематико-силових взаємодій випливає, що фретинг може виникати як у рухливих, так і в номінально нерухомих з'єднаннях унаслідок дії вібраційних навантажень.

Показано, що зносостійкість конструкційних матеріалів залежить значною мірою від роду тертя, геометрії контакту і кінематики руху. Та сама пара тертя може проявити в одних умовах підвищену антифрикційність, а в інших умовах - повну втрату працездатності. Тому проблема вибору працездатних матеріалів для даного сполучення за їхніми фізико-механічними властивостями з врахуванням режиму тертя зберігає свою актуальність. Розглянуто методичні особливості випробувань на фретинг-втому. Приведено класифікацію основних факторів, що впливають на фретинг-втомну міцність металів, таких, як амплітуда відносного зміщення, контактний тиск, частота вібрації, кількість циклів фретингу, напружений стан поверхонь, масштабний фактор, напрямок проковзування, шорсткість, коефіцієнт тертя, навколишнє середовище, температура, електроерозійні явища й адгезія.

Стан антифрикційності і сумісності пар тертя при фретингу тісно зв'язаний з релаксаційними властивостями трибосистеми, що відповідають даному навантажувально-швидкісному і температурному режимам тертя. Трибосистема прагне повернутися в рівноважний стан, тому, чим менша власна рухливість системи (чим більший час релаксації), тим більші втрати на зовнішнє тертя. Початок схоплювання може визначатися процесами відновлення рівноважного стану. Руйнування зон адгезійних зв'язків відбувається на ділянках високої концентрації напруг. Структурні передумови антифрикційності сприяють деконцентрації контактних напруг, поверхневій локалізації і більш однорідному протіканню пластичної деформації. Антифрикційність більше пов'язана з певними мікро механічними властивостями матеріалів, аніж із характеристиками макроскопічної міцності і пластичності.

Показано, що параметри, які впливають на фретингову втому, залежні між собою, результати експериментів найчастіше суперечливі, багато явищ не мають пояснення; структурні аспекти фретинг-корозії і фретинг-втоми не вияснені; вплив фізико-механічних властивостей і природи матеріалів, що контактують, з врахуванням їх структурного стану на опір фретинг-втомі вивчений недостатньо; механізм фретинг-втомного руйнування металів не має єдиного тлумачення. На основі цього обґрунтовані і сформульовані мета й основні завдання роботи.

2. Методи випробувань на фретингзнос, фретинг-втому, методи вимірювання внутрішнього тертя, мікро пластичності, динамічної петлі гістерезису, втрат на перемагнічування

Представлені методики проведення експериментальних досліджень із попереднім ушкодженням фретингом випробуваних втомних зразків і комбінованих випробувань, коли втомна міцність визначається на зразках, що безупинно піддаються фретингу. Випробуванням піддавалися зразки з армко-заліза, сталей 45, 40Х, 30ХГСА, 40ХНМА і сплаву Д16Т. Вибір сталей і дюралюмінію визначався їхнім широким використанням у машинобудуванні, особливо в авіаційному. Армко-залізо застосовувалося головним чином як модельний матеріал із метою встановлення кореляції між раніше виявленими закономірностями розвитку фретинг-корозії і впливом останньої на втомну міцність.

Випробування проводилися при симетричному згині плоских зразків, симетричному згині з обертанням циліндричних зразків і при розтяганні-стиску циліндричних зразків.

Для проведення комбінованих випробувань на фретингову втому були використані установки на базі пульсаторів МИР-8, УРМ-2000, вібростенд ВЕДС-10 і машина для випробувань плоских зразків при чистому згині. Для випробування зразків при симетричному циклі навантаження чистим згином була розроблена втомна машина, а для проведення двоступеневих випробувань на фретинг-корозію був модернізований пристрій, відміна якого від раніше використовуваних полягає в тому, що коливальний рух цангового затискача пристрою передається не на накладки, а на втомний зразок. Для вимірювання внутрішнього тертя застосовувався резонансний метод згинальних коливань зразка, за міру внутрішнього тертя приймали логарифмічний декремент загасання власних коливань зразків. Вимірювання втрат на перемагнічування проводилося електроіндуктивним методом, що базується на вимірюванні зміни втрат на магнітний гістерезис і вихрові струми, які виникають у матеріалі під впливом змінного електромагнітного поля. Для дослідження топографії поверхонь, що отримувались у процесі зносу або втомного руйнування під дією фретингу, використовували швидкодіючу систему тривимірного сканування структури поверхні Talyscan.

При дослідженнях втомної міцності в умовах фретинг-корозії розкид експериментальних точок значно збільшується в порівнянні з чисто втомними випробуваннями, тому що ушкодження поверхні фретинг-корозією вносить додаткові випадкові фактори. Тому результати експериментів оброблялися методами математичної статистики.

3. Комплексне дослідження фізико-хімічної механіки фретинг-зносу

Показано, що неоднозначність характеру залежності пошкодження при фретингу від твердості матеріалу залежить від умов випробувань: амплітуди ковзання, навантаження, наявності мастила. Твердість не може служити структурно-чутливою характеристикою матеріалу, що контролює схильність матеріалу до пошкодження в умовах фретингу.

Пошкодження поверхонь при фретинг-корозії визначається не тільки фізико-механічними властивостями металів, але і природою їхніх окислів. В умовах підвищеної динаміки навантаження, що має місце при фретингу, важливе значення має міцність зв'язку окисної плівки з металом. Ступінь пошкодження при фретингу не обов'язково відповідає розміру коефіцієнта адгезії, навіть при відсутності супутніх корозійних і абразивних процесів. Очевидно, масштаби пошкодження (площа і глибина виривань) визначаються також схильністю адгезійного шва до зміцнення та пружно-пластичними властивостями матеріалів, що контактують.

При знакозмінному проковзуванні поверхонь, що контактують, екрануюча роль захисних плівок зводиться до мінімуму, тому що явно виражений динамічний характер контактної взаємодії порушує динамічну рівновагу утворення і руйнування таких плівок, що неминуче призводить до пошкодження поверхонь тертя. Навіть при наявності мастила перехід від граничного тертя до безпосередньої взаємодії металевих поверхонь із розвитком схоплювання представляється найбільш ймовірним. У цих умовах мінімізація процесів схоплювання або поверхнева їх локалізація повинні визначатися у першу чергу фізико-механічними властивостями пар матеріалів, які контактують, що, в остаточному підсумку, визначає сумісність поверхонь, що труться.

Фретингостійкість залежить від здатності матеріалу до релаксації динамічних напруг, а остання за фізичною природою зв'язана з рівнем внутрішнього тертя. Внутрішнє тертя, як один із механізмів дисипації механічної енергії, яка підводиться при фретингу пари тертя, є важливим фактором зниження динамічної напруженості поверхонь, що контактують. Внутрішнє тертя, що відбиває динамічні механізми релаксації, різко знижує напруги від імпульсів і ударів при зовнішньому терті. Тому проблема підвищення фретингостійкості трибосистеми в ряді випадків зв'язана з забезпеченням високого внутрішнього тертя матеріалів, що контактують.

Був вивчений зв'язок фретингостійкості металів із такою реологічною характеристикою, як мікро повзучість поверхневих шарів, виникнення якої приводить до зміни напружено-деформованого стану фрикційного контакту. Порівняння фретингостійкості ряду електролітичних покриттів (Zn, Pb, Cd, Ag, Sn) із значеннями реологічної сталої цих матеріалів при однаковій гомологічній температурі (Тг = 0,5) показує лінійну залежність між ними. Реологічна стала m характеризує схильність металу до мікро повзучості і чим більше її значення, тим вищий опір матеріалу фретинг-зносу. Це свідчить про тісний зв'язок фретингостійкості металів із їх реологічними властивостями.

Характерним є наявність максимумів зносу в районі температури відпуску 400 0С. Структура, що відповідає температурі відпуску 400 0С (троостит), має максимальну корозійну активність. У нашому випадку випробування на фретинг-корозію проводилися в середовищі низькомолекулярних вуглеводів в умовах граничного тертя. При цьому значно полегшуються умови виходу продуктів зносу з зони тертя й утруднене підведення до цієї зони кисню повітря. Встановлено, що головним процесом пошкодження при фретинг-корозії сталі є адгезійно-втомний знос. Експерименти показали, що досить потужні вузли схоплювання виникають уже на ранніх стадіях випробувань; з іншого боку, для розвитку корозійних процесів потрібен визначений час. Тому, якщо корозійні процеси при фретингу і мають місце, то вони не відіграють головної ролі, а в цьому випадку пошкодження і знос поверхонь, що контактують, головним чином визначаються процесами схоплювання. У загальному випадку схильність до схоплювання і масштаби його прояву залежать від матеріалу і структурного стану сполучених поверхонь, а також від навантажувально-швидкісних режимів тертя. Такі показники, як твердість, міцність, ударна в'язкість і т.п., що характеризують опір металу значним пластичним деформаціям, не мають достатньої структурної чутливості, і процеси, які відбуваються при фретингу в поверхневих шарах металів, не контролюються властивостями, що обумовлюють опір великим пластичним деформаціям.

У роботі відзначено, що до структурних змін, які відбуваються при відпуску сталей, високу чутливість виявляють властивості, що відповідають малим пластичним деформаціям (мікро пластичність). Показано на прикладі сталі 40Х, що структура, яка формується при температурі відпуску 400С (троостит), має максимальний опір мікро деформації, а мартенситні структури (загартування, відпуск 200С), хоча і мають максимальну твердість і міцність, виявляють низький опір мікро деформації (високу мікро пластичність).

Виходячи з приведених у розділі досліджень, випливає, що при визначених навантажувально-амплітудних режимах фретингу фактором, що контролює глибину адгезійного зносу сталі, є рівень її мікро пластичності, показниками якої можуть служити параметри мікро течії або межа пружності.

Універсальним параметром, що характеризує релаксаційні властивості металу при динамічному навантаженні, є внутрішнє тертя. Показано, що сталь у загартованому і низько відпущеному станах має підвищену фретингостійкість завдяки структурно-дислокаційній релаксації напруг (структурно-дислокаційне внутрішнє тертя). Підвищена фретингостійкість високо відпущеної сталі при жорстких режимах фретингу обумовлена магнітомеханічним внутрішнім тертям. Вплив температури відпуску на складові внутрішнього тертя залежить від рівня діючих контактних напруг. Складова внутрішнього тертя, зв'язана зі структурно-дислокаційними процесами, відіграє визначальну роль у загартованих і низько відпущених сталях, коли втрати на магнітомеханічний гістерезис дуже слабко виражені. Після відпуску при високій температурі 600С зростання внутрішнього тертя в значній мірі визначається магнітомеханічними втратами, а при підвищеному контактному навантаженні ці втрати стають домінуючими. Тому і спостерігається зміна характеру залежності сумарного внутрішнього тертя і, відповідно, величини фретинг-зносу від температури відпуску зі збільшенням контактних напруг.

Проведені дослідження свідчать про зв'язок із внутрішнім тертям не тільки зносостійкості, але і зношувальної здатності сталі, а в залежності від структурного стану термообробленої сталі та амплітудно-навантажувального режиму фретингу змінюється ведучий механізм внутрішнього тертя, який відповідальний за релаксацію напруг.

Вивчено амплітудну залежність фретингостійкості сталі в зв'язку зі зміною її релаксаційної здатності. Спостерігаємо поблизу амплітуди проковзування А = 100...150 мкм. аномальне зростання локального фретинг-зносу і коефіцієнта тертя обумовлене розвитком динамічного деформаційного старіння (ДДС), що стабілізує структуру і знижує релаксаційну здатність сталі. У зазначеному діапазоні амплітуд реалізується оптимальний температурно-швидкісний режим пере деформування зони тертя, коли швидкість руху дислокацій порівнянна зі швидкістю дифузії домішкових атомів, що призводить до блокування дислокацій і зниженню мікро пластичності. При малих амплітудах і знижених температурах переважає дислокаційно-зсувний механізм релаксації, а при підвищених значеннях амплітуди і температури - дифузійний.

Одним із найбільш потужних факторів, що впливають на реологічну поведінку твердих тіл, є температура. Виконано порівняння температурної залежності фретингостійкості ряду конструкційних металевих матеріалів із температурними залежностями реологічних параметрів, що характеризують релаксаційні властивості (релаксаційна здатність, релаксаційне внутрішнє тертя, повзучість). Показано тісний кореляційний зв'язок між триботехнічними і реологічними характеристиками. Врахування характеру зміни релаксаційної здатності і конкретних механізмів релаксації напруг дозволяє з єдиних (реологічних) позицій трактувати різні види залежностей фретингостійкості від температури та амплітуди фретингу металевих матеріалів, що спостерігалися практично.

Досліджені захисні і ушкоджуючі динамічні процеси релаксації, що характеризують енергетичний баланс при дисипації енергії. Встановлено, що втрата релаксаційної здатності зв'язана зі швидким розвитком незворотних реологічних процесів, що приводять до стабілізації структури і різкого підвищення релаксаційної стійкості поверхонь тертя. Для запобігання схоплювання і забезпечення стабільної фретингостійкості необхідна зворотність процесів релаксації при мінімальній локалізації контактних напруг. Тому з реологічної точки зору контактні явища при фретинг-корозії можуть трактуватися як процеси самоорганізації, що супроводжуються релаксацією напруг.

В одних випадках процеси релаксації сприяють зростання фретингостійкості. До таких захисних процесів, наприклад, відноситься структурна, дислокаційно-зсувна, дифузійна релаксації. При вичерпанні зазначених механізмів релаксації пікових контактних напруг у локальних об'ємах метал набуває критичну релаксаційну стійкість, внаслідок чого включаються ушкоджуючі процеси релаксації - утворення крихких втомних тріщин і схоплювання (адгезійно-втомний знос). На основі зазначеного підходу представлена класифікація захисних і ушкоджуючих механізмів релаксації напруг. У термінах внутрішнього тертя сформульовані загальні структурні вимоги до сталей, що забезпечують їхню фретингостійкість.

4. Теоретичні дослідження інтенсивності зношування металів і температури поверхонь, що контактують, в умовах фретингу

В залежності від властивостей металу, режиму навантаження і виду робочого середовища об'єктами руйнування при фретинг-корозії можуть бути як оксидна плівка при мінімальних втратах основного металу, так і оксидна плівка зі значними втратами основного металу. Відмінність фізико-механічних властивостей оксидної плівки та основного металу виражаємо у вигляді реологічної моделі, що складається з елементів Гука, Сен-Венана-Кулона, Ньютона і Регеля. У загальному випадку модель зносу при фретингу буде складатись з двох складових: моделі зносу основного металу і моделі зносу оксидної плівки.

Для оцінки напруженого стану поверхневого шару основного металу при фретинг-корозії виділяємо дві динамічні системи: локальну і загальну. Локальна система визначає контактну взаємодію одиничної нерівності з поверхнею металу. Загальна система характеризує опорну поверхню, тобто визначає число одиничних взаємодій. При описі зносу основного металу виходимо з того, що число нерівностей у контакті постійне.

.

Таким чином, інтенсивність зношування в умовах фретинг-корозії металів залежить від режиму навантаження, а також властивостей основного металу та оксидної плівки. Найбільший вплив на інтенсивність зношування має пластичність основного металу, а найменший - фактор товщини шару, що деформується.

Перевірка достовірності запропонованої моделі виконувалася шляхом зіставлення розрахованих по ній величин інтенсивності зносу з експериментальними даними і показала ефективність даної моделі.

Для розрахунку температури поверхонь тертя при фретингу використовуємо статистичну модель, відповідно до якої температура в довільній точці розглядається як випадкова величина, рівна сумі температур від дії випадкових джерел, що виникають на фактичних плямах контакту. Форму нерівностей апроксимуємо сферичними сегментами. Тиск і інтенсивність питомих потоків тепла розподіляємо за законом Герца. Відповідно до методики М.В. Коровчинського, вираз для температури напівпростору зручно записати у вигляді:

,

де 1, 2 - коефіцієнти теплопровідності матеріалів, що контактують; m - середнє дотичне зусилля, обумовлене розміром контактного тиску і коефіцієнта тертя,m = f.n; f - коефіцієнт тертя; n - номінальна напруга.

Розмір контакту ak визначаємо із співвідношення:

,

де - фактична площа контакту; - середня кількість нерівностей, що вступили в контакт, на одиницю площі.

Перевірка вірогідності запропонованої моделі виконувалася зіставленням розрахованих величин середньої температури поверхні тертя з експериментальними даними і показала достатню відповідність розрахунку та експерименту.

П'ятий розділ присвячений вивченню впливу навантажувально-амплітудних параметрів фретингу на втомну довговічність і міцність металів.

Проведено роздільні і комбіновані випробування по визначенню впливу фретинг-корозії на втомну міцність армко-заліза, сталей 45, 30ХГСА, 40ХНМА, сплаву Д16Т, у результаті чого встановлено, що руйнування зразків може відбуватися як у зоні фретингування, так і поза цією зоною. Це явище залежить від кількості циклів і амплітудно-навантажувального режиму фретингу, а також від чутливості матеріалів до концентрації напруг.

Показано, що навіть порівняно невелика за тривалістю вібраційна контактна взаємодія може стати вирішальною у руйнуванні деталей, які підлягають циклічному навантаженню. Встановлено різний характер зміни втомної довговічності металів у залежності від тривалості контактної взаємодії, що викликає фретинг-корозію. Причому втомна довговічність в умовах фретинг-корозії знижується практично до номінального рівня при напрацюванні 15...20 % від загальної довговічності. Тому при вивченні механізму впливу фретинг-корозії на втомну міцність особлива увага зверталася на зміну фізико-механічних властивостей матеріалів у початковому періоді контактної взаємодії.

Швидке зниження циклічної міцності, мабуть, обумовлене тим, що спільний вплив циклічної напруги і контактного навантаження призводить до роззміцнення матеріалу в зоні контакту.

Показано, що при розрахунках на міцність необхідно встановлювати величину напруги, яка гарантує задану довговічність, тобто визначати поправку до коефіцієнта запасу міцності в зв'язку з виникненням фретинг-корозії. Зі збільшенням контактного навантаження чутливість коефіцієнта впливу фретинг-корозії до зміни амплітуди ковзання зростає. Виключенням є сплав Д16Т, для якого із зростанням контактного навантаження спостерігається зменшення коефіцієнта впливу фретинг-корозії.

Чутливість коефіцієнта впливу фретинг-корозії до зміни контактного навантаження також залежить від рівня циклічних напруг і природи матеріалу. Так, для сталі 45 із зменшенням рівня циклічної напруги ефект впливу питомого навантаження знижується, а для сталей 40ХНМА і 30ХГСА такий вплив зростає.

Для сплаву Д16Т цікаво відзначити, що підвищення амплітуди відносних переміщень при Р = 10 МПа приводить до зросту довговічності, а при Р = 20 МПа таке явище спостерігається тільки на початку випробувань. Можливо, при великих амплітудах полегшується процес видалення ушкодженого металу, що може дати початок мікротріщині.

Період значного впливу фретинг-корозії на втомну довговічність для сталі 30ХГСА закінчується швидко. Дана сталь досить чутлива до структурних пошкоджень, які викликаються фретинг-корозією.

Подані в табл. 3 величини коефіцієнта перевантаження К = р/рф для сталі 30ХГСА демонструють підвищення К незалежно від діючих циклічних напруг.

Залежність втомної довговічності від кількості циклів фретингу при комбінованих випробуваннях сталі 30ХГСА і сплаву Д16Т описана рівняннями регресії.

Результати досліджень показали, що ефективність зниження втомної міцності під впливом фретинг-корозії зростає наступним чином для досліджуваних матеріалів: армко-залізосталь 4530ХГСА40ХНМА.

У шостому розділі вивчена зміна фізико-механічних властивостей і структури металів в умовах фретинг-втоми. Досліджувався вплив непружних явищ у процесі втомних випробувань. Фретинг-корозія при циклічному навантаженні металів викликає додаткове роз зміцнення (збільшується непружність) у порівнянні зі звичайною втомою, що зв'язано з полегшенням мікропластичних деформацій. Величина непружної деформації за цикл характеризує ступінь структурного пошкодження, інтенсивність якого максимальна на першій стадії фретинг-втоми, зростає пропорційно циклічній напрузі і збільшується із зростанням контактного тиску й амплітуди проковзування. Фретинг-втома сталі на початковій стадії контролюється переважно структурними і механічними факторами. Циклічне перевантаження за непружністю при фретинг-втомі зростає на порядок. Корозійний фактор може проявитися лише на більш пізніх етапах циклічного навантаження.

Відзначена закономірність свідчить про те, що фретинг інтенсифікує пластичну деформацію і призводить до більш ранньої появи мікротріщин. У цей же період спостерігається найбільш різке зниження втомної довговічності зразків.

Адгезія є основною причиною формування поверхневих розтягуючих напруг, достатніх для зародження тріщин. Найбільш виражено такий механізм діє на початковому етапі фретингу, поки продукти окислення не перешкоджають безпосередній металевій взаємодії на ділянках фактичного контакту.

Вивчався вплив кількості циклів попереднього фретингування на опір втомі і критична напруга мікротечії досліджуваних металів при циклічних напругах, що складають 0,85 і 1,15 від межі втоми непошкоджених зразків. Встановлено, що чим більше метал набуває здатність опиратись мікротечії, проявляючи більш високу пружність, тим значніше знижується втомна довговічність, тому що із зростанням пружності металу в зоні тертя підсилюються адгезійні процеси, які в першу чергу впливають на втомну міцність. Ведучий механізм окрихчення матеріалу в зоні фретингу залежить як від природи металу, так і від амплитудно-навантажувального режиму фретингування. У випадку сталі 45, мабуть, таким ведучим механізмом є динамічне деформаційне старіння, обумовлене взаємодією дислокацій з атомами проникнення, а у випадку сталі 30ХГСА відбувається самоблокування дислокацій при їхній взаємодії, коли щільність дислокацій досягає критичної величини.

Результати дослідження вказують на одночасне протікання в металі при циклічному навантаженні двох протилежних процесів зміцнення і роз зміцнення в припущенні, що перший обумовлений гальмуванням дислокацій, а другий - мікро пластичністю, що ініціюється концентрацією напруг від зміцнених мікро об'ємів. Їхнє співвідношення, а також характер кінетики мікро пластичності і деформаційного зміцнення залежить від природи металу і рівня циклічного перевантаження. У залежності від природи металу зниження залишкової довговічності в міру збільшення напрацювання Nф і амплітуди ковзання може мати асимптотичний або немонотонний характер. Зниження опору втоми металів під впливом фретинг-корозії, поряд із геометричним, обумовлене дією структурного концентратора напруг, якому в деяких випадках може належати ведуча роль.

Для неруйнівного контролю ступеня фретинг-пошкодження використовували метод втрат на перемагнічування і вихрові струми. З порівняння характеру зміни імпедансу в процесі фретингової втоми сталі 45 і сталі 30ХГСА випливає, що в деформаційно нестаріючому матеріалі (30ХГСА) після нанесення фретинг-пошкодження і наступного циклічного навантаження відсутня релаксація напруг. Можна виділити два характерних періоди в зміні сигналу датчика () у процесі фретингової втоми. У першому періоді відбувається накопичення структурних пошкоджень. Надалі спостерігається інтенсивне зростання втрат, пов'язане із зростанням втомних тріщин. Тривалість протікання кожного періоду залежить від кількості циклів попереднього фретингування. Характерно, що початок інтенсивного зростання сигналу на кожній кривій починається приблизно з одного значення = 140 мВ, тобто катастрофічне зростання тріщини починається при однаковому структурному стані.

Для процесу фретингової втоми зміна величини у місці пошкодження фретинг-корозією має тристадійний характер: початкове пікове зниження сигналу змінюється зростанням, а перед руйнуванням знову спостерігається його зниження. Причому такий характер зміни сигналу не залежить від того, чи відбудеться руйнування по фретингу, чи ні. Таким чином, при визначеному контактному тиску, що не перевищує деякого критичного значення, і при достатніх циклічних напругах фретинг деформаційно старіючої сталі 45 створює значну місцеву концентрацію напруг. Наступне циклічне навантаження викликає мікропластичні деформації, що ініціюють релаксацію напруг.

Проведені дослідження показують, що метод вимірювання втрат на перемагнічування і вихрові струми має значну чутливість до кінетики розвитку фретинг-втомного пошкодження.

Пошкодження металів при фретинг-корозії і фретинг-втомі в значній мірі визначається накопиченням і взаємодією дефектів тонкої кристалічної структури, зокрема взаємодією дислокацій із домішковими атомами (наприклад, у сталях - з атомами вуглецю та азоту). Високою чутливістю до зміни дислокаційної структури деформованих металів володіє використаний у даній роботі метод внутрішнього тертя. Зміни характеристик внутрішнього тертя металів у процесі фретинг-корозії виявляють складний характер, що визначається закономірностями накопичення структурних пошкоджень, які, в свою чергу, істотно впливають на втомну міцність. Зміна внутрішнього тертя в процесі циклічного навантаження зразків, попередньо ушкоджених фретинг-корозією, якісно на початковому етапі навантаження зберігається такою ж, як і при втомі без нанесення фретингу, що дозволяє зробити висновок про переважну роль фізико-механічного (структурного) фактора. Зразки, ушкоджені фретингом, характеризуються підвищеним внутрішнім тертям, що вказують на роззміцнюючу дію фретингу. Тристадійний характер зміни декременту коливань при фретинг-втомі аналогічний зміні внутрішнього тертя при малоцикловій втомі армко-заліза і вуглецевої сталі.

Зниження рівня внутрішнього тертя і зростання висоти 200-градусного піку внутрішнього тертя на першій стадії фретинг-корозії свідчить про зростання щільності дислокацій при одночасному їх блокуванні атомами проникнення (ДДС) і самоблокуванню, що супроводжується окрихченням металу і зниженням релаксаційної здатності зони контакту. При цьому інтенсифікується адгезія, яка викликає зростання дотичних напруг, що підвищує імовірність виникнення поверхневих мікротріщин.

Подані в даному розділі результати досліджень свідчать про те, що навіть при номінальних циклічних напругах нижчих межі втоми дія фретинг-корозії призводить до більш інтенсивного, ніж при звичайній втомі, накопиченню дефектів кристалічної структури в металі, а це пов'язано з суттєвим зниженням його довговічності.

Зниження втомної міцності металів при фретингу пов'язане не тільки і не стільки механічною концентрацією напружень у місці контакту деталей, а головним чином - фізико-механічними процесами у зоні тертя, які полегшують виникнення та розвиток втомних тріщин. Процеси фретинг-корозії і фретинг-зносу не є визначальними і повинні розглядатись лише як явища, які є супутніми фретинг-втомі.

Вплив фретингу на втомну міцність проявляється перед усе через утворення поверхневих мікротріщин безпосередньо у процесі вібраційної контактної взаємодії сполучених деталей. Мікротріщини виникають внаслідок концентрації локальних напружень в зоні тертя при окрихчуванні поверхневого шару. Тріщиноутворенню сприяє схоплювання ділянок фактичного контакту, яке розвивається при цьому, та їх втомне руйнування внаслідок дії тангенціальних знакозмінних сил.

фретингостійкість антифрикційність реологічний амплітудний

Висновки

1. Зносостійкість металів при фретинг-корозії визначається напружено-деформованим станом ділянок фактичного контакту, яка, в свою чергу, залежить від реологічних явищ, що характеризують релаксаційну здатність матеріалу. Оптимальні умови реалізації того або іншого механізму релаксації напруг визначаються навантажувально-швидкісними і температурними параметрами фретингу.

Внутрішнє тертя, що об'єднує динамічні механізми релаксації напруг, є важливим фактором зниження динамічної напруженості поверхонь, що контактують. Тому проблема підвищення фретингостійкості трибосистеми пов'язана з забезпеченням високого релаксаційного і гістерезисного внутрішнього тертя та мікро пластичності матеріалів, що контактують.

2. Вивчена залежність фретингостійкості термообробленої вуглецевої сталі від температури і структури відпуску з врахуванням впливу амплітудно-навантажувальних умов тертя. При визначених режимах фретингу встановлена немонотонна зміна локального фретинг-зносу з підвищенням температури відпуску загартованої сталі з мінімумом фретингостійкості для структури трооститу. Виявлено, що ведучим процесом пошкодження при фретинг-корозії сталі є адгезійно-втомний знос. Властивості, що характеризують опір сталі великим пластичним деформаціям (твердість, межа міцності тощо), не мають достатньої структурної чутливості і мало пов'язані з фретингостійкістю. Як правило, фактором, що більш істотно впливає на величину фретинг-зносу сталі, є рівень її мікропластичності, яка визначає релаксаційну здатність матеріалу.

3. Показано, що універсальним параметром, який характеризує релаксаційні властивості і фретингостійкість металу при динамічному навантаженні, є внутрішнє тертя. Установлено, що сталь у загартованому і низько відпущеному станах має підвищену фретингостійкість завдяки структурно-дислокаційній релаксації напруг (структурно-дислокаційне внутрішнє тертя). Підвищена фретингостійкість високо відпущеної сталі при жорстких режимах фретингу обумовлена магніто-механічним внутрішнім тертям. У залежності від структурного стану термообробленої сталі і амплітудно-навантажувального режиму фретингу змінюється ведучий механізм внутрішнього тертя, відповідальний за релаксацію напруг.

4. Вивчена амплітудна і температурна залежності фретингостійкості металів в зв'язку зі зміною їх релаксаційної здатності. Спостережене поблизу амплітуди прослизання А = 100...150 мкм аномальне зростання фретинг-зносу сталі і коефіцієнта тертя обумовлене розвитком динамічного деформаційного старіння (ДДС), що стабілізує структуру і знижує релаксаційну здатність сталі. При малих амплітудах і знижених температурах переважає дислокаційно-зсувний механізм релаксації, а при підвищених значеннях амплітуди і температури - дифузійний. Порівняння температурних залежностей фретингостійкості ряду конструкційних металевих матеріалів із температурними залежностями реологічних параметрів, що характеризують релаксаційні властивості матеріалів, показало щільний кореляційний зв'язок між триботехнічними і реологічними характеристиками. Врахування закономірностей зміни релаксаційної здатності і конкретних механізмів релаксації напруг дозволяє з єдиних (реологічних) позицій трактувати різні види залежностей фретингостійкості від температури й амплітуди фретингу металевих матеріалів.

5. З реологічної точки зору контактні явища при фретинг-корозії можуть трактуватися як процеси самоорганізації, що супроводжуються релаксацією напруг. В деяких випадках процеси релаксації сприяють зростанню фретингостійкості. До таких захисних процесів відноситься структурна, дислокаційно-зсувна, дифузійна релаксації. При вичерпанні зазначених механізмів релаксації метал набуває критичну релаксаційну стійкість, унаслідок чого включаються ушкоджуючі процеси релаксації - утворення релаксаційних крихких тріщин і схоплювання (різновид структурної релаксації). На основі зазначеного підходу представлена класифікація захисних і ушкоджуючих механізмів релаксації напруг. У термінах внутрішнього тертя сформульовані загальні структурні вимоги до сталей, що забезпечують їхню фретингостійкість. Фактори, що стабілізують структуру сталі, і, як правило, підвищують межу пружності, межу втоми, опір абразивному зносу і різанню, навпаки, знижують фретингостійкість, тому що із зростанням стабільності структури знижується релаксаційна здатність сталі. Протизносні властивості вторинних структур ефективно виявляються лише при формуванні їх на металі-підложці зі сприятливими реологічними (релаксаційними) властивостями.

6. Розроблені математичні моделі інтенсивності зношування і теплових процесів при фретинг-корозії металів. Виконано зіставлення розрахункових і експериментальних даних при використанні статистичних характеристик.

7. Проведені роздільні і комбіновані випробування на фретинг-втому ряду конструкційних матеріалів. Показано, що руйнування може відбуватися як у зоні фретингування, так і поза цією зоною. Втомна довговічність при наявності фретинг-корозії різко знижується вже на початковому етапі фретингування при напрацюванні 15-20 % від загальної довговічності. Установлено немонотонний характер зміни втомної довговічності (із проміжними максимумами) від кількості циклів фретингу для матеріалів, схильних до динамічного деформаційного старіння.

8. Коефіцієнт впливу фретинг-корозії на втомну довговічність (К = Np/Nрф) при роздільних випробуваннях може змінюватися в широких межах і залежить від природи матеріалу, контактного навантаження, амплітуди ковзання і рівня циклічних напруг. Для високоміцних матеріалів у порівнянні з низьколегованими матеріалами значення К на 1-2 порядки вище (при чистому згині). Так, для армко-заліза К = 1,2...2,4; для сталі 45 К = 1,2...2; для сталі 40ХНМА К = 6,5...111 (А = 0,05 мм), К = 150...250 (А = 0,10 мм); для сталі 30ХГСА К = 10...12; для сплаву Д16Т К = 2...10. Як правило, коефіцієнт впливу фретинг-корозії (К) збільшується із зростанням питомого навантаження та амплітуди ковзання. Виключенням є сплав Д16Т, для якого, на відміну від сталей, із зростанням контактного навантаження та амплітуди можливе зменшення К. Зі зниженням рівня циклічних напруг () коефіцієнт впливу К може зростати на 1-2 порядки.

9. Установлено, що еквівалентна напруга, яка діє в зоні ураження фретинг-корозією, може перевищувати номінальне значення для армко-заліза - на 30...70 %, для сталі 45 - на 20...45 %, для сталі 40ХНМА - на 13...20 %, для сплаву Д16Т - на 15...26 %. При розрахунках на міцність необхідно встановлювати розмір напруги, що гарантує задану довговічність, тобто визначати поправку до коефіцієнта запасу міцності в зв'язку з виникненням фретинг-корозії.

10. Коефіцієнт зниження довговічності під впливом фретинг-корозії при комбінованих випробуваннях коливається (для досліджуваних параметрів навантаження) у наступних межах: К = 1,5...7 (армко-залізо); К = 21...26,5 (сталь 45); К = 17...67 (сталь 30ХГСА); К = 2...3,5 (Д16Т). Для сталей коефіцієнт К при комбінованих випробуваннях зростає майже на порядок у порівнянні з роздільними випробуваннями. При комбінованих випробуваннях еквівалентна напруга, що діє на ділянці ураження фретинг-корозією, перевищує номінальне значення на 30...100 % (сталь 30ХГСА); 24...30 % (Д16Т); 20...45 % (сталь 45).

11. Вивчено зміну непружних властивостей, деформаційного зміцнення, напруженого стану і мікроструктури металів при фретинг-втомі. Установлено, що фретинг-корозія викликає додаткове роззміцнення (зростає непружність) у порівнянні зі звичайною втомою. Циклічне перевантаження по непружності вже на початковій стадії фретинг-втоми зростає на порядок у порівнянні зі звичайною втомою. П'ятистадійний характер накопичення пошкодження при звичайній багатоцикловій втомі в умовах фретинг-корозії змінюється тристадійним, що властиве малоцикловій втомі.

12. Фретинг-втома контролюється переважно структурними і механічними факторами. Корозійні процеси можуть виявлятися лише на пізніх етапах циклічного навантаження. Чим більше метал у процесі фретингування набуває здатність опиратися мікротечії, проявляючи більш високу пружність, тим значніше знижується втомна довговічність. З ростом пружності (крихкості) металу в зоні тертя підсилюються адгезійні процеси. Адгезія є основною причиною формування поверхневих розтягуючих напруг, достатніх для зародження тріщин. Найбільш виражено такий механізм діє на початковому етапі фретингу.

13. Вивчено вплив ряду технологічних методів поверхневої обробки на фретинг-втомну міцність сталей: хіміко-термічної обробки (алітування, борування, дифузійне хромування, ванадування); хімічної й електрохімічної обробок (міднення, фосфатування, анодування); поверхневої пластичної деформації (обкатки, алмазного вигладжування, дробоструминної обробки); плазмового напилення; полімерних покриттів. Зокрема, установлено підвищення фретинг-втомної міцності сталей після хіміко-термічної обробки на 10...35 %; підвищення межі витривалості в умовах фретинг-втоми при використанні полімерних покриттів на 80...100 %; підвищення фретинг-втомної довговічності після дробоструминної обробки у 7...15 разів, а обмеженої межі витривалості - у 2 рази; така ж ефективність і обкатки. Плазмові покриття в цьому відношенні менш ефективні.

14. Впровадження результатів роботи на Одеському авіаремонтному заводі, ВАТ «УкрНДІпластмаш» (м. Київ), ВАТ «Укрелектроапарат» (м. Хмельницький), ВАТ «Строммашина» (м. Хмельницький) дозволило збільшити міжремонтний період вузлів після хімічної й електрохімічної обробок на 5...15%. Застосування хіміко-термічної обробки і поверхневої пластичної деформації підвищує межу фретинг-втомної довговічності деталей у 2...10 разів. Матеріали роботи використовуються в навчальному процесі Технологічного університету Поділля в спецкурсі «Триботехніка та основи надійності».

Размещено на Allbest.ru