Міністерство освіти та науки україни

технологічний університет поділля

(м. Хмельницький)

Калда Галина Станіславівна

УДК 621.891:620.194

Процеси контактної взаємодії

та циклічна міцність металів при фретингу

Спеціальність 05.02.04 Тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Хмельницький  

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький) Міністерства освіти та науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Шевеля Валерій Васильович, Київський міжнародний університет цивільної авіації, завідувач кафедри фізики

Офіційні опоненти:

доктор технічний наук, професор Євдокімов Вадим Дмитрович, Одеський державний морський університет, завідувач кафедри судоремонту

доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович,

Запорізький державний технічний університет, завідувач кафедри технології металів

доктор технічних наук, доцент Гладкий Ярослав Миколайович, Технологічний університет Поділля, (м. Хмельницький), декан факультету заочного навчання

Провідна установа:

Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків

Захист відбудеться «5» квітня 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, III учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Технологічного університету Поділля за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Кам’янецька, 110/2.

Автореферат розісланий « 22 » лютого 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кіницький Я.Т.

Загальна характеристика роботи

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.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота пов’язана з виконанням перспективного плану науково-дослідної роботи викладачів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) за пріоритетним направленням розвитку науки і техніки «Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології», який сформульовано у Постанові Верховної Ради України № від 16.10.92 р. Дослідження виконувались також на замовлення Одеського авіаремонтного підприємства, ВАТ «УкрНДІпластмаш» (м. Київ), ВАТ «Укрелектроапарат» (м. Хмельницький), ВАТ «Строммашина» (м. Хмельницький) у рамках держбюджетних робіт.

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.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Показано, що фретингостійкість трибосистеми пов'язана з забезпеченням високого внутрішнього тертя і достатньої мікропластичності матеріалів, які знижують динамічну напруженість контакту.

2. Установлено, що в залежності від структурного стану сталі й амплітудно-навантажувального режиму фретингу змінюється ведучий механізм внутрішнього тертя, відповідальний за релаксацію напруг.

3. Установлено кореляційний зв'язок між реологічними і триботехнічними характеристиками матеріалів в умовах фретинг-корозії.

4. Дано класифікацію захисних і ушкоджуючих механізмів релаксації напруг в умовах фретингу і сформульовані загальні мікроструктурні вимоги до сталей, що забезпечують їхню фретингостійкість.

5. Розроблено математичні моделі інтенсивності зношування і теплових процесів в умовах фретинг-корозії, що дозволяють зіставити розрахункові та експериментальні дані при використанні статистичних характеристик.

6. Встановлено особливості впливу фретинг-корозії на втомну міцність матеріалів у зв'язку з їхньою схильністю до динамічного деформаційного старіння.

7. Вивчено зміну непружних властивостей, деформаційного зміцнення, напруженого стану і субмікроструктури матеріалів при фретинг-втомі.

8. Сформульовано нові представлення про механізм фретинг-зносу і фретинг-втоми.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Вивчено вплив структури відпуску сталі на її фретингостійкість, що дозволяє оптимізувати режими термообробки виробів з врахуванням амплітудно-навантажувальних експлуатаційних режимів.

2. Показано, що фактори, які стабілізують структуру сталі і підвищують межі пружності та міцності, опір абразивному зносу, є несприятливими для фретингостійкості.

3. Установлено, що стан антифрикційності і сумісності пар тертя тісно пов'язаний з реологічними мікровластивостями матеріалу, а не з характеристиками макроскопічної міцності і пластичності.

4. Експериментально визначені коефіцієнти впливу фретинг-корозії на втомну міцність конструкційних матеріалів і еквівалентні циклічні напруги в зоні фретинг-корозії, що дозволяє при міцнісних розрахунках вводити відповідні поправки в коефіцієнт запасу міцності.

5. Результати досліджень дають методичну основу металофізичного контролю накопичення структурного пошкодження металів в умовах фретинг-втоми і прогнозування працездатності трибосистеми.

6. Вивчено вплив хіміко-термічної, хімічної та електрохімічної обробок, поверхневої пластичної деформації, плазмового напилення і полімерних покриттів на втомну міцність металів в умовах фретинг-корозії. Встановлено оптимальні технологічні методи поверхневої обробки, що дозволяють підвищити фретинг-втомну міцність конструкційних матеріалів.

На захист виносяться:

1. Обгрунтування реологічних принципів підвищення фретингостійкості металевих матеріалів і її зв'язку з внутрішнім тертям.

2. Закономірності впливу природи металу, структури відпуску сталі, амплітудно-навантажувальних режимів контактної взаємодії і температури на фретингостійкість з врахуванням зміни мікропластичності матеріалу і ведучих механізмів релаксації контактних напруг.

3. Теоретичні дослідження зношування і теплових процесів при фретинг-корозії.

4. Експериментальне дослідження впливу амплітудно-навантажувальних факторів на опір втоми металів в умовах фретинг-корозії.

5. Закономірності зміни структурно-напруженого стану металів у процесі фретинг-втоми.

6. Обгрунтування ефективності технологічних методів поверхневої обробки для підвищення фретинг-втомної міцності конструкційних матеріалів.

Ступінь реалізації і впровадження наукових розробок. На Одеському авіаремонтному підприємстві «Одесавіаремсервіс» розроблена і запропонована технологія поверхневого зміцнення деталей авіадвигунів методом дробоструминної обробки і плазмового напилення. За результатами проведених випробувань були відібрані найкращі покриття, що поєднують високу фретингостійкість при підвищених температурах і корозійну стійкість, які наплавлялись на поверхні тертя деталей гарячого тракту двигуна з метою їх відновлення, що дозволило збільшити термін служби деталей і одержати економію дефіцитних запчастин. У ВАТ «УкрНДІпластмаш» (м. Київ) впроваджені технологічні рекомендації для запобігання фретинг-зносу і фретинг-втоми корпусу прес-екструдера, фільєри гранулятора, ножа подрібнювача. У ВАТ «Укрелектроапарат» (м. Хмельницький) запропонована технологія поверхневого зміцнення деталей вантажопідйомних машин, що піддаються знакозмінним навантаженням. Застосування анодування і міднення дозволило підвищити міжремонтний період вантажопідйомних машин на 5...10%. Застосування обкатки шариком галтелей головки і її анодування підвищили межу витривалості при фретинг-втомі у 2 рази, а дробоструминна обробка підвищила межу фретинг-втомної довговічності деталей у 5...10 разів. Технологія поверхневого зміцнення пружин вальців грубого помолу технологічної лінії по виготовленню цегли, що застосована у ВАТ «Строммашина» (м. Хмельницький), дозволила збільшити міжремонтний період вузла після алітування і борування на 10...15%. Матеріали дисертації впроваджені в навчальному процесі кафедри зносостійкості і надійності машин Технологічного університету Поділля в спецкурсі «Триботехніка та основи надійності».

Достовірність результатів. Підтверджується проведенням різноманітних комплексних експериментів, теоретичними положеннями, застосуванням нових методик, відповідністю результатів лабораторних і виробничих випробувань.

Особистий внесок здобувача. Полягає в обгрунтуванні наукового напрямку, формулюванні мети роботи; обгрунтуванні і розробці методик експериментальних досліджень, участі у постановці і проведенні експериментальних досліджень; розробці математичних моделей, установленні теоретичних залежностей; формулюванні новизни й основних висновків за результатами роботи; аналізі та узагальненні отриманих результатів дослідження в дисертації, монографії і статтях. Постановка завдання й обговорення результатів проведені разом із науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати представлялися на наступних наукових з'їздах, конференціях і симпозіумах: Всесоюзна науково-технічна конференція «Смешанные задачи механики деформируемого тела», Одеса, 1989; науково-технічний семінар «Механика и технология машиностроения», Свердловськ, 1990; Всесоюзна науково-технічна конференція «Износостойкость машин», Брянськ, 1991; Міжнародна конференція «Зносостійкість і надійність машин», Хмельницький, 1996; науково-технічна конференція «Удосконалення засобів механізації на транспорті і підвищення зносостійкості елементів машин», Харків, 1997; Третій Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 1997; Друга Американо-Східно-Європейська конференція «Новые материалы и технологии в трибологии», Мінськ-Гродно-Варшава, 1997; Міжнародна конференція «Механіка-98», Жешув, Польща, 1998; Міжнародна науково-технічна конференція «Нові конструкційні сталі і сплави і методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів», Запоріжжя, 1998; Друга Міжнародна конференція «Динаміка роторних систем», Кам'янець-Подільський, 1998; Міжнародна науково-технічна конференція «Savremena poljoprivreda», Чачак, Югославія, 1998; Четвертий Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 1999; VII Міжнародний симпозіум «Intertribo’99», Високі Татри, Словаччина, 1999; Міжнародний симпозіум «Белтрибо-99», Гомель, 1999; Міжнародний семінар Польської трибологічної спілки, Краків, 1999; Міжнародна науково-технічна конференція «Модульні технології і конструкції в машинобудуванні», Варшава-Жешув, 1999; Міжнародна науково-технічна конференція «Авіа-99», Київ, 1999; Міжнародний семінар «Реологічні моделі і процеси деформування пористих і композиційних матеріалів», Луцьк, 1999.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в монографії об'ємом 17,25 ум.друк.арк., 23 статтях у журналах, 8 збірниках наукових праць, в одному авторському свідоцтві, а також в матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів із висновками наприкінці кожного розділу, загальних висновків по дисертації, списку використаних літературних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 404 сторінки, із котрих 258 сторінок займає текстова частина. Дисертація містить 186 малюнків, 16 таблиць і 569 найменувань літературних джерел, що використовувалися у вигляді посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається наукова новизна і практична цінність отриманих результатів досліджень, сформульовані основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі дисертаційної роботи представлена 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 мікромеханічними 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 обгрунтовані і сформульовані мета й основні завдання роботи.

В другому розділі описані методи випробувань на фретинг-знос, фретинг-втому, методи вимірювання внутрішнього тертя, мікропластичності, 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.

Третій розділ присвячений комплексному дослідженню 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 пружнопластичними 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.

Рис. Зв’язок фретингостійкості Q

металів з реологічною постійною m при контактних навантаженнях 10 МПа (1) і 50 МПа (2): А = 0,05 мм; f30 Гц;

Тг 0,5

Був вивчений зв'язок фретингостійкості металів із такою реологічною характеристикою, як мікроповзучість 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 ,5) показує лінійну залежність між ними (рис. ). Реологічна стала m характеризує схильність металу до мікроповзучості і чим більше її значення, тим вищий опір матеріалу фретинг-зносу. Це свідчить про тісний зв'язок фретингостійкості металів із їх реологічними властивостями.

Вплив структурного стану сталі на фретингостійкість показано на рис. . 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.

Рис. Залежність локального адгезійного зносу сталі 40Х від температури відпуску: а  А ,05 мм; б  А ,2 мм;

(1  Р =  МПа; 2  Р  МПа; Nф ,5.105 цикл)

У роботі відзначено, що до структурних змін, які відбуваються при відпуску сталей, високу чутливість виявляють властивості, що відповідають малим пластичним деформаціям (мікропластичність). Показано на прикладі сталі 40Х, що структура, яка формується при температурі відпуску 400 0С (троостит), має максимальний опір мікродеформації, а мартенситні структури (загартування, відпуск 200 0С), хоча і мають максимальну твердість і міцність, виявляють низький опір мікродеформації (високу мікропластичність).

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

Універсальним параметром, що характеризує релаксаційні властивості металу при динамічному навантаженні, є внутрішнє тертя. Показано, що сталь у загартованому і низьковідпущеному станах має підвищену фретингостійкість завдяки структурно-дислокаційній релаксації напруг (структурно-дислокаційне внутрішнє тертя). Підвищена фретингостійкість високовідпущеної сталі при жорстких режимах фретингу обумовлена магніто-механічним внутрішнім тертям (рис. ). 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 низьковідпущених сталях, коли втрати на магніто-механічний гістерезис дуже слабко виражені (рис. а). Після відпуску при високій температурі 600 0С зростання внутрішнього тертя в значній мірі визначається магнітомеханічними втратами, а при підвищеному контактному навантаженні ці втрати стають домінуючими (рис. б). 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.

а) б)

Рис. Вплив температури відпуску сталі на структурно-дислокаційну (с) та магніто-механічну (м) складові внутрішнього тертя: а -  = 50 МПа; б - =  МПа

Вивчено амплітудну залежність фретингостійкості сталі в зв'язку зі зміною її релаксаційної здатності. Спостерігаєме поблизу амплітуди проковзування А ...150 мкм аномальне зростання локального фретинг-зносу і коефіцієнта тертя (рис. ) обумовлене розвитком динамічного деформаційного старіння (ДДС), що стабілізує структуру і знижує релаксаційну здатність сталі. У зазначеному діапазоні амплітуд реалізується оптимальний температурно-швидкісний режим передеформування зони тертя, коли швидкість руху дислокацій порівнянна зі швидкістю дифузії домішкових атомів, що призводить до блокування дислокацій і зниженню мікропластичності. 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) (рис. ). 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

а)

б)

Рис. Залежність адгезійного зносу та стабілізованого коефіцієнта тертя сталі Х від амплітуди проковзування:

а - гартування; б - відпуск при 400 0С;

(1 - Р =  МПа; 2 - Р =  МПа;

3 -стабілізований коефіцієнт тертя f) |

Рис. Залежність фретинг-зносу (а), контактного електроопору (б) та внутрішнього тертя (в) сталі 1Х18Н9Т від температури

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.

У четвертому розділі проведені 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.

У випадку локальної динамічної системи при переміщенні нерівності по поверхні деформований об'єм приймає вигляд:

(1)

де - відносна глибина заглиблення нерівності; r - радіус нерівності; А - амплітуда відносного переміщення.

Об'ємний знос оцінюється величиною деформованого об'єму Vca:

, (2)

де n - довговічність металу; А - швидкість деформування; - поточне значення непружної деформації; P - відносне подовження при розтягуванні; - частота реверсивного навантаження.

У загальній динамічній системі рівняння зносу основного металу після Nф циклів фретингу має вигляд:

(3)

де b0 ,3; Руд - питоме навантаження; S - номінальна площа контакту; h товщина деформованого шару матеріалу; К1с критичний коефіцієнт інтенсивності напруг.

Рівняння зносу оксидної плівки під дією а нерівностей за цикл фретингу визначається як:

. (4)

Рівняння зносу оксидної плівки після Nф циклів фретингу має вигляд:

(5)

де bn ,5; HBn твердість оксидної плівки.

Тоді інтенсивність зношування визначається наступним чином:

(6)

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:

(7)

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:

(8)

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

Фактична площа контакту з врахуванням параметрів шорсткості має вигляд:

, (9)

де а0, а1 коефіцієнти, що залежать від параметра широкосмуговості ; Е/ зведений модуль Юнга; q - градієнт поверхні.

Середня швидкість ковзання при фретингу, що залежить від амплітуди проковзування А і частоти фретингу , дорівнює

(10)

Математичне очікування температури, що залежить від номінальної площі контакту Sa, дорівнює:

, (11)

де  залежить від відношення глибини закладання термопари до радіуса плями контакту; - середня кількість нерівностей, що вступили у контакт, на одиницю площі:

. (12)

Перевірка вірогідності запропонованої моделі виконувалася зіставленням розрахованих за (7) 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 , 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 (рис. ,7). Причому втомна довговічність в умовах фретинг-корозії знижується практично до номінального рівня при напрацю-

Рис. Залежність залишкової витривалості сталі 40ХНМА від кількості циклів попереднього фретингування ( =  МПа; f  Гц):

1 - Р  МПа; А ,05 мм;

2 - Р  МПа; А ,05 мм;

3 - Р  МПа; А ,1 мм;

4 - Р  МПа; А ,1 мм |

Рис. Вплив тривалості втомних випробувань з фретинговими накладками на довговічність сталі 30ХГСА ( =  МПа): 1 - А = 0,225 мм,

Р = 10 МПа; 2 А = 0,330 мм, Р = 10 МПа; 3 - А = 0,225 мм, Р 35 МПа;

4 - А = 0,330 мм, Р = 35 МПа

ванні 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 (рис. ).

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 із зменшенням рівня циклічної напруги ефект впливу питомого навантаження знижується, а для сталей ХНМА і 30ХГСА такий вплив зростає.

Для сплаву Д16Т (табл. 1) цікаво відзначити, що підвищення амплітуди відносних переміщень при Р  МПа приводить до зросту довговічності, а при Р  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 (табл. 2). 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. На рис. показано приклад узагальненої діаграми фретинг-втоми.

Таблиця 1

Коефіцієнти впливу фретинг-корозії на втомну довговічність сплаву Д16Т

, МПа | А, мм | Р = 10 МПа

Nф = 106 циклів | А, мм | Р = 20 МПа

Nф = 106 циклів

150 | 0,05

0,10 | К1 = 10

К2 = 6,25 | К2/К1 =0,63 | 0,05

0,10 | К1/ = 6,25

К2/ = 8,7 | К2//К1/= 1,39

190 | 0,05

0,10 | К3 = 3

К42,57 | К4/К3 =0,86 | 0,05

0,10 | К3/ = 1,98

К4/3,54 | К4//К3/1,78

Таблиця 2

Коефіцієнти впливу фретинг-корозії на втомну довговічність

сталі ХГСА

, МПа | Р, 

МПа | А = 0,225 мм |

Р, 

МПа | А = 0,330 мм

282 | 10

35 | К1 = 22,7

К2 = 46 | К2/К1= 2,03 | 10

35 | К1/=23,8

К2/=66,7 | К2//К1/= 2,81

315 | 10

35 | К1 = 17,2

К2 = 31,4 | К2/К1= 1,82 | 10

35 | К1/=20,5

К2/=40 | К2//К1/= 1,95

Таблиця 3

Коефіцієнти перевантаження при фретинг-втомі сталі 30ХГСА

А ,225 мм | А ,330 мм

Р, МПа |

К(Np=2.105) | К(Np=1.106) | Р, МПа |

К(Np=2.105) | К(Np=1.106)

10 | 1,17 | 1,32 | 10 | 1,2 | 1,8

35 | 1,33 | 1,36 | 35 | 1,51 | 2,04

Залежність втомної довговічності від кількості циклів фретингу при комбінованих випробуваннях сталі ХГСА 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 30ХГСА40ХНМА.

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 роззміцнення (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 (рис. ). 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.

Рис. 8 Вплив фретинг-корозії на втомну міцність сталі 30ХГСА: 1 - втомна крива без фретингу; 2-7 - те ж при дії фретингу;

2, 4 - Р = 10 МПа; 3, 5 - Р = 35 МПа;

6,7 - P =  МПа і 35 МПа (А ,225 мм)

Рис. 9 Залежність непружної деформації н за цикл (1, 2) та довговічності Np (3) при циклічному навантаженні армко-заліза (  МПа):

1  звичайна втома; 2, 3  фретинг-втома (Р  МПа, А ,210 мм)

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 роззміцнення в припущенні, що перший обумовлений гальмуванням дислокацій, а другий  мікропластичністю, що ініціюється концентрацією напруг від зміцнених мікрооб'ємів. Їхнє співвідношення, а також характер кінетики мікропластичності 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   мВ, тобто катастрофічне зростання тріщини починається при однаковому структурному стані.

Для процесу фретингової втоми (рис. ) 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.

Рис. Зміна величини імпедансу при фретинговій втомі сталі :

- Nф = 105 циклів; - Nф = 3.105 циклів;

-Nф = 5.105 циклів; - по фретингу;

---- - не по фретингу; ( = 400 МПа; Р =  МПа)

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

Рис. Зміна декременту коливань при втомі армко-заліза без фретингу (1) та після попереднього фретингування ( = 300 МПа): 2 - Nф = 5; 3 - Nф = 2,5.105; 4 - Nф = 6.105 циклів

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