CC BY
15
Природа
износоусталостного повреждения
Как известно, трибофатика (tribo-fa-tigue) выросла на стыке между трибологией (tribology) и механикой усталостного разрушения (fatigue). Как и всякая научная дисциплина, она имеет свой специфический объект для изучения, его называют силовой или трибо-фатической системой. Согласно ГОСТ 30638-99, трибофатика — это наука об износоусталостных повреждениях и разрушении указанных систем. Следовательно, понятие о комплексном износоусталостном повреждении является основополагающим.
Комплексное износоусталостное повреждение изучаемой силовой системы формируется двумя специфическими источниками. Первый источник обусловлен контактным взаимодействием элементов системы, второй — повторно-переменным объемным деформированием одного из элементов. Чтобы понять различия в характере повреждений при контактной, механической и контактно-механической усталости, рассмотрим четыре примера.
Механическая Контактно-
усталость механическая
'..иии.>-а--) í -■c-j усталость
Контактная усталость
Рис. 1. Результат (в) необратимого взаимодействия (<-»-) поверхностных микроповреждений (а, б), обусловленных механической и контактной усталостью
Пример первый. Типичное начальное повреждение поверхности вала в процессе механической усталости показано на рис. 1, а: экструзии и интрузии. Если вал становится одним из тел пары трения при качении, начальное повреждение его поверхности оказывается иным. На рис. 1, б показана поверхность вала после испытаний на контактную усталость. В результате контактно-фрикционных процессов при качении формируется специфическая зеренная структура, на фоне которой ясно видны микротрещины. Как зерна, так и трещины оказываются вытянутыми и однонаправленными — по движению при трении. Они результат деформационной фрагментации и начального разрушения исходной структуры. А если вал становится элементом силовой системы, начальное повреждение его поверхности (рис.1, в) принципиально отличается от того, что мы наблюдали при механической и контактной усталости. Теперь при контактно-механической усталости обнаруживается комплексное повреждение: пересекающаяся система множественных полос скольжения и субмикротрещин-пор. Таков результат взаимодействия повреждений, обусловленных двумя источниками, на микроуровне.
Пример второй. Предельное состояние вала при циклическом нагружении — разделение его на две части вследствие зарождения и развития поперечной магистральной усталостной трещины (рис. 2, а, б). При этом очаг трещины, как правило, обнаруживается в слабой зоне, расположенной в окрестности поверхности. Предельное состояние того же вала при контактной усталости не связано с объемным разрушением — оно может достигаться путем образования
на поверхности трения ямок выкрашивания критической плотности (рис. 2, в). А в случае контактно-механической усталости излом вала становится принципиально иным (рис. 2, г, 5): в кольцевой поверхностной зоне обнаруживается большое количество очагов множественных усталостных трещин; характер излома можно определить как многоочаговый (многолопастный). Это и есть результат сложного взаимодействия повреждений от контактной и внеконтактной нагрузок. На рис. 2, а можно видеть ровные берега обычной усталостной трещины, а на рисунке 2, г — рваные берега множественных контактно-усталостных трещин, которые развиваются зигзагообразно от одной к другой (слабой) группе поверхностных ямок выкрашивания (рис. 2, в). Таков результат взаимодействия повреждений, обусловленных двумя источниками, на макроуровне.
Пример третий. При контактной усталости, в зависимости от условий деформирования, возможно подповерхностное зарождение множественных
Рис. 2. Результат (г, д) необратимого взаимодействия («.) макроповреждений (а, б и в) вала, обусловленных механической и контактной усталостью
ТРИБОФАТИКА
Контактно-механическая Контактная усталость усталость
тт ч..
Рис. 3. Поверхностное и объемное повреждение и разрушение
малых начальных трещин, развитие которых параллельно контактной площадке (рис. 3, а) приводит к своеобразному поверхностному разрушению — износу отслаиванием и выкрашиванию частиц материала (рис. 3, б — рельсовая сталь М74). А при контактно-механической усталости, в определенных условиях, обнаруживается подповерхностный очаг поперечной магистральной усталостной трещины, развитие которой приводит к разделению рельса на части (рис. 3, в). Условия для столь кардинального изменения характера разрушения создаются в результате сложного взаимодействия повреждений, генерируемых соответствующими нагрузками.
Пример четвертый. Применение тонких экспериментальных методов исследования позволило изучить и понять принципиальные особенности комплексного — износоусталостного повреждения. На рис. 4 приведены результаты изучения (методом атомно-силовой микроскопии) процессов трещинообразова-ния образцов углеродистой стали при трении качения и при износоусталост-ных испытаниях в зависимости от уровня контактного давления р0 и величины амплитуды циклических напряжений аа. На рисунках (их размер -35x35 мкм2) показана морфология трещин, типичная для соответствующих режимов испытания. А на гистограмме дана зависимость критической глубины Л повреждаемого слоя от уровня циклических напряжений (при неизменном контактном давлении
р0 = 2130 МПа). Из этих экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.
При чистом трении качения увеличение контактного давления ведет к усилению пластической деформации, следовательно, к деформационной фрагментации зерен, образованию сначала дискретных пор и трещин, а затем и их цепочек. Система деформированных зерен, цепочек пор и трещин является однонаправленной и ориентирована вдоль направления качения. Этот процесс приводит к образованию относительно крупных дискретных ямок выкрашивания. Основными оказываются два вида изнашивания — отслаивание и выкрашивание. А критическая глубина повреждаемого слоя оценивается в -0,4...0,5 мкм.
При испытаниях на контактно-механическую усталость аналогично наблюдается и деформационная фрагментация зерен, и образование пор и трещин. Однако картина повреждения существенно видоизменяется. С увеличением амплитуды циклических напряжений ускоряется процесс образования второй системы трещин — поперечных по отношению к направлению качения. Поэтому повреждение становится рассеянным, возникает почти равновесная сетка пересекающихся трещин-пор, которая окаймляет мелкодисперсные частицы (фрагменты
р, МПа
1940
2130
110 250 ч,,мш
Рис. 4. Микротопографии поверхностного повреждения при трении качения (вертикальный столбец рисунков) и при износоусталостных испытаниях (остальные рисунки)
зерен) материала. Чем выше циклические напряжения, тем гуще сетка трещин-пор, тем меньше и тоньше отделяемые частицы, а критическая глубина повреждаемого слоя уменьшается до 0,05 мкм. Тем самым предотвращается образование крупных и глубоких ямок выкрашивания. Ведущим процессом изнашивания в этом случае оказывается поверхностное крошение. Оно характеризуется отделением с рабочей поверхности мелкодисперсных частиц материала, образующихся в результате множественного микросдвига по пересекающимся плоскостям, образования огромного числа рассеянных микроскопических трещин-пор и тонкого дробления зерен. Такой механизм комплексного поверхностного повреждения называют рассеянным эффектом множественного микросдвига (РЭММС); это эффект Сосновского — Махутова — Чижика. Изложенные результаты позволяют установить причины того, что в определенных условиях износоусталостное повреждение оказывается менее опасным, чем повреждение при трении (при одинаковых контактных давлениях).
Наложение полей контактных и изгиб-ных напряжений приводит к диссипиро-ванию большей подведенной энергии в более тонком поверхностном слое материала и локализации в нем процессов трещинообразования и изнашивания. Энергия деформации расходуется скорее на более тонкое дробление фрагментов зерен и их множественное отделение, чем на проникновение повреждения вглубь материала.
Износ поверхностного слоя, поврежденного сеткой трещин-пор, обнажает новую, относительно здоровую поверхность с высоким сопротивлением разрушению. Тем самым отдаляется во времени или даже вовсе предотвращается (в зависимости от условий нагружения) образование относительно крупных ямок выкрашивания, на дне которых возникает опасная микроконцентрация напряжений и опасная магистральная трещина.
№9(91)_2010 НАУКА И ИННОВАЦИИ
27
Таблица 1. Методы исследования объектов
Дисциплина Объект для изучения Основные методы исследования экспериментальные теоретические Масштаб повреждения
T (трибология) Пара трения Испытания на трение Механика контактного взаимодействия Поверхностное повреждение (износ, питтинг и др.)
F (механика усталостного разрушения) Элемент конструкции Испытания на усталость Механика деформирования и разрушения Объемное (усталостное) разрушение
TF (трибофатика) Силовая система Износоусталостные испытания Механика изно-соусталостного повреждения Комплексное поверхностное повреждение и объемное разрушение
Таблица 2. Типичные силовые системы и их комплексное повреждение
Типичная силовая система Комплексное повреждение и разрушение Определение
Шейка коленчатого вала / шатунная головка с подшипником скольжения Фрикционно- механическая усталость Износоусталостное повреждение, обусловленное кинетическим взаимодействием явлений механической усталости и трения скольжения
Колесо / железнодорожный рельс Контактно- механическая усталость Износоусталостное повреждение, обусловленное кинетическим взаимодействием явлений механической усталости и трения качения (трения качения с проскальзыванием)
Шлицевой вал / втулка Фреттинг-усталость Износоусталостное повреждение, обусловленное кинетическим взаимодействием явлений механической усталости и фреттинга
Вал гребного винта / морская вода Коррозионно-механическая усталость Усталость материала при одновременном воздействии повторно-переменных напряжений и коррозионной среды
Лопатки турбины/поток жидкости или газа, несущий твердые частицы Эрозионно- механическая усталость Износоусталостное повреждение, обусловленное кинетическим взаимодействием явлений механической усталости и эрозии
Труба / поток под давлением Коррозионно- эрозионная усталость Износоусталостное повреждение, обусловленное кинетическим взаимодействием явлений коррозии и эрозии
Потребуется примерно десятикратное обновление рабочей поверхности путем фрагментации, крошения и отделения частиц металла при износоусталостных испытаниях, прежде чем будет достигнута такая же глубина повреждения, как при трении качения, если контактное давление в обоих случаях одинаково.
Таким образом, экспериментально было установлено, что износоусталостное повреждение — особый и своеобразный вид поверхностного повреждения основного элемента силовой системы. Его особенность в данных условиях: поверхностное крошение в результате работы РЭММС по пересекающимся
плоскостям скольжения. Его своеобразие в том, что хотя это и повреждающий процесс, но он полезен, так как приводит к значительному повышению надежности и долговечности силовой системы. Очевидно, что при оптимальном сочетании нагрузочных параметров ста и р0 достигается такое состояние силовой системы, когда ее несущая способность самопроизвольно и в течение длительного времени поддерживается (или автоматически регулируется) тонким изнашиванием и удалением из зоны трения поврежденного поверхностного слоя.
Изложенные экспериментальные данные позволяют сделать следующее за-
ключение: необратимые повреждения, обусловленные только контактной нагрузкой (обозначим их меру ыр), и необратимые повреждения, обусловленные только циклическими напряжениями (от внеконтактной нагрузки — обозначим их меру ша), не складываются в процессе износоусталостных испытаний, но сложным образом (нелинейно) взаимодействуют (ша шр ) между собой. Результат такого взаимодействия
f I К ^ Ч)= ^ и есть комплексное (износоусталостное) повреждение ш1.
Теперь, когда дан доказательный ответ на вопрос о том, что такое комплексное — износоусталостное повреждение, можно выяснить взаимоотношения между трибологией и механикой усталостного разрушения, с одной стороны, и трибофатикой — с другой (табл. 1). В табл. 2 приведена классификация основных видов износоусталостного повреждения и даны примеры типичных силовых систем. Видно, что это — наиболее ответственные системы современных машин и оборудования. Этим, по существу, и определяется огромное значение трибофатики.
Александр БОГДАНОВИЧ , директор Лидского колледжа Гродненского государственного университета им. Я. Купалы, доктор технических наук
Литература
1. Sosnovskiy L.A. Tribo-Fatigue. Wear-fatigue damage and its prediction (Foundations of engineering mechanics). — Springer, 2005.
2. Богданович А.В. Прогнозирование предельных состояний силовых систем. — Гродно, 2008.
3. Чижик С.А., Сосновский Л.А., Горбунов В.В., Лисицын С.Д., Сенькова Е.Л. Особенности возникновения и развития малых поверхностных трещин в углеродистой стали при контактно-механической усталости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1996, № 3.
4. Сосновский Л.А. Механика износоусталостного повреждения. — Гомель, 2007.
