Усталостное изнашивание

Наиболее общей формой повреждаемости при трении является усталость, протекающая под действием высоких знакопеременных и циклических упругопластических нагрузок, воспринимаемых локальными участками поверхностей на фоне тепловых, химических, адгезионных и др. контактных взаимодействий поверхностей.

Усталостное изнашивание (питтинг - от англ. рit -яма) характеризуется наличием двух фаз: скрытого периода, в течение которого отсутствует видимое разрушение материала поверхностного слоя и происходит постепенное накопление дефектов, и фазы быстрого разрушения, когда при достижении определенной концентрации микроповреждений «уставший» материал поверхностного слоя диспергируется в виде частиц износа.

Усталостный износ наиболее характерен для узлов трения с начальным точечным или линейным контактом деталей. К таким узлам можно отнести опоры качения, зубчатые передачи, кулачковые механизмы, колесо-рельс и т.д. Усталость материалов может иметь малоцикловой (при пластических деформациях) и многоцикловой (при упругих деформациях) характер.

На природу возникновения усталостного изнашивания существовали различные точки зрения. Впервые в своих работах указал Бейбли в 1903 г. Он обнаружил наличие дефектного сверхпластичного слоя, отличающегося от объемных свойств материала, усталость которого приводила отделение материала в виде частиц износа. В 30-е годы прошлого века М.М. Хрущев, обнаружив периодические изменения коэффициента трения и интенсивности износа, посчитал это признаком нормальной работы узла трения. И.В. Крагельский обнаружил, что циклическое воздействие твердым выступом на поверхность вращающегося цилиндрического образца после определенного числа циклов вызывает лавинообразное диспергирование материала поверхностного слоя. Он объяснял усталостное изнашивание действием на материал знакопеременных упругих деформаций. Японскими учеными была также установлена аналогичная цикличность изменения упругой деформации решетки поверхностей трения. Вопросами усталостного разрушения занимались также такие ученые как, Е.А.Марченко, А.Л. Жарин, Ю.Н. Дроздов.

При изучении усталостного изнашивания поверхностных слоев важно выяснить, где формируются очаги и какую область поверхностного слоя охватывает данный процесс. Такие ученые как И.В. Крагельский, Дж. Холинг, Д.Г. Громаковский и д.р., считали что, область локализации процесса сосредоточена на вершинах неровностей контактирующих поверхностей.

При усталостном изнашивании формируются две области накопления повреждаемости (рис. 4.4): первая сосредоточена в тонком поверхностном слое, накапливающем дефекты и разрушающемся в режиме малоцикловой усталости при нормальном усталостном изнашивании; вторая распределяется на большую глубину и протекает при многоцикловом режиме.

Рис. 4.4. Схема образования слоев, подвергаемых малоцикловой (1)

и многоцикловой усталости (2)

В случае усталостного изнашивания необходимо подвергать упрочнению тот слой, в котором происходит разрушение. Если упрочняется слой меньшей глубины, то материал начинает отслаиваться на больших площадях.

Как уже отмечалось ранее, усталостное изнашивание возникает под действием больших удельных повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, в результате чего образуются микропластические деформации сжатия и упрочнения поверхностных слоев, происходит зарождение трещин на поверхностях трения. Впоследствии микротрещины растут и образуются ямки выкрашивания. При этом росту трещин и выкрашиванию в них материалов способствует смазочный материал, работающий по механизму расклинивания. Глубина впадин зависит от свойств металла, удельных давлений и размера контактных поверхностей.

Первичные повреждения возникают в микрообъемах, неблагоприятно ориентированных относительно действия нагрузки, преднапряженных остаточными напряжениями и ослабленных местными дефектами. Постепенно накапливаясь и суммируясь, локальные повреждения дают начало общему разрушению детали.

Процесс возникновения усталостной трещины состоит из нескольких стадий. Трещины зарождаются на первых этапах нагружения в границах кристаллических объемов в результате пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, т. е. направленных под углом примерно 45° к растягивающим напряжениям. В зависимости от ориентации кристаллитов сдвиги могут происходить в одной плоскости, одновременно по двум или трем плоскостям.

Образование трещин происходит за счет размножения и перемещения дислокаций. Скопление вакансий вызывает разрыхление структуры, возникновение субмикропор и образование первичных трещин.

На начальных стадиях процесс обратим. При прекращении действия напряжений материал возвращается в исходное состояние. Если напряжения продолжают действовать, то процесс повреждения развивается. Постепенно распространяясь, дислокации выходят на поверхность зерна. На определенном этапе происходит массовый прорыв дислокаций через межзеренные прослойки и переход трещины в смежное зерно. Средняя величина напряжения, необходимого для преодоления межзеренных барьеров, определяет сопротивление усталости материала.

В процессах усталостного повреждения большую роль играет очаговое тепловыделение в микрообъемах, подвергающихся деформациям. В результате повышения температуры прочность материала в микрообъемах снижается, что облегчает образование новых пластических сдвигов, которые, в свою очередь, способствуют повышению температуры. У закаленных сталей микронагрев вызывает локальный отпуск и возникновение в перенапряженных микрообъемах трооститной или сорбитной структуры с пониженной по сравнению с мартенситом прочностью.

На процесс усталостного изнашивания большое влияние оказывают пластические деформации, протекающие в зоне контакта. Согласно теории Губера-Мизеса-Генки пластические деформации при сложном напряженном состоянии возникают тогда, когда удельная потенциальная энергия деформирования достигает некоторого предельного значения, определенного для каждого материала. При этом предельная удельная нагрузка при усталостном многократном деформировании рассчитывается по формуле

, (4.5)

где - приведенный диаметр, м;

- предел выносливости материала, МПа;

- коэффициент упрочнения;

- максимальное приведенное напряжение, МПа.

Максимальные напряжения, возникающие в зоне контакта, рассчитываются по формуле Герца

, (4.6)

где - удельная нагрузка, кг/мм²;

- приведенный модуль упругости, МПа;

- радиусы кривизны соприкасающихся тел, мм.

Полуширина площадки контакта

, (4.7)

Характер распределения напряжений в поверхностном слое зависит от соотношения касательных и нормальных нагрузок. При наличии касательной нагрузки в конце площадки контакта появляется зона растяжения, максимальные напряжения в которой растут с увеличением касательной нагрузки.

К методам предупреждения и снижения усталостного изнашивания рабочих поверхностей можно отнести: применение объемной и поверхностной закалки с высокотемпературным отпуском; применение сталей с повышенными показателями вязкости (никелевые и др.); повышение предела усталости материала методами механически создаваемого поверхностного упрочнения (обкатка гладкими роликами, дробеструйная обработка и др.); точный монтаж подшипников и зубчатых передач и правильное их смазывание.

Дата добавления: 2014-12-26