Диссертация (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 5

Рентгеноструктурный анализповерхности показал, что на первой стадии процесса продукты разрушения, восновном, содержат металлическую фазу и лишь небольшую часть окислов.При этом на первой стадии возникновения фреттинг-коррозии нанекоторой глубине обнаруживаются раз упрочнѐнные участки (см.рис. 1.2,кривая 1), что может быть следствием циклической микро- и макро текучести,развивающихся в результате передачи микро выступами знакопеременныхнапряжений на области, не участвующие в непосредственном контакте (зонывлияния)[3].На второй стадии возникновения фреттинг-коррозии в подповерхностныхслоях продолжает формироваться коррозионно-активная среда вследствиеадсорбции на окислах кислорода и влаги. Скорость износа на этой стадииневелика, так как он связан, в основном, с разрушением образующихся наповерхности трения оксидных плѐнок, причѐм количество продуктов износа взоне трения достигает равновесного значения.Рис.

1.2. Изменение микро твѐрдостипо глубине h поверхностного слоя рамка-железа наразличных стадиях фреттинг-коррозии (р = 250 МПа):1 - I стадия; 2 - II стадия; 3 - III стадия26В этих условиях, вероятно, действует особый механизм интенсификацииокисленияметаллическихповерхностей,связанныйстем,чтопризнакопеременных контактных взаимодействиях в тончайших поверхностныхслоях возникает разупорядоченная мелкодисперсная структура, котораяобразует смешанную структуру (из металла и его окислов) и может игратьзащитнуюроль,уменьшаяскоростьизноса.Продуктыфреттинга,выделяющиеся из зоны трения, состоят во второй стадии, главным образом, изокисла - α- Fe2O3, и кроме того, содержат окислы γ-Fe2O3 (Fe3O4), коррозионныепродукты γ-Fe2O3х Н2O, а также металлические частицы.Эти данные, а также электронно-металлографические исследованияпозволяют предположить, что при окислении металла в условиях фреттингавначале образуется низкотемпературный окисел γ-Fe2O3, который, имеянеобходимое кристаллохимическое соответствие с металлом, структурно с нимсвязан.

Потому, отделяясь и попадая в зону трения, где возможно повышениетемпературы вследствие интенсивного перетирания окислов, имеющих низкуютеплоѐмкость, окисел γ-Fe2O3с кубической структурой превращается в окиселα- Fe2O3 с ромбоэдрической структурой.Рассмотренные примеры позволяют заключить, что ни одна из моделеймеханизма процесса не является универсальной и, в лучшем случае, объясняютлишьналичиедвухведущихфактороввпроцессехимическогоимеханического износа.Как правило, в большинстве рассмотренных моделей не учтены условияНДС материала в зоне контакта и махаон-физико-химические свойстваконтактирующих поверхностей.Исследования показывают, что выявленные стадии развития процесса, посуществу, неразделимы.

Они действуют одновременно и постоянно, хотя ихинтенсивность на разных этапах процесса может быть различной, аобразующиеся окислы, в зависимости от их свойств, могут выполнять функциине только абразива, но и твѐрдой смазки.27В качестве основного недостатка рассмотренных моделей механизмафреттинга следует отметить отсутствие связи между процессами фреттинга,коррозии и фреттинг-усталости, т.е. степенью снижения сопротивленияусталости повреждѐнного Фрутингом материала.Остаются нерешѐнными следующие важнейшие вопросы:─ при каких условиях и стадиях процесса достигается критическоеснижение сопротивления усталости материала;─ как на интенсивность процесса фреттинга влияют конструктивнотехнологические и эксплуатационные факторы.Отсутствие ответа на эти вопросы не позволяет разработать универсальныеметоды защиты от фреттинга и методы повышения сопротивления фреттингусталости.1.3. Процесс фреттинга и его влияние на сопротивление усталостиПриэксплуатацииразличныхмашинимеютместоусталостныеразрушения валов или осей с прессовыми посадками, вызванные процессомфреттинга, но, тем не менее, в качестве основной причины этих разрушений досих пор ряд специалистов считает, что снижение предела выносливости, связанс концентрацией напряжений К, возникающей на границе контакта втулки ивала.

В качестве доказательства приводятся результаты испытаний на усталостьмоделей осей, где в некоторых случаях наблюдалось совпадение эффективныхкоэффициентов концентрации на моделях с напрессованными втулками ицельных моделях, повторявших по форме первые.С повышением прочностных характеристик материала деталей рольпроцесса фреттинг-коррозии возрастает и становится решающей по сравнениюс эффектом концентрации напряжений К от прессовых посадок.В данной работе и по данным других авторов при симметричномконсольном изгибе исследовались ряд современных материалов в условиях28фреттинг и различных окружающих средах: вакууме, водороде, воздушнойсреде было установлено, что снижение предела усталости имело место во всехсредах и достигало 30  50%, а окислительные процессы при этом не игралирешающей роли.

Кроме того, как выше было показано, что степень сниженияпредела выносливости может завесить и от электрофизических процессов,определяемых природой сопряжѐнных пар материалов. Тем не менее, наиболеесущественное падение сопротивление усталости наблюдается уже привеличиненормальногодавленияр=1,0  10МПа,хотяоднозначнойзависимости пределов усталости от величины нормального давления в зонеконтакта моделей и деталей при этом не обнаружено.Рис. 1.3. Основные схемы испытаний на усталость в условиях фреттинг-коррозии:а) плоский консольный изгиб (жѐсткое нагружения); б) плоский изгиб консольныйизгиб (мягкое нагружения); в) плоский симметричный изгиб (мягкое нагружения);г) консольный изгиб с вращением (жѐсткое нагружения); д) консольный изгиб свращением (мягкое нагружение);е) растяжение-сжатие (мягкое нагружение);ж) растяжение-сжатие (мягкое нагружение); з) растяжение-сжатие (жѐсткоенагружение); и) симметричное кручение (жѐсткое нагружение);к) симметричное кручение (мягкое нагружение).29На рис.

1.3 представлены основные схемы испытаний на усталость вусловиях фреттинга, применяемые, для экспериментально-аналитическогоопределения сопротивления фреттинг-усталости значений Кофр.Испытывая на усталость в условиях фреттинга титановый сплав вконтакте с магниевым, алюминиевыми, медными сплавами, сталью и т.д.,получена некоторая корреляционная связь между степенью снижения пределаусталости сплава и твердостью сопряженной детали. Однако в целом объяснить,эти результаты простыми соображениями о твердости не удаѐтся.Многие исследователи, объясняя причины снижения сопротивленияусталости в условиях фреттинг-коррозии, связывают ее с образованием на поврежденных участках каверн, скоплением в зоне контакта, особенно в кавернахпродуктов износа и значительным повышением там давления, следствием чегоявляетсязначительноеизменениеструктурногосостоянияматериаловконтактирующих пар.В настоящее время считается общепризнанным, что ответственным заснижение сопротивления усталости конструкций, имеющих прессовые ималоподвижные соединения, является процесс фреттинг-усталость [23].При изучении механизма процесса фреттинга и фреттинг-усталостиисследователям удавалось получать количественные характеристики процесса(степень повреждения материала по изменению массы образца, глубинеповреждения и т.п.) обычно при таких режимах испытаний, когда, например,величина амплитуды относительных перемещений на порядок и болеепревышала те, которые имеют место в прессовых соединениях или прииспытаниях на усталость.

Именно этим можно отчасти объяснить отсутствиепримеров практического использования большинства накопленных сведений омеханизме процесса фреттинг-коррозии.Общим недостатком испытаний на усталость в условиях фреттингкоррозии является сложность, а порой и невозможность разделения отдельныхфакторов процесса фреттинга, а также эффекта концентрации напряжений,30вызываемой условиями на прессовки в зоне контакта.Нужно заметить, что при испытаниях вал-втулки (на рис.1.3по схемам IIи IV) задавать постоянными условия в зоне посадки намного сложнее, чем приналичии накладок (см. рис.1.3:I и III) в случае плоского изгиба или растяжениясжатия.Кроме того, существенно отличаются условия нагружения и результатыиспытаний, когда оба элемента прессового соединения оказываются несущими(случаи рис.1.3 Iа, IIг, IVи).

Для последнего случая величина предела усталостиоказывается ниже примерно на 30%.Испытания на усталость образцов в условиях фреттинга, хотя и не всегдавоспроизводят условия нагружения прессовых и малоподвижных соединений,но в целом позволяют получить полезные сведения о прочностныххарактеристиках материалов при действии процесса фреттинга.1.4.

Механизм фреттинга и его влияние на сопротивление усталостималоподвижного соединенияМеханизм фреттинга неоднозначен, так как связан с физико-химическимипроцессами,протекающиминамолекулярномуровне,исфизико-механическими процессами в субмикроскопических, микроскопических имакроскопических объемах поверхностного слоя контактирующих деталей.Соднойстороны,онявляетсярезультатомвзаимодействияконтактирующих поверхностей при циклическом нагружения образуютсямельчайшиечастицыматериала,вследствиеразрушенияэлементарных―мостиков сварки‖, которые интенсивно окисляются даже в присутствии следовкислорода, образуя такие виды окислов, появление которых не может являтьсярезультатом химического взаимодействия металла с кислородом в обычныхусловиях. Если твердость образовавшихся окислов ниже твердости основногоматериала, то они выполняют роль своеобразной смазки, устраняя прямой31контакт взаимодействующих поверхностей.

Если твердость окислов выше, точастицы как абразив могут интенсифицировать процесс износа.Степеньповрежденияконтактирующихповерхностейзависитотосновных параметров процесса: давления в зоне контакта, амплитудыотносительных перемещений, частоты перемещений, от исходных механиченких, физических и химических свойств материала взаимодействующих тел и отхимической активности окружающей среды.Интенсивность фреттинга, как потеря массы М в зависимости отмеханических параметров процесса, может быть представлена в виде [44]:(где,,),(1.2)─ коэффициенты.Однако в зависимости(1.2) не нашли отражения температурный фактор,особенности окружающей среды, химические и физико-механические свойстваконтактирующих материалов.В.В. Шевеля предложил [20] зависимость для износа при фреттинге,основанную на принципах равновесий термодинамики, имеет вид:,где,,(1.3)─ функции физических свойств материала и коэффициента трения;отражают физико-механические и химические характеристики материала.Однако зависимости (1.2) и (1.3) не позволяют прогнозироватьинтенсивность процесса фреттинг-усталости.Роль химического фактора оценивают по результатам исследованиявзаимодействия неоднородных конструкционных материалов в различныхсредах, отличающихся химической активностью.