Диссертация (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 8

2.1 приведены кривые 1 соответствуют результатам испытаний наМнЦУ стандартных образцов, предварительно поврежденных фреттингом прифри заданных параметрах (р и Ар) процесса. Следующая партия образцов(кривые 2) из тех же материалов была испытана на фреттинг-усталость посхеме вал - втулка в условиях «мягкого нагружения» при плоском изгибе.Кривые 3 - испытания моделей замковых соединений лопаток компрессора при«жестком нагружени», т.

е. при совместном действии статического растяженияисимметричногоизгиба,когдавзонеконтактавоспроизводятсяэксплуатационные условия фреттинга, а соединение разрушается от фреттингусталости.Из анализа приведенных на рис. 2.1 графиков можно заключить, что водних и тех же условиях нагружения у образцов и деталей из стали (рис. 2.1, а)и из титановых сплавов (рис. 2.1, б) наблюдается различная повреждаемостьфреттингом.Удовлетворительное соответствие степени поврежденияматериала(качественное и количественное) при испытаниях на усталость образцов,предварительно поврежденных фреттингом, и моделей, испытанных в условияхфреттинга, получено для стали 13X11Н2ВМФ.Аналогичное совпадение результатов получено также для титановогосплава ВТ8 при испытаниях по схеме ―вал — втулка‖ и моделей замковыхсоединений (рис.

2.1, б), а при раздельных (ступенчатых) испытаниях48стандартных образцов выявлена только качественная зависимость измененияпредела фреттинг-выносливости. Основная причина некоторого расхождениярезультатов связана с упрощенной схемой испытаний стандартных образцов посравнению с моделями, когда условия процесса фреттинга действуютпостоянно, но с отсутствует статическое растяжение.Рис. 2.1. Результаты испытаний на МнЦУ и фреттинг-усталость различных сопряженныхматериалов:а - сталь 13X11Н2ВМФ- сталь 13Х11Н2ВМФ; б- сплав ВТ8 - сплав ВТЗ-1; 1 - образцы,предварительно поврежденные в процессе фреттинга; 2 - испытания по схеме вал- втулка(―мягкое‖ нагружение); 3 - испытания замковых соединений лопаток компрессоров(―жесткое‖ нагружение).2.1.1.Методика исследования процесса фреттинга и влияние его насопротивление усталости деталейТрадиционные методы изучения механизма износа, когда степеньповреждения обычно оценивается по изменениям массы образцов, профиляповерхности контакта, малопригодны для исследования фреттинга, а тем более49для прогнозирования влияния степени повреждений при фреттинг-коррозии насопротивление фреттинг-усталости конструкционных материалов и деталей.Известные модели процесса фреттинга, рассмотренные выше, в основномбазируются на традиционной зависимости, когда интенсивность процессаизноса, характеризуемая степенью потери массы контактирующих тел,принимается как функция параметров процесса (величины контактныхнагрузок, амплитуды перемещений, частоты и др.).

Однако процесс фреттингаот процесса износа при трении скольжении отличают наличие относительныхвозвратных перемещений деталей в зоне контакта, а их амплитудананесколько порядков меньше, чем при трении скольжении.Физико-химические, усталостные и абразивные механизмы процессафреттинг-коррозии тесно связаны между собой. И от того, какой из них преобладает, а также от параметров процесса (амплитудыпредел выносливости при фреттинг-усталостиОднако получение зависимостей видафрматериала сопряженных пар.фрилифрможно использовать для прогнозирования, давления р) зависит, которыес высокой достоверностью,связано с большой трудоемкостью испытаний. Приведенные ниже результатыметодической работы по определению оптимальной длительности поврежденияматериала в условиях фреттинг-коррозии (фр) дают достаточно объективнуюкартину влияния основных параметров процесса на степень повреждения и напредел выносливости контактирующих материалов. В качестве тестовогоматериала был выбран деформированный алюминиевый сплав АК4-1,обладающий высокой чувствительностью к концентрации напряжений.

Егопредел выносливости в исходном состоянии на базециклов составляетМПа. Стандартные образцы из этого сплава, поврежденныефреттингом при амплитуде= 5 мкм и давлении р = 5 и 50 МПа, испытывалина многоцикловую усталость (МнЦУ) при симметричном изгибе с вращением(на каждом режиме было испытано не менее 10 образцов).50Согласно полученным данным фактор длительности по числу цикловфрнагруженияповреждения фреттингом в зависимости от величинынормального давления р и амплитуд напряжений при испытаниях на МнЦУ поразному влияют на долговечность деталей (таблица 2.1).Таблица 2.1Результаты испытаний образцов из сплава АК4-1 на фреттинг-коррозию при постоянномзначении амплитуды относительных перемещений ( = 5 мкм) и последующих испытанийна многоцикловую усталость (МнЦУ) при симметричном изгибе с вращениемВариантИспытанияиспытанийна фреттингр, МПафрxПоследующие испытания на МнЦУцр, МПахц1603,0 разруш.13040 разруш.1607,9 разруш.413012,4 разруш.5105Более 300, безразруш1607,0 разруш.7130Более 100, без разруш.8105Более 70, без разруш.1602,0 разруш.150,135231,53695,85500,135101,53110,241.1 разруш.105Более 100, безразруш.122,71,12 разруш.Хотя степень повреждения материала при фреттинг-коррозии зависит отчисла циклов нагруженияфр, ее влияние на долговечность разрушениянемонотонное: наблюдается чередование максимумов и минимумов.

Так,долговечность образцов, поврежденных фреттингом при давлении р = 5 МПа ифр= 1,53циклов и испытанных на МнЦУ при амплитудах= 160 и 13051МПа, составилаи 403таблице 2.1). Затем с увеличениемциклов соответственно (варианты 1 и 2 вфрна порядок долговечность(варианты 3 и 4), а при амплитудевозросла, превысив 300снизилась105 МПа долговечностьрезкоциклов (вариант 5).Последующее почти четырехкратное увеличениесравнению с вариантами 3 -4) на долговечностифрсущественно (поне отразилось. Воздействиефреттинг-коррозии при давлении р = 50 МПа снизило долговечность образцовпо сравнению с давлением р =5МПа, хотя прифрМПа образцы без разрушения выдержали>полученныхданныхзабазовую= 0,24циклов и=105циклов. На основаниипродолжительностьпредварительногоповреждения образцов при исследованиях механизма фреттинга можно принятьдолговечностьфр= 0,2циклов, как достаточную для формированиятипичных для фреттинга повреждений, оказывающих влияние на снижениесопротивления МнЦУ материала.2.1.2.

Выбор и обоснование метода исследованияИзучениемеханизмапроцесса,основныхегозакономерностей,связанных, в первую очередь, с формированием несущей способности деталей,работающих в условиях фреттинга, необходимо для разработки эффективныхметодов борьбы с этим процессом в деталях машин.

Отсюда вытекают этапыисследования:1)изучение основных факторов, способствующих интенсификациипроцесса фреттинга и их влияния на фреттинг-усталость материала;2) изучение сопротивления усталости конструкционных материалов вусловиях фреттинга;3) исследование способности элемента конструкции выдерживатьдействие переменных нагрузок в условиях фреттинга.52На первом этапе в условиях фреттинга при заданных параметрахосновных факторов, способствующих интенсификации процесса фреттинга, изаданной длительностифрповреждения проводились раздельные испытаниястандартных усталостных образцов, применяемых для испытаний на МнЦУ.В зависимости от перечисленных факторов определяли параметры,традиционные при исследовании процесса фреттинга: характер и глубинуповреждения поверхности; фиксировали изменения в структуре материала взонеконтакта,массуобразцов;велирегистрациюизмененийэлектросопротивления в зоне фреттинга.Навторомэтапенаходиливеличинупределавыносливостиконструкционного материала, повреждѐнного при заданных параметрахпроцесса фреттингавыносливостии Р.

При этом определяли значения пределовкак функции от амплитуды относительных перемещений(при постоянном давлении р = const) или функции от номинального давления р= var (при постоянной амплитуде относительных перемещений= const).Кроме того, в зависимости от перечисленных факторов могут определятьсятрадиционные для этих исследований характеристики, такие как степеньповреждения поверхности фреттингом (вид и глубина повреждений, изменениемассы, электросопротивления и др.). Проведение испытаний на усталостьповреждѐнных фреттингом образцов позволяет получить данные о значении ивлиянииисследованныхфакторовфреттинг-процесса(сизвестнымипараметрами) на сопротивление усталости и оценить степень их значимостиболее простыми (раздельными) испытаниями.

Испытания на фреттингусталость проводились по схеме «вал-втулка» при двух видах нагружения:«мягком» и «жѐстком». При этом была получена зависимость вида,aтакже оценена эффективность применения в зоне контакта конкретныхупрочняющих обработок и защитных покрытий. На третьем этапе исследовалинапряжѐнно-деформированноесостояниеНДСэлементаконструкции53(замкового соединения типа «ласточкин хвост») на поверхности контактасоединения (хвостовика с диском) с учѐтом конструктивных факторов вусловиях нагружения, приближѐнного к эксплуатационным (статическоерастяжение с симметричным знакопеременным изгибом) и были проведеныиспытания с учетом опыта исследований [1, 5, 21, 25,26,27], а именно:─ основных геометрических параметров хвостовика (угла клина,высоты h и др.);─ конструктивных особенностей сопряжения хвостовика с пазом в ободедиска;─ изменения напряжений смятия на контактной поверхности хвостовика;─ величины соотношений между изгибными жѐсткостями хвостовика ипрофильной частью лопатки;─ материала детали;─ температуры испытаний;─ эффективности технологических факторов (влияние поверхностногоупрочнения зон контакта, нанесения защитных покрытий).Определѐнная на этом этапе несущая способность элемента конструкциипри переменных нагрузках позволяет, с одной стороны, выявить его прочностьв условиях фреттинг-усталости, а с другой - оценить степень приближения иэффективность результатов, получаемых при более простых (раздельных)испытаниях, когда сначала исследуется влияние основных факторов процессафреттинга на повреждаемость материала, а затем даѐтся оценка роли этихфакторов в снижении предела выносливости повреждѐнного материала.2.2.

Оценка предела выносливости малоподвижного соединениятипа «вал-втулка»Чувствительность материала к фреттинг-усталости характеризуетсякоэффициентом, который вычисляется как отношение54(2.1)В общем случае значениеможет быть получено экспериментально. Впредыдущих главах показано, что для оценки предела фреттинг выносливостидеталей,повреждаемыхфреттинг-коррозией,могутбытьиспользованызначения, определѐнные достаточно простыми средствами при испытанияхматериала на усталость по схеме «вал-втулка». Для этой цели могут бытьиспользованы различные виды испытаний на усталость стандартных образцов свтулками на рабочей части или с накладками, имитирующими прессовое илималоподвижное соединение.