Характеристика повреждений деталей машин при фреттинг-коррозии

Имеющиеся экспериментальные данные по фреттинг-коррозии не исчерпывают всего многообразия проявлений этого вида поверхностного разрушения. В большистве опубликованных работ рассматривается влияние внешних механических факторов на интенсивность развития фреттинг-коррозии. Однако наиболее полную информацию для установления механизма этого явления можно получить, исследуя структурные изменения поверхностных слоев, природу образующихся окислов и так далее. С этой целью и был проведен комплексный анализ структурного состояния поверхностей и поверхностных слоев ряда деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены вибрации и имеют характерные повреждения в результате развития фреттинг-коррозии. При проведении исследований применяли металлоконструктурный, электронномикроскопический, рентгеноструктурный анализ, а также изучали микрогеометрию поверхности и микротвердость поверхностных слоев.

Проведенный анализ показал, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, протекают схватывание, абразивное разрушение, усталостные процессы, сопровождающиеся окислением и коррозией. Причем в зависимости от условий нагружения, свойств материалов и окружающей среды один из перечисленных процессов является преимущественным и оказывает существенное влияние на долговечность работы соединения.

Схватывание как ведущий процесс при фреттинг-коррозии встречается в прессовых, болтовых, заклепочных и других соединениях, к которым вследстие действия больших контактных нагрузок затруднен доступ окружающей среды. В этом случае вступают в контакт ювенильные участки поверхности, что приводит к схватыванию и взаимному переносу металла.

Рассмотрим преимущественное развитие процессов схватывания на примере узла соединения главного и прицепного шатуна поршневого двигателя. В этом узле сопряжены главный шатун (рис. 3, а) и палец прицепного шатуна (рис. 3, б), посадка прессовая. Детали изготовлены из термообработанных перлитных сталей соответсвенно 40ХНМА и 38ХМЮА. Внутренняя поверхность проушины главного шатуна хромирована, палец прицепного шатуна азотирован. Посадочный поясок покрыт слоем латуни. Узел работает при температуре 100–200 °С. Относительное перемещение сопряженных деталей может достигать 15–30 мкм.

Рис. 3 Проушина (а) и палец шатуна (б) двигателя, поврежденные фреттинг-коррозией

Под действием высоких удельных нагрузок в поверхностных слоях контактирующих участков протекает интенсивная пластическая деформация. Электронномикроскопический анализ позволил обнаружить наличие сложного рабочего рельефа поверхностей контакта, образовавшегося в результате их деформирования.

Пластические деформации способствуют схватыванию ювенильных участков поверхности. При динамических нагрузках во время работы соединения происходит разрушение узлов схватывания, что приводит к глубоким вырывам металла и налипанию одного металла на другой. Вырывы и наросты становятся концентраторами напряжений, снижающими долговечность работы соединения. В нашем случае разрушение, в основном, происходит по хромированной поверхности главного шатуна, имеющей меньшее значение ударной вязкости.

Если разрушение поверхностей на первых этапах работы имеет локальный характер, то в дальнейшем при благоприятных условиях оно распространяется по большой поверхности (рис. 4, а). Окислительные процессы в этом случае несколько затормаживаются вследствие затруднительного доступа воздуха в зону контакта.

Преимущественное усталостно-коррозионное повреждение поверхности большей частью обнаруживается на шлицевых соединениях, сопряжениях с легкоходовой, скользящей и легкопрессовой посадками и на некоторых других. Пример повреждения шлицевого соединения показан на рисунке 4.

Рис. 4. Участки поверхностей деталей, поврежденные фреттинг-коррозией: а, г – схватывание; б, д – усталостно-коррозионное разрушение; в, е – абразивное разрушение

В результате действия внешней нагрузки и возможного микроперемещения поверхностей происходит пластическая деформация материала, которая интенсифицирует коррозионные процессы на контакте. Причем преимущественная коррозия поверхности происходит в складках деформационного рельефа.

В связи с предеформированием материала в поверхностных слоях начинают развиваться усталостные явления, сопровождающиеся образованием микротрещин. Срастание микротрещин приводит к отколу частиц металла, упрочненных пластической деформацией. На этапе наблюдается упрочнение и разупрочнение поверхностных слоев, о чем свидетельствует немонотонное изменение микротвердости по глубине. Развитие усталостных процессов, сопровождающихся интенсивным окислением и коррозией, приводит к прогрессирующему разрушению поверхностного слоя. При усталостно-коррозионных процессах глубина повреждения может достигать 0.2–0.4 мм. Усталостно-коррозионное повреждение поверхности чаще всего приводит к усталостному разрушению деталей. Это можно объяснить тем, что и фреттинг-коррозия и усталость, как правило, имеют одну и ту же причину возникновения.

Преимущественно абразивное разрушение поверхности при фреттинг-коррозии встречается в соединениях, детали которых изготавливаются из сплавов, образующих твердые продукты износа, например, корунд .

В конструкциях часто встречаются соединения стальных поверхностей в сопряжении с корпусами, изготовленными из алюминиевых сплавов. В этих случаях при знакопеременных нагрузках ведущим видом повреждения обычно становится абразивный (рис. 2, в).

На начальных стадиях возникают процессы схватывания с последующим окислением продуктов износа. Окислившиеся продукты износа алюминиевого сплава ( ) имеют высокую твердость. Скопление большого количества окислов приводит к деформации поверхностных слоев абразивными частицами, срезанию микрообъемов металла и окисных пленок. Шаржированные на поверхности частицы корунда образуют царапины и борозды различной величины. Существенным показателем абразивного разрушения при фреттинг-коррозии можно считать характер микрорельефа поверхностей контакта. Контакитрующие поверхности уже через небольшой промежуток времени работы становятся шероховатыми, имеют спецефические следы воздействия продуктов износа. Пластическая деформация поверхности абразивными частицами носит, в основном, локальный характер. Глубина повреждения при абразивном действии частиц обычно невелика и может достигать нескольких сотых долей миллиметра.

Фреттинг-коррозия обладает рядом отличительных особенностей по сравнению с другими видами разрушения поверхностей:

1) скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей при фреттинг-коррозии мала по сравнению со скоростями при обычном трении скольжения;

2) малая амплитуда смещений затрудняет удаление продуктов износа из зоны контакта;

3) процесс фреттинг-коррозии отличается большой интенсивностью разрушения по сравнению с другими видами изнашивания поверхностей, причем, если присутствие кислорода может уменьшать износ при обычном трении скольжения, то в условиях фреттинг-коррозии кислород углубляет повреждения;

4) продуктами фреттинг-коррозии металлов являются, в основном, их окислы.

Чаще всего фреттинг коррозия развивается при различных прессовых посадках на вращающихся валах, в местах посадки лопаток турбин, в шлицевых, шпоночных, болтовых и заклепочных соединениях. Фреттинг-коррозии подвержены канаты и канатные шкивы, контактные поверхности подшипников качения, передающих нагрузки в отсутствии качения, контактные поверхности рессор и пружин, клапанов и толкателей, кулачковых механизмов и т.п.

Дата добавления: 2015-07-10