CC BY
20
УДК 621.891
В. В. Шевеля, В. П. Олександренко
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЛИЯНИЯ ФРЕТТИНГА НА КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ СТАЛИ
Аннотация: Рассмотрено влияние количества циклов предварительного фреттинго-вания, возникающей при этом повреждаемости поверхности и изменения реологических характеристик стали на время до разрушения образцов под действием статической нагрузки в коррозионной среде.
Введение
Любое динамическое нагружение материала сопряжено с проявлением реологических механизмов диссипации подведенной механической энергии, определяющих развитие повреждаемости. При фреттинге локальные динамические контактные взаимодействия обусловлены малыми реверсивными перемещениями, вызывающими знакопеременные напряжения [1, 2]. В этих условиях существенным источником рассеяния энергии в металлах и сплавах является микропластическое течение [3, 4], которое сопряжено с необратимостью деформационных процессов. Отсутствие при колебаниях линейной зависимости между нагрузкой и деформацией приводит к образованию петли гистерезиса, ширина которой характеризует степень необратимости процесса. С проявлением микропластичности материала, определяющей предпосылки зарождения и развития трещины, связана и его трещиностойкость [5].
В условиях эксплуатации детали механизмов могут одновременно или периодически подвергаться воздействию как фреттинга, так и статических растягивающих напряжений, вызывающих при наличии коррозионно-активной среды - коррозионное растрескивание. Это относится и к узлам авиационной техники (подвески двигателей, оси колеса стойки самолета и др.). Наложение указанных процессов может привести к их взаимоусилению, поломке детали и возникновению аварийной ситуации. Например, выявлено [6] разрушение винтовой цилиндрической пружины сжатия направляющего распределителя топливного насоса в результате фреттинга и коррозии под напряжением. Вместе с тем природа данного явления в достаточной мере не изучена. Поэтому необходимы дальнейшие исследования влияния фреттинг-процесса на поведение материала под действием статической нагрузки и коррозионной среды с учетом изменения реологических свойств материала.
Методика испытаний
Испытания на фреттинг проводили на модернизированной установке [7] при нагрузке Р = 30
© В. В. Шевеля, В. П. Олександренко 2006 г.
МПа и частоте f = 30 Гц. В качестве неподвижного образца использовались пластины из рессорной стали 65Г после закалки и отпуска при температуре 400 °С, которые контактировали с вибрирующим контробразцом из стали 40Х. Общий вид фреттинг-узла представлен в работе [8].
Фреттингостойкость оценивали тремя параметрами: локальным износом H, характеризующим максимальную глубину локального повреждения, средним линейным износом h и фреттинг-фактором Ф = H/h [9], характеризующим степень локального повреждения при фреттинге. Исследование повреждаемости проводили прибором Talyscan 150 фирмы Taylor-Hobson с использованием программы Taly Map Expert (Mountains Technology). Проводилось сканирование участков шириной 1 мм с периодичностью 10мкм (100 проходов на 1мм поврежденного участка).
Сопротивление микропластическим деформациям исследовалось в соответствии с методикой [10].
Для изучения реологических и прочностных свойств поверхностей на базе микротвердомера ПМТ-3 была разработана конструкция установки, позволяющая проводить исследования методом непрерывного вдавливания индентора. Метод основан на регистрации в процессе испытаний по автоматически записанной диаграмме глубины h внедрения индентора под нагрузкой Р. Расшифровка диаграммы функциональной зависимости глубины внедрения индентора от нагрузки h = f(P) позволяет получать более обширную, по сравнению со стандартным методом микротвердости, информацию [11].
Практика показывает [12], что лучше всего хрупкость материала выявляет испытание при действии на образец изгибающего момента, порождающего неравномерность поля напряжений, в связи с чем, для изучения склонности металла к коррозионному растрескиванию в условиях коррозии под напряжением была создана установка, позволяющая производить параллельные испытания девяти балочных образцов консольным изгибом. Нагруже-ние образца 1 (рис. 1) проводили с помощью гирь,
помещаемых на конец рычажного устройства 2, опирающегося на буфер. Для испытаний в жидких средах на образец устанавливалась камера 5, в которую заливался необходимый раствор. Использовался балочный образец прямоугольного сечения I х Ь х к = 150 х 20 х 3 мм с односторонним У-образным надрезом (а = 60 °С) глубиной 0,5 мм. При проведении двухступенчатых исследований на образы с противоположной стороны У-образного надреза наносилось фреттинг-повреждение при заданном числе циклов наработки, после чего они испытывались на коррозионное растрескивание в 3,5% растворе №С1. Стойкость материала к коррозионному растрескиванию оценивали по времени до разрушения образца, которое фиксировалось по таймеру, электрическая цепь которого размыкалась при опускании рычага в момент поломки образца.
Видно, что с увеличением числа циклов фреттин-гования средний и локальный износ возрастает, а фреттинг-фактор имеет экстремальную зависи-
щ
к
mri
20
^ ?
F J
4 1 ^ » >
JÖ
13
10
£5
15
13
ITwtr.
Рис. 2. Зависимость среднего линейного износа Л, локального износа Н, фреттинг-фактора Ф от числа циклов фреттингования (Р = 30 МПа, 1 = 30 Гц, А = 200 мкм, воздух)
Рис. 1. Принципиальная схема установки для испытаний
на коррозионное растрескивание: 1 - образец; 2 - нагружающее устройство; 3 - станина; 4 - приспособление для закрепления образцов; 5 - камера; Ф - фреттинг-повреждение; Н - надрез
Результаты экспериментов и их обсуждение
Изучалось влияние количества циклов предварительного фреттингования и соответствующего изменения реологических характеристик стали на время до разрушения образцов под действием статической нагрузки в коррозионной среде (рис. 2).
После испытания на фреттинг образцы исследовали на сопротивление микропластическим деформациям. В качестве показателей микропластичности использовали критическое напряжение микротекучести а3 и коэффициенты упрочнения A2 и A3, характеризующие изменения реологических свойств материала (рис. 3). В общем случае на кривых микропластичности могут проявляться три стадии, которые коррелируют с закономерностями амплитудной зависимости внутреннего трения (демпфирующей способности) [13]. Критическое напряжение микротекучести СТ3 характеризует степень охрупчива-ния (изменение предела упругости) металла, а коэффициенты A2 и A3, равные тангенсу угла наклона © соответствующих участков зависимости
а = f (д/sост ), характеризуют деформационное упрочнение. По относительному изменению критического напряжения а3 и наклона кривых на II и III стадиях можно судить об изменении плотности, подвижности и степени торможения дислокаций, осуществляющих неупругую деформацию, а значит - о степени деформационного упрочнения в микрообъемах.
Зависимость характеристик микропластичности материала от числа циклов наработки при фреттин-ге имеет сложный характер (рис. 4). На начальном этапе фреттингования (Мф = 105) наблюдается снижение критического напряжения микротекучести а3, коэффициента упрочнения A2 и повышение A3. Начальный период контактирования (приработки) характеризуется большими удельными нагрузка-
ра после наработки Мф = 106 циклов. Последующее снижение ст3 приводит к уменьшению величины фреттинг-фактора, несмотря на рост коэффициента упрочнения А2. В последующем опять происходит рост упругих свойств поверхности, что приводит к увеличению Ф. Таким образом, развитие процессов повреждения при фреттинге связано с проявлением реологических свойств поверхности, которые изменяются в процессе контактирования. Общая тенденция изменения свойств поверхности в ходе фреттингования связана с исчерпанием запаса микропластичности материала.
Рис. 3. Обобщенная зависимость между приложенным напряжением и остаточной микропластической деформацией
ми на пятнах контакта из-за пониженной фактической площади контактирования. Это приводит к значительным пластическим деформациям контактирующих объемов металла. Переход микродеформации материала в макродеформацию характеризуется третьей стадией микропластичности. Видно (рис. 4), что при Мф = 105 значение коэффициента динамического упрочнения А3 возрастает, т.е. способность структуры к значительным пластическим деформациям снижается. В результате на данном этапе преобладающее развитие получают процессы схватывания, вызывающие интенсивное локальное повреждение (Н) в местах фактического контакта поверхностей. Равномерный износ (Ь) при этом незначителен, а величина фреттинг-фактора (Ф) имеет экстремальное значение. В дальнейшем, с повышением числа циклов наработки (по мере приработки) увеличивается фактическая площадь контактирования, снижается давление в контакте, пластическая деформация локализуется в приповерхностном слое, на что указывает стабилизация коэффициента А3 и получают развитие реологические процессы, связанные со второй стадией микротекучести, характеризуемые показателями ст3 и А2. Скорость роста глубины локальных повреждений снижается и происходит уменьшение величины фреттинг-фактора, который проявляет осциллирующую зависимость от числа циклов наработки, что связанно с изменением микропластических свойств металла в ходе фреттингования. Увеличе -ние критического напряжения микротекучести и рост А2 указывает на стабилизацию структуры, снижение ее диссипативных свойств и, как следствие, происходит некоторое увеличение фреттинг-факто-
й
ЦПл
V"*4
У
А ,
НИ*'
А
ЫПЛ
N ПТТТТ
Рис. 4. Зависимость характеристик микропластичности стали 65Г (отпуск 400 °С) от числа циклов фреттингования (Р = 30 МПа; 1 = 30 Гц, А = 200 мкм)
Периодичность изменения величины критического напряжения 03 указывает на развитие на соприкасающихся поверхностях чередующихся процессов упрочнения и разупрочнения. Взаимодействие тел в ходе фреттингования локализуется в небольшом объеме материала вблизи поверхности и наибольшая интенсивность указанных процессов должна быть на участках фактического контакта и прилегающих к ним зонам. Для оценки релаксационных свойств локальных объемов металла использовали метод кинетической микротвердости.
В связи с тем, что исследовали поверхностный слой и получали отпечатки небольшой глубины, нужна была особая тщательность в технике приготовления шлифов, которая включала шлифование наждачной бумагой с последующим полировани-
ем фетровым кругом. После механической обработки для снятия наклепанного слоя применяли электрополирование. Поверхность дорожки трения после фреттинга имеет значительную шероховатость, поэтому были приготовлены шлифы, рабочая плоскость которых пересекала плоскость дорожки трения под прямым углом и проходила через зону непосредственного контакта - адгезионный шов. Чтобы избежать проявления "краевого эффекта", уколы, расположенные ближе 15 мкм от края поверхности, не учитывались.
Согласно [11], способность материала к релаксации напряжений 8Н оценивали по величине
V. ; н
5H =■
2Ah0
■in
30
ъ
10
к0 + Ай0 '
где h0 - глубина внедрения индентора под действием приложенной нагрузки; Ah0 - прирост глубины отпечатка при выдержке под нагрузкой.
Сравнительную оценку величины микропластичности и внутреннего трения осуществляли по показателю [11]
5
ю
где 5 - ширина петли гистерезиса, образованная на диаграмме при разгрузке и повторном нагруже-нии индентора; ю - соответствующая глубина внедрения индентора.
Из рис. 5 видно, что в зоне адгезионного взаимодействия (I) поверхностей способность материала к релаксации напряжений значительно снижена, о чем свидетельствует уменьшение величины 5H. Это связано с падением микропластичности стали, характеризуемой показателем у . В зоне влияния (II), вследствие развития усталостных процессов, наблюдается разупрочнение металла по-сравнению с исходным состоянием (III). Таким образом, на поверхности, подвергнутой фреттингу, выявляются зоны с пониженной и повышенной релаксационной способностью. Поэтому, несмотря на преобладающее развитие в определенные периоды наработки процессов разупрочнения, связанных со снижением напряжения старта винтовых дислокаций (а 3), существование зон со стабильной (хрупкой) структурой, обладающей низкими релаксационными свойствами, является предпосылкой развития процессов разрушения металла. Тем более, что в ходе фреттингования интенсивность диссипационных процессов, связанных с перемещением как краевых (рост А2), так и винтовых (рост А3) дислокаций, снижается.
Шк
/ /ГЛ v
\
ЕН-^Л
ш п I д П1
Рис. 5. Зависимость изменения релаксационной способности (5Н) и микропластичности (у) металла на микроучастках поверхности после фреттингования
Изменение в результате протекания фреттинг-процесса реологических и геометрических характеристик материала поверхности может оказывать влияние на поведение деталей под статистической нагрузкой, например, - на сопротивление коррозионному растрескиванию.
Исследования на коррозионное растрескивание при статическом изгибе проводились как на исходных образцах, так и после фреттингования под нагрузкой ст = 1600 МПа в среде 3,5% раствора №С1.
Установлено (рис. 6), что время до разрушения при коррозионном растрескивании тр с увеличением числа циклов фреттинг-наработки непрерывно снижается на несколько порядков. В то же время напряжение разрушения образца стр, определяемое при стандартных испытаниях на разрыв, изменяется незначительно.
Объяснить полученное явление снижения долговечности только уменьшением сечения образца в результате фреттинг-износа не представляется возможным. Снижение сопротивления металла коррозионному растрескиванию под влиянием фрет-тинг-коррозии, наряду с геометрическим, обусловлено действием реологического и повреждающего факторов. Определенное разупрочнение материала (снижение показателей СТ3 и А2) на начальной стадии фреттингования не сказывается благо -творно на процессе коррозионного растрескивания. Как видно (рис.6), после наработки Мф = 105цик-лов время до разрушения образца при выдержке под статической нагрузкой снижается. Важным условием развития коррозионного растрескивания [14] является концентрация напряжений в локализированных объемах, приводящая к возникновению и развитию трещин. Фреттинг характеризуется значительными локальными повреждениями,
проявляющимися уже в первые 20......25 % общей долговечности [15]. В период приработки неровности деформируются, происходит их холодная сварка, а при дальнейшем относительном смещении эти сваренные неровности разрываются либо по поверхности раздела, либо внутри неровностей [16]. В результате возникает повреж-денность, обусловливающая значительную величину фреттинг-фактора (рис. 2). Уже на ранних стадиях фреттинга на границе между участком со скольжением и участком без скольжения происходит зарождение трещины [17].
t j 1П1Н
1000
100
10
\
N гл
ч л
N
□i МП?.
1S00
1800
1700
10и
10 Г^шнга
Рис. 6. Зависимость напряжения разрушения (ор) и времени до разрушения (тр) от числа циклов фреттинго-вания (Р = 30 МПа, 1 = 30 Гц, А = 200 мкм)
Таким образом, влияние начального этапа фрет-тинга на процесс коррозионного растрескивания связано с возникающими поверхностными повреждениями: вырывами, кавернами, характеризуемыми повышенным фреттинг-фактором, - что способствует росту концентрации напряжений и снижению времени до растрескивания т
В процессе последующей наработки происходит снижение фреттинг-фактора, что способствует геометрической деконцентрации напряжений. Однако время до растрескивания при этом также значительно снижается. Это обусловлено действием реологических факторов, проявляющихся в увеличении деформационного упрочнения (росте А2, А3 и 03). Чем больше металл приобретает способность сопротивляться микротекучести, проявляя более высокую упругость, тем значительнее проявляется концентрация напряжений вследствие утраты материалом структурной подвижности. В результате снижения релаксационных свойств поверхностного слоя материала уменьшается время до растрескивания при наложении внешней нагрузки.
При наработке Ыф = 107циклов наблюдается вза-
имное усиление реологического, повреждающего и геометрического факторов, что приводит к падению стр до 1700 МПа и моментальному разрушению образца при испытании на коррозионное растрескивание.
Выводы
Фреттинг-коррозия оказывает значительное влияние на поведение материала под статической нагрузкой - коррозионное растрескивание. На начальных этапах фреттинга определяющим фактором, влияющим на снижение времени до растрескивания образцов, является повреждающий, который определяется фреттинг-фактором. В последующем - преобладающим становится реологический, обусловленный снижением релаксационных свойств поверхности после фреттинга. При определенных условиях развития фреттинг-коррозии превалирующим может быть геометрический фактор, связанный со значительным равномерным износом и приводящий к уменьшению поперечного сечения детали. На практике наиболее опасным является совместное действие этих трех факторов, приводящее к значительному снижению длительной прочности металлов. В связи с выявленными закономерностями, дальнейший интерес представляют исследования, связанные с влиянием на длительную прочность металлов степени локализованнос-ти фреттинг-повреждений, определяемой амплитудой проскальзывания.
Список литературы
1. Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фрет-тинг-коррозия металлов. - К.: Технка, 1974. - 272 с.
2. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг-коррозия. - Л.: Машиностроение, 1976. - 272 с.
3. Писаренко Г.С. Рассеяние энергии при механических колебаниях. - К.: АН УССР, 1962. - 433 с.
4. Шевеля В.В., Шевеля И.В., Калда Г.С., Олек-сандренко В.П. Микропластичность и коррозионная активность стали, как факторы фреттин-гостойкости // Проблемы трибологии. - 2001. -№ 2. - С. 14-18.
5. Яснм П.В. Пластично деформован матерiали: втома i трщиносшюсть. - Львiв: Свгг, 1998. -292с.
6. Hamdy Muhammad M. The dégradation of material by fretting stress corrosion // Wear. - 1991. - V. 151, № 1. - Р. 35-47.
7. Кузьменко А.Г., Волынский Б.С., Заболотная Л .В. Количественная оценка фреттинг-коррозии радиального подшипника при пульсирующей нагрузке. Сообщение 2 // Проблемы трибологии. - 1998. - № 3 - С. 44-59.
8. Шевеля В.В., Любимов В.Е., Олександренко В.П. Развитие геометрической структуры поврежде-
ний при фреттинг-коррозии металлов // Проблемы трибологии. - 2005. - №1. - С. 143-148.
9. Shevelya V., Drzymala A., Kalda G., Oleksandrenko V., Shevelya I. Fretting-factor as a parameter of wear-resistance at boundary friction // Scientific Bulletins of Rzeszow University of Technology. - 2002. - № 193. - P. 279-283.
10. А.с. № 536418 СССР. Устройство для определения остаточных деформаций в материалах при изгибе пластин равного сопротивления / В.В. Шевеля, А.Н. Гладченко, И.И. Ильинский. - БИ. - 1976. - № 43.
11. Булычев С.И., Алехин В.П., Шоршоров М.К., Терновский А.П. Исследование механических свойств материалов с помощью кинетической диаграммы нагрузка-глубина отпечатка при микровдавливании // Проблемы прочности. -1976. - №9. - С. 79-83.
12. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. - М.: Мир, 1972. - 246с.
13. Кон-Сю Ю., Соловьев Л.А., Коваль Г.П. Микродеформация, гистерезис и внутреннее трение поликристаллических сплавов // Аналитические
возможности метода внутреннего трения. - М.: Наука. - 1973. - С. 28-34.
14. Романив О.Н, Никифорчин Г.Н., Студент А.З. Фактор геометрии трещин и структурная чувствительность коррозионной трещиностойкос-ти низколегированных сталей при длительном нагружении // Физико-химическая механика материалов. - 1983. - Т.19, № 5. - С. 3-13.
15. Endo K., Goto H. Effects of environment on fretting fatigue // Wear. - 1978. - V. 48, № 1. - P. 347367.
16. Bethune B., Waterhouse R.B. Adhesion between fretting steel surfaces // Wear. - 1965. - V.8, № 22.
17. Waterhouse R.B. The role of adhesion and delamination in fretting wear of metallic materials // Wear. - 1977. - V. 45, № 3. - P. 355-364.
Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
Анота^я: Розглянуто вплив к1лькост1 цикл1в попереднього фреттингування, пошкод-жуваност1, що при цьому виникае i зм1ни реолог1чних характеристик сталi на час до руй-нування зразкв п id д'ею статичного навантаження i корозiйного середовища.
Abstract: The influence of quantity of preliminary fretting cycles, damage that emerges during this process and changes of the steel rheological characteristics on time as to the destruction of samples under the influence of static loading and corrosive medium is investigated.
