CC BY
10
УДК 621.891:669.018.44
Л. И. Ивщенко, И. Н. Павлюченко
СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗНАШИВАНИЮ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕЗ РАЗРЫВА
КОНТАКТА
Аннотация: Рассмотрено влияние внешних параметров нагружения (число циклов контактирования, нагрузка, амплитуда относительных перемещений, температура) на изнашивание жаропрочных материалов, применяемых в трибосопряжениях ГТД.
Сложный процесс контактного взаимодействия поверхностей в ряде реальных трибосопряжений ГТД может быть предоставлен в виде нескольких схем. Контактирование по этим схемам вызывает существенный износ сопрягающихся поверхностей.
Это динамическое взаимодействие состоит из следующего ряда:
а) возвратно-поступательное скольжение поверхностей с приложением нормальной статической нагрузки в условиях без разрыва контакта (подобно взаимодействию при реверсивном трении);
б) взаимодействие поверхностей в условиях приложения динамической нагрузки без скольжения (тангенциального смещения) и без разрыва контакта (асимметричное сжатие);
в) взаимодействие поверхностей при приложении динамической нагрузки без скольжения, но с разрывом контакта (процесс ударного взаимодействия);
г) взаимодействие поверхностей при приложении динамической нагрузки и возвратно-поступательном движении в условиях без разрыва контакта (подобно взаимодействию при фреттинге);
д) взаимодействие поверхностей при их осциллирующем перемещении в направлении, перпендикулярном прилагаемой динамической нагрузке в условиях с разрывом контакта (т.е. удар с последующим проскальзыванием).
Сочетание перечисленных процессов контактного взаимодействия в той или иной последовательности приводит к такому виду взаимодействия, при котором величины нагрузок, частот, амплитуд взаимного перемещения поверхностей изменяются во времени
Существенный износ при динамическом контактном нагружении имеют трибосистемы, в которых осуществляются процессы взаимодействия без разрыва контакта, при ударе и ударе с проскальзыванием.
Рассмотрим влияние внешних параметров на-гружения на износостойкость конструкционных материалов в условиях без разрыва контакта.
Как уже отмечалось, взаимодействие рабочих
© Л. И. Ивщенко, И. Н. Павлюченко 2006 г.
поверхностей в условиях без разрыва контакта возможно при реверсивном трении, а также возвратно-поступательном скольжением с малыми амплитудами (фреттинг процесс). Строгой градации возвратно-поступательного движения по амплитудам не существует, однако принято считать, что до амплитуд порядка 0,4 мм развиваются процессы, присущие фреттингу, а свыше 0,4 мм - реверсивному трению.
Установлено [1, 2, 3], что при идентичных условиях реверсивного и однонаправленного трения свойства рабочих поверхностей существенно отличаются, а знакопеременность трения отражается на износостойкости деталей машин. При реверсивном трении без смазки, образцы изнашиваются больше, чем при одностороннем. Для разных материалов это увеличение составляет от 1,5 до 10 раз.
В этом случае износ определяется нагрузкой и скоростью возвратно-поступательного перемещения. Реверсивное трение вызывает огрубление поверхности и схватывание материалов в зоне контакта, которое наблюдается почти в 2 раза быстрее, чем при одностороннем трении. В случае реализации динамического режима нагружения в процессе возвратно-поступательного скольжения по схеме "сфера-плоскость" [4] интенсифицируется формирование неравновесной структуры по сравнению со статическим нагружением.
В отличие от реверсивного трения процессы разрушения поверхности при фреттинге происходят при малых колебательных относительных перемещениях (амплитуда 0,010-0,40 мм, относительная скорость перемещения 2,5-7,5 мм/с). В настоящее время достаточно полно изучены механизмы фреттинг-износа для конструкционных материалов, работающих при нормальных температурах. Вместе с тем сведения по исследованию темпера-туроустойчивых материалов крайне скудны и сами исследования проведены при различных схемах нагружения. Поэтому достаточно трудно судить о поведении жаропрочных сплавов, работающих в условиях без разрыва контакта и при повышенных температурах.
Рассмотрим влияние таких параметров нагру-жения как число циклов, амплитуда взаимного перемещения, нагрузка в контакте, температура на износостойкость жаропрочных сплавов в условиях без разрыва контакта и осциллирующего перемещения. Исследования проводились по методикам, описанным в работе [5].
В общем случае увеличение числа циклов на-гружения приводит к повышению интенсивности разрушения. Однако сделать однозначные выводы достаточно затруднительно, поскольку, как уже говорилось, эксперименты проводились при различных нагрузках и амплитудах. Поэтому полученные экспериментальные результаты целесообразно привести к одному критерию - коэффициенту интенсивности изнашивания:
Л
К у —- ,
рА
где - интенсивность изнашивания, мм3/цикл;
р - нагрузка в контакте, Н;
А - амплитуда взаимного перемещения, мм.
Снижение с ростом числа циклов для сплавов ХН77ТЮР и ЖС6У (рис. 1) неодинаково и судить о продолжительности перехода от интенсивного износа к установившемуся достаточно трудно. Более чувствительной характеристикой в этом отношении является скорость изменения коэффициента интенсивности изнашивания с ростом числа циклов (рис. 2), определяемая как тангенс угла наклона кривой к оси абсцисс (АКЛ / Ли). Для сплава ХН77ТЮР явно выраженного перехода от интенсивного износа к умеренному не наблюдается, хотя можно выделить три периода, где скорость уменьшения заметно меняется. Первый период ( до п = 0,1 • 106 циклов) - наиболее высокая; второй (от 0,1 до 0,4106 циклов) - изменение скорости прямо пропорционально числу циклов; третий ( свыше 0,4106 ) - скорость снижения остается постоянной. Однако, считать, что период приработки заканчивается только после п = 0,4106 циклов, по-видимому, нельзя, поскольку равновесная шероховатость устанавливается значительно раньше (см. рис. 3). Следует отметить, что для сплава ЖС6У продолжительность перехода от интенсивного износа к установившемуся несколько больше, чем для ХН77ТЮР (если судить по времени появления равновесной шероховатости). В этом случае, по-видимому, основную роль играет сдвиговая прочность молекулярных связей, являющаяся одним из наиболее существенных параметров, влияющих на установление равновесной шероховатости [5]. Кроме того, диссипация энергии в точках контакта у сплава ХН77ТЮР будет меньше, чем у ЖС6У, следовательно, и период перехода меньше. Это следует из экспериментов Б.В. Протасова [7], до-
казывающих, что в процессе приработки, когда перестраивается микрорельеф поверхности путем избирательного разрушения энергетически перегруженных микронеровностей, сохраняются в большей части те из них, которые обеспечивают минимум перехода части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного.
Рис.1. Влияние числа циклов нагружения на коэффициент интенсивности изнашивания никелевых сплавов: 1 - ХН77ТЮР; 2 - ЖС6У
Продолжительность перехода от интенсивного к установившемуся существенно уменьшается с увеличением таких параметров как давление в контакте, амплитуда относительных перемещений и температура.
Изменение износа в зависимости от величины нормальной нагрузки в контакте может быть различным и будет определяться, прежде всего условиями испытаний. Полученные различными исследователями данные по влиянию нагрузки в контакте значительно отличаются друг от друга. Расхождения касаются характера изменения зависимости "износ- нагрузка" (пропорциональный или
параболический). Эти результаты объясняются условиями испытаний (различные схемы нагружения, диапазоны нагрузок, амплитуды относительных перемещений), а также физико-механическими свойствами материалов, которые в сочетании определяют различные механизмы изнашивания. Исследования, проведенные авторами, показывают, что влияние нагрузки на коэффициент интенсивности изнашивания жаропрочных сплавов (рис. 4) носит характер, близкий к параболическому. Вместе с тем величина критической нагрузки, при которой наблюдается максимум интенсивности изнашивания и абсолютная величина К^ сдвигается в сторону большей пластичности материала, с повышением которой, увеличивается фактическая площадь контакта.
Характер изнашивания материалов как функция амплитуды относительных перемещений достаточно полно освещен только для условий фреттинг-коррозии. Влияние амплитуды на износ проявляется в основном через скорость проскальзывания, которая вызывает изменение условий трения и интенсивности повреждения контактирующих поверхностей.
Авторами исследовалось влияние амплитуд проскальзывания на износ жаропрочных сплавов
ЖС6У, ХН77ТЮР в диапазоне 0,025-0,25мм при нормальном приложении пульсирующей нагрузки в условиях без разрыва контакта. Результаты исследований (рис. 5) показывают, что характер зависимости для жаропрочных сплавов близок к таковым для обычных сталей, что, по-видимому, определяет единый механизм повреждаемости материалов в условиях перемещений без разрыва контакта при комнатных температурах. Однако численные значения коэффициента интенсивности изнашивания отличаются от полученных другими исследователями для углеродистых сталей. До амплитуд 0,05 мм коэффициент интенсивности изнашивания увеличивается прямо пропорционально увеличению амплитуды. Вместе с тем увеличение несколько больше, чем и других материалов, испытанных примерно в тех же условиях. При амплитудах более 0,05 мм имеет место резкое увеличение КЛ, хотя и меньшее, чем отмеченное в более ранних исследованиях. Причину отличия следует искать в природе контактирующих материалов, а также в их способности образовывать защитные слои на поверхностях контакта.
АК,„/ДП
Рис. 2. Зависимости скорости изменения коэффициента изнашивания (а) и равновесной шероховатости (б) сплавов
ХН77ТЮР (1) и ЖС6У (2) от числа циклов нагружения
70 60 50
40 30
20 10
10 ,мм3/цикл 'Дж
\
\- I
2
1 3 \
20
40
60
80 Руд.МПа
15
10
/ -
I > /
Л-
\ £
о ДО
0,£0
Рис. 5. Изменение коэффициента интенсивности изнашивания сплавов ХН77ЮР(1) и ЖЗ6У(2) от амплитуды взаимного перемещения образцов
Рис. 4. Влияние удельной нагрузки в контакте на коэффициент интенсивности изнашивания сплавов ХН77ТЮР (1), ЖС6У (2), ВЖЛ-2 (3)
Из анализа литературных источников по исследованию влияния температуры на износ материалов в условиях без разрыва контакта вытекает, в основном, два типа зависимостей " износ-температура" (рис. 6). Оба характера износа в зависимости от температуры имеют место как для жаропрочных сплавов на основе № и Со, так и для мягких сталей на основе Ре, а также для титановых сплавов.
Первый тип кривых (рис. 6, I) характерен наличием двух переходных температур: Т - температура перехода к наибольшему износу (находится в пределах 100-250 °С ); Т2 - температура перехода к установившемуся износу (находится в диапазоне 115-500 °С).
К-,/106 .км^цикл' Дж
Рис. 6. Характерные зависимости износа от температуры
Второй тип кривых (рис.6, II) характеризуется резким снижением износа (в 3-10 раз) при увеличении температуры до точки Т3. Диапазон температур Т3 колеблется в пределах 140-500 °С и определяется химическим составом сплава. Дальнейшее повышение температур (свыше Т3) вызывает медленное снижения износа. Несколько отличаются данные, полученные Е. Рара [3], когда повышение температуры с 20 до 350 °С при реверсивном трении (амплитуда проскальзывания А = 2,5 мм) вызывает уменьшение износа сплавов ЫС20 в 14,7 раз, Наупеэ 25 в 35 раз, 1Ы100 в 115 раз.
Наши исследования показывают, что характер изнашивания сплавов ЖС6У, ХН77ТЮР и ВЖЛ-2 (рис. 7) подобен характеру кривых II (рис. 6). Однако явно выраженной температуры перехода Т3 для сплавов ВЖЛ-2 и ЖС6У не наблюдается, в отличие от ХН77ТЮР, где температура перехода составляет величину порядка 450-500 °С.
К,; 10
,мм/цикл*Дж
40 30
20 Ю
Л
2 3
200 400 600 000 Ь, °С
Рис. 7. Изменение коэффициента интенсивности изнашивания сплавов ХТ77ТЮР(1), ЖС6У(2) и ВЖЛ-2(3) от температуры
Исследованиями топографии, изношенных при различных температурах поверхностей установлено, что при температурах ниже Т3, износ обусловлен усталостными и адгезионными процессами, а свыше температур перехода скоростью изнашивания управляет окисление.
Из проведенных исследований износостойкости жаропрочных сплавов в условиях динамического взаимодействия без разрыва контакта следует:
- характер зависимостей по влиянию внешних параметров нагружения на интенсивность изнашивания подобен полученным ранее при исследованиях в условиях фреттинг-коррозии. Однако значения коэффициента интенсивности изнашивания значительно отличаются по абсолютной величине;
- число циклов контактного взаимодействия до появления равновесной шероховатости, определяющей переход от интенсивного износа к установившемуся, зависит от пластичности материала и температуры;
- величина критической нагрузки, при которой имеет место максимум интенсивности изнашивания зависит от факторов, определяющих фактическую площадь контакта;
- зона температур, при которых происходит снижение интенсивности изнашивания для сплава ХН77ТЮР выражена явно (в отличие от сплавов ЖС6У и ВЖЛ-2) и определяется окислительной способностью материалов.
Список литературы
1. Евдокимов В.Д. Реверсивность трения и качество машин. - К.. Техника, 1977. - 148 с.
2. Ward R. Acomparison of Reiprocating and continious sliding wear // Waer, 1970. - V.15, №6.
- 423 р.
3. Papa E. Usure et Frottement sic de superalliages // These. Post. - ing. Sci / Inst.nat.polytechn. -Toulouse: 1984. - 125 p.
4. Потамошнев А.П., Бершадский Л.И. Эффекты структурной упорядоченности металла при динамическом нагружении контакта сфера - плоскость // Трение и износ. - 1987. - №6. - С. 10751081.
5. 1вщенко Л.Й., Андоенко А.Г. Метод триболопч-них випробувань за умов циктного силового i температурного навантаження / Металознавство та обробка металiв. - 1996. - №3. - С. 62-65.
6. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526с.
7. Протасов Б.В. Явление оптимизации поверхностей трения // Надежность приборов точной мехи-ники: Сб. науч. тр. Саратовского политехн. ин-та.
- Саратов, 1972. - Вып.55. - 24 с.
Поступила в peдакцию25.04.200б г.
Анотаця: Розглянуто вплив зовн1шн1х параметр1в навантаження (число цикл1в контак-тування, зусилля, ампл1туда в1дносних перем1щень, температура) на зношування жаро-м1цних матер1ал1в, як використовуються в трибоспряженнях ГТД.
Abstract: Considered is the influence of external loading parameters (number of contacting cycles, loading, the amplitude of relative displacements, temperature on wear-out of heat resistant materials being used in tribomated parts of gas turbine engines (GTE).
ISSN 1727-0219 Вестникдвигаmeлeсmpoeния № 1/2006 — 10S —
