Что такое износоусталостное повреждение

Как известно, трибофатика (tribo-fatigue) выросла на стыке между трибологией (tribology) и механикой усталостного разрушения (fatigue). Как и всякая научная дисциплина, она имеет свой специфический объект для изучения, его называют силовой или трибофатической системой. Согласно ГОСТ 30638-99, трибофатика — это наука об износоусталостных повреждениях и разрушении указанных систем. Следовательно, понятие о комплексном износоусталостном повреждении является основополагающим.
Комплексное износоусталостное повреждение изучаемой силовой системы формируется двумя специфическими источниками. Первый источник обусловлен контактным взаимодействием элементов системы, второй — повторно-переменным объемным деформированием одного из элементов. Чтобы понять различия в характере повреждений при контактной, механической и контактно-механической усталости, рассмотрим четыре примера.
Пример первый. Типичное начальное повреждение поверхности вала в процессе механической усталости показано на рис. 1, а: экструзии и интрузии. Если вал становится одним из тел пары трения при качении, начальное повреждение его поверхности оказывается иным. На рис. 1, б показана поверхность вала после испытаний на контактную усталость. В результате контактно-фрикционных процессов при качении формируется специфическая зеренная структура, на фоне которой ясно видны микротрещины. Как зерна, так и трещины оказываются вытянутыми и однонаправленными — по движению при трении. Они результат деформационной фрагментации и начального разрушения исходной структуры. А если вал становится элементом силовой системы, начальное повреждение его поверхности (рис.1, в) принципиально отличается от того, что мы наблюдали при механической и контактной усталости. Теперь при контактно-механической усталости обнаруживается комплексное повреждение: пересекающаяся система множественных полос скольжения и субмикротрещин-пор. Таков результат взаимодействия повреждений, обусловленных двумя источниками, на микроуровне.
Пример второй. Предельное состояние вала при циклическом нагружении — разделение его на две части вследствие зарождения и развития поперечной магистральной усталостной трещины (рис. 2, а, б). При этом очаг трещины, как правило, обнаруживается в слабой зоне, расположенной в окрестности поверхности. Предельное состояние того же вала при контактной усталости не связано с объемным разрушением — оно может достигаться путем образования на поверхности трения ямок выкрашивания критической плотности (рис. 2, в). А в случае контактно-механической усталости излом вала становится принципиально иным (рис. 2, г, д): в кольцевой поверхностной зоне обнаруживается большое количество очагов множественных усталостных трещин; характер излома можно определить как многоочаговый (многолопастный). Это и есть результат сложного взаимодействия повреждений от контактной и внеконтактной нагрузок. на рис. 2, а можно видеть ровные берега обычной усталостной трещины, а на рисунке 2, г — рваные берега множественных контактно-усталостных трещин, которые развиваются зигзагообразно от одной к другой (слабой) группе поверхностных ямок выкрашивания (рис. 2, в). Таков результат взаимодей¬ствия повреждений, обусловленных двумя источниками, на макроуровне.
Пример третий. При контактной усталости, в зависимости от условий деформирования, возможно подповерх¬ностное зарождение множественных малых начальных трещин, развитие которых параллельно контактной площадке (рис. 3, а) приводит к своеобразному поверхностному разрушению — износу отслаиванием и выкрашиванию частиц материала (рис. 3, б — рельсовая сталь М74). А при контактно-механической усталости, в определенных условиях, обнаруживается подповерхностный очаг поперечной магистральной усталостной трещины, развитие которой приводит к разделению рельса на части (рис. 3, в). Условия для столь кардинального изменения характера разрушения создаются в результате сложного взаимодействия повреждений, генерируемых соответствующими нагрузками.
Пример четвертый. Применение тонких экспериментальных методов исследования позволило изучить и понять принципиальные особенности комплексного — износоусталостного повреждения. На рис. 4 приведены результаты изучения (методом атомно-силовой микроскопии) процессов трещинообразования образцов углеродистой стали при трении качения и при износоусталостных испытаниях в зависимости от уровня контактного давления р0 и величины амплитуды циклических напряжений ?a. На рисунках (их размер ?35?35 мкм2) показана морфология трещин, типичная для соответствующих режимов испытания. А на гистограмме дана зависимость критической глубины h повреждаемого слоя от уровня циклических напряжений (при неизменном контактном давлении
р0 = 2130 МПа). Из этих экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.
При чистом трении качения увеличение контактного давления ведет к усилению пластической деформации, следовательно, к деформационной фрагментации зерен, образованию сначала дискретных пор и трещин, а затем и их цепочек. Система деформированных зерен, цепочек пор и трещин является однонаправленной и ориентирована вдоль направления качения. Этот процесс приводит к образованию относительно крупных дискретных ямок выкрашивания. Основными оказываются два вида изнаши-
вания — отслаивание и выкрашивание. А критическая глубина повреждаемого слоя оценивается в ?0,4...0,5 мкм.
При испытаниях на контактно-механическую усталость аналогично наблюдается и деформационная фрагментация зерен, и образование пор и трещин. Однако картина повреждения существенно видоизменяется. С увеличением амплитуды циклических напряжений ускоряется процесс образования второй системы трещин — поперечных по отношению к направлению качения. Поэтому повреждение становится рассеянным, возникает почти равновесная сетка пересекающихся трещин-пор, которая окаймляет мелкодисперсные частицы (фрагменты зерен) материала. Чем выше циклические напряжения, тем гуще сетка трещин-пор, тем меньше и тоньше отделяемые частицы, а критическая глубина повреждаемого слоя уменьшается до 0,05 мкм. Тем самым предотвращается образование крупных и глубоких ямок выкрашивания. Ведущим процессом изнашивания в этом случае оказывается поверхностное крошение. Оно характеризуется отделением с рабочей поверхности мелкодисперсных частиц материала, образующихся в результате множественного микросдвига по пересекающимся плоскостям, образования огромного числа рассеянных микроскопических трещин-пор и тонкого дробления зерен. Такой механизм комплексного поверхностного повреждения называют рассеянным эффектом множественного микросдвига (РЭММС); это эффект Сосновского — Махутова — Чижика. Изложенные результаты позволяют установить причины того, что в определенных условиях износоусталостное повреждение оказывается менее опасным, чем повреждение при трении (при одинаковых контактных давлениях).
Наложение полей контактных и изгибных напряжений приводит к диссипированию большей подведенной энергии в более тонком поверхностном слое материала и локализации в нем процессов трещинообразования и изнашивания. Энергия деформации расходуется скорее на более тонкое дробление фрагментов зерен и их множественное отделение, чем на проникновение повреждения вглубь материала.
Износ поверхностного слоя, поврежденного сеткой трещин-пор, обнажает новую, относительно здоровую поверхность с высоким сопротивлением разрушению. Тем самым отдаляется во времени или даже вовсе предотвращается (в зависимости от условий нагружения) образование относительно крупных ямок выкрашивания, на дне которых возникает опасная микроконцентрация напряжений и опасная магистральная трещина.
Потребуется примерно десятикратное обновление рабочей поверхности путем фрагментации, крошения и отделения частиц металла при износоусталостных испытаниях, прежде чем будет достигнута такая же глубина повреждения, как при трении качения, если контактное давление в обоих случаях одинаково.
Таким образом, экспериментально было установлено, что износоусталостное повреждение — особый и своеобразный вид поверхностного повреждения основного элемента силовой системы. Его особенность в данных условиях: поверхностное крошение в результате работы РЭММС по пересекающимся плоскостям скольжения. Его своеобразие в том, что хотя это и повреждающий процесс, но он полезен, так как приводит к значительному повышению надежности и долговечности силовой системы. Очевидно, что при оптимальном сочетании нагрузочных параметров ?a и р0 достигается такое состояние силовой системы, когда ее несущая способность самопроизвольно и в течение длительного времени поддерживается (или автоматически регулируется) тонким изнашиванием и удалением из зоны трения поврежденного поверхностного слоя.
Изложенные экспериментальные данные позволяют сделать следующее заключение: необратимые повреждения, обусловленные только контактной нагрузкой (обозначим их меру ?p), и необратимые повреждения, обусловленные только циклическими напряжениями (от внеконтактной нагрузки — обозначим их меру ??), не складываются в процессе износоусталостных испытаний, но сложным образом (нелинейно) взаимодей¬ствуют (?? ?? ?p ) между собой. Результат такого взаимодействия
f ? (?? ?? ?p)= ??
и есть комплексное (износоусталостное) повреждение ??.
Теперь, когда дан доказательный ответ на вопрос о том, что такое комплексное — износоусталостное повреждение, можно выяснить взаимоотношения между трибологией и механикой усталост¬ного разрушения, с одной стороны, и трибофатикой — с другой (табл. 1). В табл. 2 приведена классификация основных видов износоусталостного повреждения и даны примеры типичных силовых систем. Видно, что это — наиболее ответственные системы современных машин и оборудования. Этим, по существу, и определяется огромное значение трибофатики.