книги из ГПНТБ / Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения

варительной коррозии на прочностные свойства материалов по­ дробно рассмотрено в [13, 67].

В работе [13] изучено влияние предварительной коррозии в атмосферных условиях и при периодическом смачивании 3 % - н ы м раствором NaCl на усталостную и коррозионно-усталостную проч­ ность образцов (диаметр рабочей части 20 мм) из стали 45 после различных режимов механической обработки (табл. 13).

Поскольку силовое резание создает более значительную гете­ рогенность структуры поверхностных слоев, предварительная кор­ розия сказывается заметнее на уменьшении предела усталостной прочности стали в воздухе, чем после обычного или скоростного

анализа имеющихся данных можно заключить, что изменение чи­

деталей из углеродистых и легированных сталей, работающих в

Фретинг-коррозия является особым видом поверхност­ ного разрушения соприкасающихся поверхностей номинально не­

73

охватывает одновременно два процесса: механический и физико-

вибрирующих деталей, находящихся в контакте с другими дета­ лями (листовые рессоры; валы и оси с насаженными на них ше­

Фретинг-коррозия протекает как в воздухе, так и в присут­ ствии различных газообразных и жидких сред, а также в вакууме. Она является предметом широких исследований советских и зару­ бежных ученых. К настоящему времени выдвинуто ряд гипотез, объясняющих явления фретинг-коррозии, получен обширный экс­ периментальный материал по изучению влияния различных фак­ торов на этот процесс разрушения . Значительно меньше работ посвящено влиянию фретинг-процесса на несущую способность деталей, особенно в присутствии различных коррозионных сред.

В работе [100] исследовано влияние на фретинг-коррозию про­ кладок из различных материалов, помещенных в зону контакта. Опыты проводились на плоских стальных образцах из стали Ст.З сечением 50 X 75 мм, подвергнутых чистому изгибу в одной пло­ скости с частотой 33,3 гц при базе 107 циклов. Прокладки помеща­ лись между образцами и захватами машины. Контактное нормаль­ ное давление составляло около 9 кГ'/мм2. Установлено, что поме­ щение в зону контакта прокладок из прессшпана толщиной 0,4; 0,8 и 1,5 мм увеличивает предел выносливости образцов по тре-

кладки при самой малой толщине (0,4 мм) в случае поломки образцов оставались не разрушенными, авторы работы [100 ] прихо­ дят к выводу, что защита поверхности образца от электроэрозион­ ного разрушения достигается уже при малых толщинах прокладок. Повышение же предела выносливости образцов с увеличением тол­ щины прессшпановых прокладок объясняется причинами, не свя­ занными с электроэрозией. Мехапизм повышения выносливости образцов с помещенными в зону контакта прессшпановыми про­ кладками еще не раскрыт.

Существенное повышение выносливости, достигаемое помеще­ нием в зону контакта прокладок из цинка, в работе [54] объясня­ ется своего рода протектированием. Полояштелыюе влияние, ока зываемое на повышение выносливости прокладок из углеродистой и нержавеющей стали, а также алюминия и меди, еще точно не установлено.

Наличие в зоне контакта продуктов коррозии, возникающих при предварительной коррозии, так же как и окалины, оставшейся после прокатки, препятствует электроэрозионному процессу и

74

б л а г о п р и я т но влияет на усталостную прочность деталей в зоне контакта. Предварительная коррозия не оказывает положитель­ ного в л и я н и я на усталостную прочность деталей, если они в зоне контакта у ж е были предварительно упрочнены с помощью поверх­ ностного наклепа. В работе [1001 указывается, что причина сни­ жения усталостной прочности стальных деталей в зоне контакта — совместное действие таких факторов, как концентрация напряже ­ ний, электроэрозия, механическое истирание поверхности и фретинг-коррозия. На наш взгляд, такое разделение факторов яв ­ ляется чисто условным, ибо при циклическом деформировании об­ разца с насадками одновременно действует ряд факторов, хотя в зависимости от условий испытании ведущую роль может воспол­ нить какой-нибудь один фактор.

В результате экспериментов, проведенных на листовых образ­ цах из стали Ст.З, сваренных внахлестку точечной сваркой (тол­

107 циклов), было установлено, что наличие такого сварного со­

строму развитию разрушения в данном случае способствует имею­ щая место фретинг-коррозия на сопрягаемых поверхностях.

Введение клеевой прослойки из эпоксидного клея холодного отверждения ВК-9 в зазор между свариваемыми листами повышает их усталостную и коррозионно-усталостную прочность, хотя по абсолютному значению условный предел коррозионно-усталост­ ной прочности по-прежнему остается низким и составляет прибли­ зительно 7 кГ/мм2. Усталостная и коррозионно-усталостная проч­ ность стальных образцов с насаженными на них втулками в зависимости от натяга — зазора в соединении вал — насадка, гео­ метрии и природы материала втулки с учетом масштабного фактора изучена в работах [84, 143]. Исследования проводились при чистом

щины втулки. Влияние прессовых насадок на выносливость об­ разцов наблюдается даже в нейтральной среде (аргон). В воздухе

75

ется слабее, чем в воздухе. Материал насадок (сталь, латунь, фто­ ропласт, резина) заметно влияет на усталостную прочность образ­ цов в воздухе, но не оказывает существенного в л и я н и я на изме­ нение условного предела коррозионной усталости образцов из

роль при циклическом деформировании деталей в условиях фре- тинг-коррозии в воздухе.

ным содержанием углерода при циклическом чистом изгибе с вра­ щением образцов, находящихся под одновременным воздействием трения — скольжения по методике, описанной в гл. I I . Резуль ­ таты испытаний показали, что при небольших удельных давлениях в зоне трения в условиях хорошей смазки имеет место некоторое упрочнение образца в этой зоне за счет его поверхностного накле­ па. С увеличением удельного давления в зоне трения так ж е , как при использовании отработанных или содержащих воду масел, выносливость образцов при наличии очага внешнего трения — скольжения существенно уменьшается (рис. 38).

76

В случае использования свежих масел снижение выносливости образцов при повышении давления на них бронзовых вкладышей вызвано разупрочнением поверхностных слоев металла вследствие перенаклепа, а также схватыванием контактирующих тел, что приводит к местному разрушению образцов и образованию задиров, приводящих к ускорению усталостного разрушения . Приме­ нение масел с повышенной поверхностной активностью сдвигает момент схватывания вращающегося образца и вкладышей в сто­ рону больших удельных давлений.

Т а б л и ц а 14

Изменение состава и электрохимической активности машинного масла СУ в зависимости от условий эксплуатации

цессы. Поэтому исследование выносливости деталей без очагов внешнего трения, а также при наличии трущихся пар с учетом изменения состава некоторых смазок — актуальная проблема. Установлено, например, что масло СУ в исходном состоянии со­ держит незначительное количество серы, воды и механических примесей (табл. 14). Эксплуатация масла в редукторе в течение 125 ч увеличивает в нем содержание воды в 5—6 раз, а т а к ж е ме­

жиме и на холостом ходу масло загрязняется больше, образуются так называемые низкотемпературные осадки. Кроме того, в этом случае в масло попадает вода вследствие конденсации водяных иаров в картере. Присутствие в применяемых маслах различных кислот, воды и серы усиливает электрохимическую активность среды, что вызывает более резкое проявление гетерогенности ме­ талла, связанной, в частности, с его деформацией и выходом на

77

поверхность дислокаций. Измерение общего электродного потен­ циала поверхности металла в зависимости от качества смазки (см. табл. 14) дает возможность приближенно судить о взаимодей­ ствии между ними. Сдвиг электродных потенциалов в отработан­ ных маслах в отрицательную сторону подтверждает наличие на­

выносливость стальных деталей существенно зависит от интен­ сивности процесса фретинг-коррозии, развивающегося в местах

поверхности деталей на проявление фретинг-коррозии.

Проведенные нами исследования показали, что фретинг-корро- зию можно существенно уменьшить с помощью диффузионного

рик — плоскость». Материалом иидентора (шарика) служил твер­ дый сплав ВК - 8 . Величина повреждения замерялась на профило-

испытаний составляла 400 тысяч циклов нагружения с замером величины повреждения через каждые 100 тысяч циклов. Исследо­ вания проводили на широко распространенной в машиностроении стали 45. Диффузионное насыщение стали осуществляли бором [50], хромом [40], ванадием [82], а также комплексное насыщение бором и медью [158], хромом и углеродом [159]. Образцы иссле­ довали без термической обработки, а также с последующей закалкой с низким (200° С) или высоким (560° С) отпуском. Резуль­ таты исследований показали, что наиболее склонны к поврежда­ емости образцы без термообработки (рис. 39). Термообработка уве­ личивает стойкость стали против фретинг-процесса, однако с увеличением температуры отпуска повреждаемость возрастает, что объясняется снижением твердости материала. Процесс активации поверхностных слоев стали без термообработки происходит в зна­ чительно большей степени, чем закаленных и отпущенных. В ак-

78

тивированных слоях происходит схватывание в точках контакта с дальнейшим разрывом мест связи, а также интенсивное окисле­ ние с образованием толстых хрупких пленок окислов.

На основании электронномикроскопического исследования зон фактического контакта и зон первичного влияния, в которых

в поверхностных слоях протекают процессы упрочнения и раз­ упрочнения, что свойственно усталостным явлениям.

Диффузионное насыщение стали 45 хромом, бором, ванадием, а также комплексное насыщение бором и медью, хромом и угле­ родом резко повышают стойкость стали к повреждаемости. Это можно объяснить высокой твердостью и износостойкостью диф­ фузионных слоев. Кроме того, интерметаллические соединения, образующиеся в результате диффузионного насыщения, имеют высокую стойкость против окисления. Поэтому при фретинг-про- цессе для ненасыщенных сталей, где преобладает динамическое окисление и лунка повреждения может иметь характерный корич­ нево-красный цвет, лунки повреждения на диффузионных покры­ тиях имеют темно-блестящий цвет. Процесс окисления деформи­ рованного металла, т. е. образование и разрушение окисных

79

пленок, резко затормаживается. В этом случае разрушение идет, в основном, с преобладанием схватывания в зоне контакта. Кине­ тика образования и разрушения окисных пленок контролирова­ лась по изменению контактного электросопротивления (рис. 40). Продукты разрушения диффузионных слоев уже не имеют харак ­ терного цвета ржавчины, а представляют собой темно-серый по­ рошок с некоторым изменением цвета дл я каждого диффузионного покрытия .

Термообработка диффузионно насыщенных сталей существенно повышает их стойкость против фретинг-процесса (за исключением борирования), что можно объяснить повышением твердости серд­ цевины основного металла. При этом с увеличением твердости стойкость повышается. Если твердость сердцевины низкая (Нц =

чем за 100 тысяч циклов нагружения . Последующая термообработ­ ка повышает стойкость хромированной стали в 3—4 раза . После карбохромирования толщина диффузионного слоя больше, больше и карбидная составляющая слоя (А = 0,04 мм) и процесс разру ­ шения идет менее интенсивно, чем после хромирования. Ванадирование с последующей термообработкой увеличивает стойкость стали против фретинг-процесса в 10—11 раз по сравнению с не­ насыщенной сталью. Если диффузионные слои имеют глубину около 0,15 мм (борирование, боромеднение), при принятых удель­ ных нагрузках они довольно успешно сопротивляются фретингпроцессу, причем боромеднение придает образцам несколько мень­ шую стойкость, что объясняется присутствием в диффузионном слое пластичной меди. В результате термообработки борированной стали стойкость ее к повреждаемости несколько снижается, несмотря на увеличение твердости основного металла. Это проис­ ходит вследствие образования большого числа трещин в слое, вызванных различными коэффициентами объемного расширения для боридов и стали. Таким образом, для боромедненных образ­ цов термообработка несколько повышает стойкость к повреждае­ мости при фретинг-процессе. Это можно объяснить еще и тем, что включения меди, я в л я я с ь как бы буферными участками, умень­ шают количество трещин в диффузионном слое по сравнению с чис­ тым борированием. С увеличением количества циклов нагружения повреждаемость изменяется по прямолинейному закону. При

80

ляется эффективным средством повышения стойкости сталей от фретинг-процесса.

Стойкость против повреждаемости при фретинг-коррозии мож­ но повысить так же алитированием. Однако степень в л и я н и я диф­ фузионного насыщения на усталостную и коррозионно-усталост- ную прочность в условиях фретинг-коррозии еще не установлена.

5. Масштабный фактор

Многочисленными работами установлено, что усталост­ ная прочность деталей (образцов), изготовленных из одного и того же материала при соблюдении геометрического подобия, техноло­ гии изготовления, условий эксплуатации и других факторов, оп­ ределяется их размерами. Изменение несущей способности детали

сталей больше, чем из углеродистых. Его проявление тем сильнее,

висит лишь от диаметра образца, а такие параметры, как его длина и конфигурация, существенного влияния на уровень усталости не оказывают, хотя это противоречит энергетической и статисти­ ческой теориям усталостной прочности. Г. В . Карпенко и Р . Г. Погорецкий [77, 138] исследовали масштабный фактор при изменении не только одного параметра — диаметра образца, но и его длины, радиуса галтелей, наличия концентратора напряжений, неподвиж­ ных посадок, воздействия среды и т. н.

больших диаметров наиболее приемлемой является статистическая гипотеза. Согласно этой гипотезе при изгибе или кручении с по­

Ц и к л и ч е с к ая прочность образцов малых диаметров определяется, в основном, градиентом напряжений . Что же касается в л и я н и я абсолютных размеров образцов на их коррозионно-усталостную прочность, то до недавнего времени в этом вопросе не было четкой ясности. В [114 J указывалось, что коррозионно-усталостпая проч­ ность деталей уменьшается с увеличением их абсолютных разме­ ров. Согласно [181, 183 J, среда не оказывает заметного влияния на выносливость образцов различных размеров.

Г. В. Карпенко и А. В. Карлашов [73] установили, что увели­ чение диаметра образцов из нормализованной стали 20Х с 16 до 32 и 40 мм в воздухе уменьшает предел выносливости с 27 до

розионной среде была установлена инверсия масштабного фактора, т. е. изменение диаметра образца на усталостную прочность в кор­ розионной среде влияет противоположно тому, как это имеет место

ввоздухе.

Г.В. Карпенко [67, 68] сделал вывод, что любая причина, уве­ личивающая прочность приповерхностных слоев металла, должна усиливать проявление масштабного эффекта и образцы малого

слоев металла, уменьшает проявление масштабного фактора. В не­ которых случаях возможно увеличение прочности больших дета­ лей по сравнению с малыми. Влияние коррозионной среды — при­

розионной среде (3%-ный раствор NaCl) наблюдается при сравни­ тельно большой базе испытаний, т. е. когда разрушение контро­ лируется электрохимическим фактором. При высоких уровнях

При испытании образцов диаметром 5; 20 и 40 мм из отожжен­ ной стали 40Х [1451 была подтверждена инверсия масштабного фактора в 3%-ном растворе NaCl и показано, что при цикличес­ ком деформировании в коррозионной среде количество корро­ зионных трещин на единицу длины образца диаметром рабочей части 5 мм и их глубина примерно в 1,5—2 раза больше, чем у об­ разцов с диаметром рабочей части 20 мм. На основании этого сде­ лан вывод об увеличении интенсивности разупрочнения образцов малого диаметра по сравнению с образцами диаметром рабочей части 40 мм. Полученные результаты подтверждают, что при оди­ наковых условиях эксперимента подобие коррозионных процес­ сов на образцах разных диаметров не соблюдалось.

82