книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

нагружении, когда поглощаемая металлом энергия возрастает не­ прерывно.

По имеющимся представлениям [211], на кривой усталости можно выделить четыре области, имеющие свои особенности по­ глощения энергии. В первой области малоцикловой усталости подводимая энергия расходуется на зарождение трещины. Вторая область является переходной. В третьей области чистой уста­ лости диапазон амплитуд допускает расходование подводимой энергии на искажение кристаллической решетки без накопления повреждений. В четвертой области вообще исключены повре­ ждения.

Учитывая, что в области малоцикловой усталости наблюда­ ется повышенное сдвигообразование, В. С. Ивановой и Ю. И. Ра­ гозиным [98] было предложено рассчитывать долговечность при циклическом нагружении по величине удельной энергии, расхо­ дуемой на пластическую деформацию, предшествующую разру­ шению:

где N — число циклов до разрушения;

Агр — пластическая деформация за цикл; Ар — удельная энергия пластической деформации;

G>— модуль сдвига.

В области чистой усталости закономерности поглощения энер­ гии другие. Наличию инкубационного периода усталости пред­ шествует стадия обратимого повреждения, подобная стадии мик­ роскопической деформации в квазиупругой области при стати­ ческом растяжении. В работе [99] была высказана гипотеза, что имеется объединяющее начало физических пределов текучести и пределов усталости. В соответствии с этой гипотезой указанные характеристики обусловлены процессом деформирования поверх­ ностного слоя, толщина которого примерно равна размеру зерна. Такая деформация приводит к упрочнению слоя, что и было подтверждено на малоуглеродистой стали [100]. Процесс микро­ скопической деформации развивается в течение всего инкубаци­ онного периода, при этом распространение ее протекает неравно­ мерно. Наряду с интенсивной пластической деформацией поверх­ ностных слоев происходит микропластическая деформация слоев, расположенных в непосредственной близости к ним, но в значи­ тельно меньшей степени. Упрочненный поверхностный слой имеет

143

решетку, упрочнение поверхностного слоя происходит за счет нали­ чия тонкой окисной пленки. Упрочненный поверхностный слой создается и искусственно поверхностным наклепом, диффузион­ ной обработкой и другими способами.

Ярко выраженный предел усталости имеют армко-железо, стали малой и средней прочности, нержавеющие стали, алюми­ ниево-магниевые и некоторые титановые сплавы. Для них гипо­ теза о физическом пределе усталости вполне справедлива. Боль­ шинство же металлов и сплавов и, как отмечает П. Форрест [213], вероятно, и все неметаллы предела усталости (горизонтальный участок на кривой усталости) не имеют. Для них, по-видимому, не существует и физического предела усталости. К их числу отно­ сятся и подшипниковые сплавы, работающие к тому же в очень сложных условиях. Рабочая поверхность подшипников испыты­ вает воздействие переменной нагрузки, которая может переда­ ваться через слой масла, при наличии металлического контакти­ рования, граничного и иногда сухого трения, сопровождающегося нагревом трущихся поверхностей. К тому же сам подшипник испытывает статические напряжения сжатия, будучи затянут в по­ садочном гнезде. Поэтому при исследовании усталостной проч­ ности подшипниковых материалов необходимо учитывать особен­ ности повреждения их под воздействием напряжений от внешних усилий, от тепловых воздействий (термическая усталость), от влияния среды (коррозионная усталость), от влияния трения. Нельзя при этом не учитывать изменения конфигурации трущихся поверхностей за счет износа и изменения их шероховатости, что нередко приводит к образованию концентраторов напряжений.

Разрушения вследствие усталости трущихся поверхностей бы­ вают двух видов. К первому можно отнести разрушение отдель­ ных выступающих участков поверхности — это так называемая усталостная природа износа за счет многократного передеформирования при воздействии растягивающих и сжимающих напря­ жений. Доказательства существования такого вида износа по­ верхности привел И. В. Крагельский [116]. Ко второму следует отнести разрушения в виде макротрещин и выкрашивания слоя антифрикционного сплава или разрушения монометаллических подшипников.

На усталостную прочность подшипниковых материалов оказы­ вают влияние различные факторы. К их числу относятся: харак­ тер и величина нагрузок, микростроение сплавов, их физические свойства, конструктивные особенности подшипников, смазочная среда и температурный режим. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

Характер и величина нагрузок. Условия работы подшипников различных двигателей определяются: величиной среднего и мак­ симального давления, изменяющегося в зависимости от угла по­ ворота вала; постоянной величиной статических сжимающих на­ пряжений от затяжки вкладышей; термическими воздействиями при нагреве. Кроме того, сказываются величина и знак остаточ­

144

участках и возникают, как правило, трещины усталости, развиваю­ щиеся впоследствии в очаги выкрашивания. Резко изменяются значения максимальных давлений по мере износа подшипников и

слоем баббита Б83 преждевременно выходили из строя по уста­ лостным разрушениям. С помощью статистических методов уста­ новлено, что работоспособность подшипников коленчатого вала повышается по мере увеличения эксплуатационной нагрузки (рис. 71). Выход из строя вкладышей в большей мере зависит от инерционных сил, чем от воздействия давления газов. Расчетами внутренних неуравновешенных изгибающих моментов было уста­ новлено, что их максимальные значения действуют в плоскости осей цилиндров и совпадают с верхней мертвой точкой концевых кривошипов. Под воздействием этих моментов при наличии высо­ ких пиковых нагрузок в масляном слое и разрывов его сплош­ ности при взаимном встречном перемещении шейки вала и опоры подшипника создаются условия для образования усталостных по­ вреждений. Р. С. Захаров определил, что путем уменьшения ве­ личины зазора в сопряжении до 0,04—0,06 мм и придания вкла­ дышам эллиптической формы для увеличения прокачки масла и снижения нагрева удалось повысить работоспособность подшип­ ников дизель-генераторов.

По исследованиям Мигахара [282], направления усталостных разрушений совпадают с направлением вращения, а первые трещины возникают в зоне наибольших контактных нагрузок.

145

Расчетные данные по усталости подшипников в зависимости от ве­ личины напряжений приводят Н. А. Коваль и др. [103].

Оценка влияния величины максимальных и минимальных на­ пряжений цикла (диаграмма Смита) для подшипниковых мате­ риалов по существу еще не проведена. Известно, что для пластич­ ных материалов статическое растягивающее напряжение снижает допустимую амплитуду напряжений усталости, в то время как статическое сжимающее напряжение обычно повышает допусти­ мый размах напряжений, характеризующий сопротивление уста­ лости металлов.

Мало также данных по поведению подшипниковых сплавовпри наложении переменных сжимающих напряжений на металл,, испытывающий статические напряжения, в то время как анти­ фрикционные слои подшипников именно и работают в таких усло­ виях.

Суммарные напряжения в подшипнике складываются из на­ пряжений от термических воздействий, напряжений от усилий за­ тяжки и напряжений от динамических нагрузок, действующих в радиальном направлении.

Напряжения от усилий затяжки подшипника остаются посто­ янными. Величина их зависит от натяга. Переменными являются напряжения, возникающие от термических воздействий и завися­ щие от градиента температур, и напряжения от силовых воздей­ ствий.

Расчет величин напряжений для подшипников дизелей 2Д100 проведен Н. К. Бабаевым [13], который построил для определе­ ния критических температур соответствующие номограммы. Для монометаллических подшипников различие в коэффициентах ли­ нейного расширения подшипника и корпуса (постели блока, ша­ туна) вызывает при резком увеличении температуры остаточную пластическую деформацию, приводящую к ослаблению подшипни­ ков (потере натяга).

Для биметаллических подшипников изменение температуры

кривые 1 и 2 соответственно обозначают изменение предела теку­ чести при растяжении и сжатии по мере увеличения темпера­ туры /. Точка А соответствует расплавлению антифрикционного слоя. По мере охлаждения биметалла за счет более высокого ко­ эффициента линейного расширения в слое возникают растяги­ вающие напряжения. При комнатной температуре tK напряжения в слое достигнут наибольшего значения и будут равняться пре­ делу текучести. По мере нагрева подшипника антифрикционный слой расширяется в большей степени, чем основа, и в нем умень­ шаются напряжения, линия 3 переходит в область сжимающих напряжений при температуре h и достигает предела текучести

146

с растягивающих на сжимающие. Было изготовлено приспособле­ ние для измерения деформации в биметаллических пластинках при нагреве. Схема приспособления представлена на рис. 73. Би­ металлическая пластина 6 укрепляется на двух опорах, одна из которых неподвижная 8, другая — подвижная 2. Под ванной 1 смонтировано устройство 7 для подогрева масла. Величина про­ гиба пластин по мере нагрева измеряется с помощью чувстви­ тельного индикатора 5, изолированного от нагревательного устройства. Испытания проводились на биметаллических пласти­

ного расширения). Пластины были изготовлены прокаткой и имели различную толщину основания и слоя антифрикционного сплава. Образец по мере повышения температуры нагрева упруго деформировался по линейному закону вплоть до деформации, со­ ответствующей пределу текучести при сжатии. Последующий нагрев приводил к пластической деформации антифрикционного слоя, величина которой изменялась уже по криволинейному

Рис. 73. Приспособление для измерения деформа­ ции биметаллических пластин при нагреве:

147

закону вследствие уменьшения предела текучести. Охлаждение после такого нагрева приводило к изменению упругой деформа­ ции по линейному закону.

Таким образом, были получены соответствующие петли гисте­ резиса для различных сплавов, внешний вид которых не отли­ чался от схематически изображенных Буске [240]. Во всех слу­ чаях при первом испытании образцов как со сплавом А09-1, так и с ЦАМ9-1,5 температура начала пластической деформации была ниже, чем при последующих испытаниях. Во время повторных испытаний, проведенных спустя несколько месяцев, также наблю­ далось снижение температуры начала процесса пластической де­ формации в первом цикле. По-видимому, по мере вылеживания за счет релаксации напряжений снижается величина предела текучести при сжатии. Прохождение этого процесса представлено

Рис. .74. Диаграмма изменения прогиба биметаллического образца сплав А09-1 — армко-железо при нагревании и охлаждении:

1 — первый опыт; 2 — второй опыт; 3 — предполагаемая форма кривой

148

После первого цикла нагрева и охлаждения предел текучести изменяется как при сжатии, так и при растяжении. Охлаждение после второго нагрева и последующие циклы нагрева и охлажде­ ния уже не приводили к изменению уровня деформации и, следо­ вательно, величины остаточных напряжений.

По-видимому, без большой погрешности можно принять, что значения пределов текучести при растяжении и сжатии для изу­ чаемых биметаллов одинаковы. Тогда изменение знака напряже­ ний с растягивающих на сжимающие при нагреве и, наоборот,, при охлаждении будет происходить при температуре, равной по­ ловине интервала температур, при которых достигаются напря­ жения, равные значениям предела текучести сжатия при нагреве или растяжения при охлаждении.

Исходные данные испытаний и средние значения температур' при нагреве представлены в табл. 27.

Из табл. 27 следует, что уровень нагрева для изменения знака остаточных напряжений сравнительно невысок как для алюми­ ниевого сплава А09-1, так и для цинкового ЦАМЭ-1,5.

При эксплуатации вкладышей температура нагрева во многих случаях превышает полученные значения, поэтому во время ра­ боты в антифрикционном слое будут возникать преимущественно'

учесть, что нагрев подшипника в зоне трения носит локальный характер. В зоне местного нагрева металл испытывает и макси­ мальные контактные напряжения от воздействия внешних сил. Сумма напряжений в этом случае может превысить допустимый

149»

уровень. Нередко это приводит к появлению трещин усталости после небольшого срока службы (малоцикловая усталость).

Перегрузка поверхностей трения подшипников возникает не­ редко в процессе приработки. При этом на значительной площади или на отдельных участках появляется пластическое течение ме­ талла, т. е. действуют напряжения, превосходящие предел теку­ чести. Для материалов, способных к наклепу (к их числу отно­ сятся алюминиевые сплавы), пластическая деформация может привести к упрочнению поверхностных слоев, а при наличии неравномерности этого процесса не исключен и обратный эффект. Изучение влияния перегрузок на сопротивляемость подшипников усталостному разрушению по существу еще не проведено.

Для вычисления долговечности наиболее распространена линей­ ная гипотеза накопления повреждений, предполагающая линей­ ность суммирования отношений числа циклов Пі при данной ампли­ туде напряжений к числу циклов Ni, необходимому для наступле­

ния разрушений при этом напряжении, т. е. 2 ^ ~ = 1. Обычно

таниях в условиях изгиба и пульсирующего растяжения долговеч­ ность увеличивается (цикловое отношение> 1), если вначале дей­ ствует низкое напряжение, и уменьшается (< 1), если процесс начинается с перегрузки. В условиях воздействия сжимающих напряжений цикловое отношение должно быть>1.

Микростроение сплавов. Возникновение трещин усталости об­ легчается при увеличении микронеоднородности. Резко выражен­ ная локальность процессов накапливания пластических деформа­ ций при воздействии циклических нагружений определяется нали­ чием механически ослабленных зерен, которыми нередко бывают хрупкие твердые включения интерметаллидов. Прочность и спо­ собность перераспределения напряжений в отдельных структурных составляющих во многом определяются различием в их свойствах, в том числе и в значении модуля упругости. В баббите типа Б83, например, в кристаллах ß-фазы (Sn Sb) в результате длительных циклических воздействий возникают и развиваются трещины уста­ лости [26]. Микронеоднородность оказывает большее влияние, если сплавы используют в виде тонкого слоя, нанесенного на подшип­ ник, особенно когда размеры твердых кристаллов соизмеримы с толщиной слоя. В этом случае в кристаллах ß-фазы такого баб­ бита появляются трещины, которые напоминают линии скольже­ ния, вызванные длительной циклической нагрузкой (рис. 75). Такие трещины в дальнейшем развиваются в макротрещины, при­ водящие к выкрашиванию баббитового слоя.

Образование и' развитие непоправимых повреждений мёталла, в том числе и усталостного происхождения, связаны, как показал Н. П. Щапов [230], в большей степени со свойствами отдельных индивидуальных резко неоднородных зон металла, чем со свой­ ствами, определенными средними характеристиками. Достаточно

150

Рис. 75. Трещины в кри­ сталлах ß-фазы слоя баб­ бита Б83 подшипника дизеля тепловоза после пробега более 150 тыс.

км (X 250)

подробно применительно к сталям это рассмотрено И. А. Один- ГОм [161]. Усталостное разрушение почти всегда начинается с поверхности и возникает из так называемой устойчивой полосы; скольжения, которая образуется в начальный период действия повторных нагрузок. При этом [140, 209] устойчивые полосы сколь­ жения, возникшие при усталости, имеют форму желоба или гребня. По мере развития процесса усталости происходит образованиевдавливаний — интрузий, представляющих по существу щели малых размеров, или экструзий (языков выдавленного металла). Следует думать, что процесс образования таких надрезов проходит легче в случае гетерогенных сплавов при наличии такой фазы, в кристаллах которых будет легко осуществляться скольжение.

Физические свойства сплавов. Оценка усталостной прочности подшипниковых сплавов проводится иногда с учетом некоторых физических характеристик. Известно, что для отдельных групп сплавов по мере изменения количества легирующих компонентов меняется величина модуля упругости. К числу таких сплавов отно­ сятся баббиты на основе свинца, содержащие сурьму. Используя эту особенность, И. М. Рудницкий [186] предложил новый кри­ терий выносливости антифрикционных сплавов на свинцовой основе — так называемую деформационную выносливость

151