2.8.3. Контактная выносливость

При эксплуатации в условиях длительного воздействия циклических контактных нагрузок в материале изделий развивается структурный процесс, который носит название контактная усталость.

Контактная усталость – процесс постепенного повреждения поверхностных слоев деталей (выкрашивание), работающих в условиях циклических контактных нагрузок высокой частоты.

Контактная выносливость – сопротивление материала контактной усталости.

Контактная усталость развивается при циклических контактных напряжениях в таких деталях, как зубчатые передачи, подшипники и др. Подшипники и зубчатые колеса являются широко распространенными и ответственными деталями, от надежности и долговечности их службы зависит работоспособность узлов и механизмов.

Характеристикой контактной долговечности является предел контактной выносливости σ_Hlimb МПа или число циклов N_ц при испытании образцов с заданным контактным напряжением σ_конт.

Нагрузки в зоне контакта создают напряжения сжатия в поверхностном слое деталей. Под действием циклических контактных нагрузок развиваются следующие стадии процесса: микропластическая деформация, исчерпание запаса прочности, образование микротрещин, а потом и трещин в приповерхностном слое, распространения трещин вглубь и скалывание частиц металла (выкрашивание). В результате такого процесса на поверхности детали образуется дефект под названием «питтинг» (результат усталостного выкрашивания).

Для обеспечения контактной выносливости деталей необходимо увеличить сопротивление поверхностного слоя развитию пластической деформации, истиранию, т.е. повысить твердость контактирующих поверхностей. Кро­ме того, применяют смазочные материалы, пленочные полимерные покрытия, затрудняющие контакт металлических поверхностей.

Способы обеспечения контактной выносливости:

1. Применение высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей, например, для подшипников качения (размером до 60 мм).

2. Применение цементации легированных сталей, например, для крупногабаритных роликовых подшипников диаметром до 2 м.

3. Применение поверхностной закалки с последующим отпуском (при σ_Hlimb до 1000 МПа).

4. Применение химико-термической обработки для зубчатых колес: цементации и нитроцементации (при σ_Hlimb до 1300 МПа), азотирования (при σ_Hlimb до 1100 МПа).

5. Применение объемной закалки с высоким отпуском (улучшение) (при σ_Hlimb до 770 МПа).

2.8.4. Надежность эксплуатации материала и деталей

Надежность – это свойство материала безотказно работать в течение срока эксплуатации без недопустимых деформаций и разрушения. Разрушение – это необратимый процесс нарушения формы и целостности материала (деструкция), который может происходить под действием механической нагрузки, механической нагрузки и коррозионной среды, механической нагрузки и температуры. В общем случае при статическом нагружении возможны два вида разрушения: вязкое и хрупкое. Хрупкое разрушение развивается в упругой области при напряжениях ниже условного предела текучести в отсутствие заметной пластической деформации. Хрупкая трещина распространяется со скоростью, близкой к скорости звука. Хрупкое разрушение, приводящее к внезапной поломке, является наиболее опасным при эксплуатации деталей и конструкций.

Склонность материала к хрупкому разрушению повышается при изменении внешних условий эксплуатации (повышении скорости приложения нагрузки, понижении температуры), наличии острых концентраторов напряжений на деталях.

Для предотвращения хрупкого разрушения материал должен иметь высокие значения таких характеристик, как относительное удлинение δ, относительное сужение ψ, ударная вязкость KCU, КСV, KCT, критическая температура хрупкости, критический коэффициент интенсивности напряжений К_1с.

Критическая температура хрупкости t₅₀ определяется по результатам серии испытаний на ударную вязкость при различных температурах. Характеристика t₅₀ – температура, при которой в изломе ударных образцов имеется примерно 50 % хрупкого излома и 50% вязкого. Критическая температура хрупкости характеризует влияние температуры испытания на склонность к хрупкому разрушению. Чем ниже температура t₅₀, тем менее склонен материал к хрупкому разрушению и тем выше его запас вязкости.

В деталях конструкций всегда присутствуют микротрещины металлургического и технологического происхождения, они могут возникнуть и при эксплуатации. К трещиноподобным дефектам относят также неметаллические включения и скопления дислокаций. Трещины являются острыми концентраторами напряжений. Это означает, что локальные напряжения в вершине трещины могут во много раз превышать средние напряжения, приложенные к детали.

Критический коэффициент интенсивности напряжений К_1с – характеризует сопротивление материала развитию вязкой трещины (в условиях эксплуатации). В деталях конструкций всегда присутствуют микротрещины металлургического и технологического происхождения, они могут возникнуть и при эксплуатации. К трещиноподобным дефектам относят также неметаллические включения, скопления дислокаций. Трещины являются острыми концентраторами напряжений. Это означает, что локальные напряжения в вершине трещины могут во много раз превышать средние приложенные к детали напряжения.

Этот коэффициент связывает среднее приложенное напряжение σ_ср с критической длиной трещины – l _кр (длина трещины, при превышении которой про­исходит разрушение):

К_1с = σ_ср √απ l_кр

где α – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины. Единица измерения К_1с – МПа∙м^1/2.

Чем больше значения К_1с, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и выше надежность работы деталей, из него изготовленных. К_1с (или иначе – статическая трещиностойкость) – один из наиболее информативных параметров надежности. Он широко используется при сравнении как различных обработок одного материала, так и различных сплавов (табл. 2.13).

Таблица 2.13