Общие сведения о контактной усталости

 

Контактная усталость – механическое изнашивание в результате охрупчивания и выкрашивания (или отслаивания) поверхностного слоя в режиме многоцикловой усталости при действии циклических и (или) знакопеременных нагрузок на контактирующих поверхностях. Относится к катастрофическим видам изнашивания. Начало интенсивного выкрашивания поверхности при контактной усталости трактуется как выход узла трения из строя. При этом мелкие частицы изнашивания при контактной усталости инициируют абразивное изнашивание, крупные – могут привести к заклиниванию пары трения. В узлах трения качения, отделившиеся частицы, по которым прокатываются тела качения, образуют характерные отпечатки (деформационный износ) на дорожках качения.

Внешний вид поверхности при контактной усталости может иметь различные признаки.  Наиболее характерными из них являются питтинг (точечное выкрашивание) и отслаивание, которые часто проявляются на фоне сетки трещин и, как правило, имеют достаточно крупные размеры. Из-за высокого наклепа поверхности при контактной усталости  она более подвержена коррозии вследствие механо-химического эффекта.

Питтинг выглядит как часто расположенные на поверхности ямки (кратеры), оставленные в процессе отделения от нее чешуек (кусочков, сколов) при слиянии усталостных трещин (рис. 4.14). Оценка  поражения поверхности, вызванное пипингообразованием, ведется по числу питтингов на единицу площади, их диаметру и глубине. На наиболее нагруженных участках поверхностей трения питтинги крупнее и глубже, на менее нагруженных – мельче.

 

           а                                                     б

Рис. 4.14. Питтинг на поверхности роликов подшипника качения (а) и крупный скол участка поверхности трения дисков разгрузки центробежных насосов (б).

 

Отслаивание – отделение (вздыбливание) участков поверхностного слоя вследствие образования, слияния и выхода наружу подповерхностных трещин. При отслаивании поверхностный слой у краев трещин поднимается над поверхностью (рис. 4.15). Наиболее характерно отслаивание для композиционных материалов (например, деталей с покрытиями), работающих в условиях циклических и знакопеременных нагрузок (посеребренные скользящие контакты в электрических аппаратах, хромированные пуансоны, износостойкие покрытия на режущем инструменте и т.д.). Для однородных материалов данное повреждение более уместно применять термин расслаивание (например, расслаивание поверхности вагонных колес под действием циклических нагрузок при контакте с рельсом).

                 а                                              б

Рис. 4.15. Начало отслаивания токопроводящего серебряного покрытия (а) с подъемом краев трещины и отделившиеся частицы (б) 

 

Бринеллирование – разновидность контактной усталости, обусловленная внешними динамическими нагрузками, действующими на статически нагруженные подшипники качения, вызывающими выкрашивание материалов в зоне контакта тел качения с дорожкой качения (например, при транспортировке машин по железной дороге). В результате под шариками образуются выкрошенные лунки (наподобие отпечатков при оценке твердости методом Бринелля – отсюда название вида изнашивания), и поверхностные разрушения в зоне контакта с роликами в виде полос. Примечательно, что бринеллирование – единственный вид изнашивания подшипника качения, который может вывести его из строя, даже если подшипник ни разу не использовался по назначению.

Резюмируя основную информацию по контактной усталости можно отметить следующее.

Известны следующие критерии началаконтактной усталости.

- достижение критической плотности дефектов в поверхностных слоях (по Ю.Н. Работнову).

- достижение критической плотности внутренней энергии в деформируемом материале поверхностного слоя.

- достижение критической степени пластической деформации (по Колмогорову).

- достижение критического числа циклов нагружения (по Мэнсону -Коффину).

Характерные признаки контактной усталости

· Появление «хруста» при работе подшипника.

· Образование единичных или множественных очагов хрупкого разрушения поверхности: крупных раковин, сколов, расслоений, оспин (мелких точечных раковин) на поверхностях трения. Возможно появление сетки трещин, с течением времени приводящих к выкрашиванию фрагментов поверхностного слоя.    

· Быстрый выход узла трения из строя.

· Отделение достаточно крупных (до нескольких миллиметров) фрагментов наклепанного поверхностного слоя часто инициирует задиры, вплоть до заклинивания пары трения.

Основные закономерности и особенности

· Контактная усталость долгое время развивается латентно (скрытно) без внешних признаков повреждаемости. После накопления критической плотности дефектов происходит повреждение поверхности на большую глубину. Тонкостенные детали (упорные шайбы) могут разрушиться полностью.

· Начало контактной усталости свидетельствует о предельном состоянии материала (полной выработке ресурса) поэтому детали с признаками данного вида изнашивания, как правило, восстановлению не подлежат (за исключением случаев отслаивания покрытий, если основа не повреждена). 

· Контактная усталость становится ведущим видом поверхностного разрушения под действием высоких значений амплитуды циклической или знакопеременной нагрузки. Наиболее характерно развитие контактной усталости при точечном и линейном контактах.

· Усталость (старение) материалов в условиях эксплуатации – естественный и необратимый процесс. Поэтому полное предотвращение развития данного вида поверхностного разрушения материалов, находящихся в условиях действия контактных динамических нагрузок невозможно. Но его можно (и нужно) замедлить настолько, чтобы повреждения от контактной усталости не приводили к аварийным отказам в течение назначенного срока службы узла трения.  

Причины контактной усталости

· Недостаточная пластичность поверхностного слоя.

· Наличие высокого уровня динамической нагрузки.

· Применение охрупчивающих сред.

Характерные узлы трения

· Детали подвижных сопряжений, работающих в режиме трения качения (шариковые и роликовые подшипники).

· Детали подвижных сопряжений, работающих в режиме трения качения с проскальзыванием (зубья шестерен).

· Поверхности узлов трения с малой площадью перекрытия и высокими удельными нагрузками.

· Техника, работающая в условиях высоких динамических (вибрационных и ударных) нагрузок. 

Способы затормаживания контактной усталости

· Применение пластичных покрытий для снижения контактных нагрузок.

· Конструкторское и технологическое обеспечение снижения удельных статических и динамических нагрузок на узел трения за счет увеличения площади контакта (замена шариковых подшипников на роликовые, роликовых на игольчатые, и т.п.). 

· Применение более трещиностойких материалов и технологических методов их обработки, сохраняющих достаточный запас пластичности.

· Применение в подшипниковых узлах демпфирующих устройств, поглощающих динамические нагрузки (кассетные подшипники).

· Применение демпфирующих смазок и сред с пластифицирующим действием на поверхностные слои.