Контактная усталость металлов

Проявлением контактной усталости является усталостное выкрашивание. Этот вид разрушения деталей машин чаще всего наблюдается при трении качения и качении со скольжением, однако может иметь место и при других условиях взаимодействия трущихся пар, например при скольжении, многократном соударении двух тел. Причиной образования повреждений, так называемых питтингов, является пульсационное действие контактных напряжений, возникающих в результате переменного давления на трущиеся поверхности.

Нормальные напряжения, возникающие на контактной площадке, имеют максимальное значение на поверхности и уменьшаются в глубь детали. Касательные напряжения достигают максимального значения на некоторой глубине от поверхности. Силы трения, возникающие на контактирующих поверхностях, значительно увеличивают величину касательных напряжений, которые являются основной причиной зарождения усталостных трещин. Развитие усталостных трещин совпадает с направлением действия касательных напряжений.

Процесс разрушения характеризуется зарождением усталостной трещины, как правило, на поверхности и постепенным развитием ее в глубь детали. Очагом микротрещины чаще всего являются неметаллические включения или другие дефекты микроструктуры, проявляющиеся по мере действия переменных контактных напряжений, которые обычно не превышают предела текучести. Зарождение трещины может происходить и на «здоровых» участках микроструктуры, так как в отдельных субмикрообъемах происходит постепенное «расшатывание» и разупрочнение слабых (неблагоприятно ориентированных) зерен с последующим образованием в них микротрещин. Развитие трещины в дальнейшем происходит так же, как и обычной усталостной трещины.

В основе контактной усталости наряду со специфическими явлениями, связанными с трением поверхностных слоев, лежат общие для всех разновидностей усталостных явлений закономерности.

Контактная выносливость характеризуется пределом усталостного выкрашивания, представляющего собой величину контактного давления при заданном числе циклов, не приводящих к питтингованию.

Особенностью явлений контактной усталости является начальное и прогрессирующее выкрашивание. В отличие от прогрессирующего выкрашивания, которое не прекращается с момента возникновения, начальное выкрашивание наблюдается только в первый период работы, а образовавшиеся питтинги в процессе работы заплывают металлом. Самозалечивание питгингов происходит вследствие повышения предела усталостного выкрашивания в результате наклепа и снижения величины контактного давления вследствие увеличения площади контакта по мере выглаживания трущихся поверхностей.

Максимально допустимые удельные давления на контактной площадке прямо пропорциональны твердости поверхности и для зубчатых зацеплений могут быть выражены приближенной эмпирической зависимостью

Для роликов при фрикционном качении величина предела усталостного выкрашивания может быть ориентировочно принята на 20–25% выше предела усталостного выкрашивания того же материала при тех же условиях работы зубьев зубчатых колес.

При использовании поверхностного упрочнения толщина упрочненного слоя должна быть больше глубины распространения максимальных касательных напряжений, а материал основы должен обладать достаточной твердостью, предупреждающей продавливание упрочненного слоя под действием контактных давлений. В противном случае возникает опасность отслаивания и растрескивания упрочненного слоя.

Рисунок 4 –Вид поверхности излома отколовшейся части вагонного колеса

(по В. А. Кислику и А. М. Кармазину)

На развитие процесса контактной усталости влияют физико-химические свойства и способ смазки. С повышением вязкости возрастает предел усталостного выкрашивания, причем в разной степени для различных сортов смазки. С уменьшением подачи или при отсутствии смазки повышается предел усталостного выкрашивания. При этом резко снижается допускаемая по условиям заедания нагрузка. Прекращение процесса выкрашивания при сухом трении объясняется отсутствием необходимого для развития трещин усталости расклинивающего давления масла. На рисунке 4 показана поверхность излома по прогрессирующей трещине, образовавшейся в цельнокатаном вагонном колесе. Трещина усталости распространяется от концентратора напряжений, которым явилось неметаллическое включение, расположенное на некоторой глубине от поверхности катания.

Рассмотренное повреждение колеса представляет единичный макроскопический откол (выщербину). Однако в практике эксплуатации машин чаще наблюдаются повреждения поверхности детали в виде многочисленных питтингов. Появление на поверхностях трения усталостных выщербин быстро нарушает нормальную работу сопряженных деталей. Подобное осповидное разрушение нередко наблюдается на поверхности тяжелонагруженных зубчатых колес (рисунок 5), а также на беговых дорожках подшипников качения.

Рисунок 5 – Питтинги на поверхности зубчатого колеса

Мероприятия по борьбе колеса с этим видом разрушения вытекают из самой природы явлений, развивающихся на поверхности трения. Поскольку возникновение питтингов обусловлено действием циклических контактных напряжений, для повышения долговечности деталей машин необходимо стремиться к снижению удельных нагрузок в контакте и повышению предела прочности материала деталей.