Структурные и функциональные закономерности накопления повреждений и разрушения металлов при динамическом нагружении и износе

Исследовано влияние повреждений, вызванных трением и износом, на накопление усталостных повреждений в приповерхностных слоях материала технических систем, работающих при динамическом нагружении. Сравнение данных испытаний образцов из науглероженной стали Cr – Mn – Si при ультразвуковом нагружении в диапазоне до 10⁹ циклов с результатами испытаний образцов стали 45 при постоянной частоте 100 Гц, имитирующей условия при трибологических испытаниях на фрикционную усталость, показало, что во всех характерных диапазонах частот нагружения возникающие повреждения однотипны. При оценке влияния фрикционной усталости на накопление повреждений и вероятность эксплуатационных отказов авторы исходили из предположения о подобии процессов накопления структурных повреждений при циклической и фрикционной усталости. Проведены экспериментальные исследования поведения коэффициентов трения и величины уширения рентгеновских линий, характеризующей изменения дислокационной структуры металлических материалов (сталей и титановых сплавов) при трении, а также кривых фрикционной усталости. Показано, что процесс фрикционно-усталостного разрушения происходит по механизмам мало- и многоцикловой усталости, что может служить обоснованием предложенного подхода. В качестве примера приведены данные расчета вероятности отказов компрессора, основанные на кривых фрикционной усталости в широком диапазоне циклов нагружения, полученных в результате испытаний шейки коленчатого вала. Использование этих кривых дало возможность оценить влияние совместного действия динамической нагрузки и трения, выражающегося в увеличении зазоров, и динамических нагрузок в процессе изнашивания контактирующих деталей на накопление усталостных повреждений, долговечность и надежность в процессе эксплуатации.

1. Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2-х ч. — Новосибирск: Наука, 2005. Часть 1: Критерии прочности и ресурса. — 494 с.; Часть 2: Обоснование ресурса и безопасности. — 610 с.

2. Ботвина Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука. 2008. — 334 с.

3. Лукашев Е. А., Сидоров М. И. Механохимическая кинетика накопления повреждений, разрушения и износа. — М.: Эко-Пресс, 2017. — 422 с.

4. Сосновский Л. А. Механика износоусталостного повреждения. — Гомель: БелГУТ, 2007. — 434 с.

5. Tridello A., Boursier-Niutta C., Rossetto M., et al. Statistical models for estimating the fatigue life, the stress — life relation, and the P – S – N curves of metallic materials in very high cycle fatigue: A review / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2022. Vol. 45. N 2. P. 332 – 370. DOI: 10.1111/ffe.13610

6. Li W., Sun Z., Zhang Z., et al. Evaluation of crack growth behavior and probabilistic S – N characteristics of carburized Cr – Mn – Si steel with multiple failure modes / Mater. Design. 2014. Vol. 64. P. 760 – 768. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.08.047

7. Степнов М. Н. Вероятностные методы оценки характеристик механических свойств материалов и несущей способности элементов конструкций. — Новосибирск. Наука, 2005. — 341 с.

8. Крагельский И. В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968. —- 480 с.

9. Марченко Е. А. О природе разрушения поверхности металлов при трении. — М.: Наука, 1979. — 118 с.

10. Серенсен С. В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. — М.: Атомиздат, 1975. — 192 с.

11. Марченко Е. А., Хрущов М. М., Каплунов С. М., Панов В. А. Трибологические свойства конструкционных сплавов деталей теплообменного оборудования, подверженных фреттингу / Сборка в машиностроении, приборостроении. 2020. Т. 21. № 9. С. 401 – 407. DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-9-401-407

12. Еловой О. М., Богданович А. В. Ресурс подшипников коленчатого вала по критерию их локальной поврежденности / Труды VI Международного симпозиума по трибофатике (МСТФ-2010). — Минск: БГУ, 2010. Ч. 1. С. 247 – 251.

13. Петрова И. М., Москвитин Г. В., Гриб В. В. Влияние износа на накопление усталостных повреждений / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72. № 11. С. 49 – 52.

14. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. — М.: Машиностроение, 1975. — 488 с.

15. Petrova I. M., Alimov M. A., Buyanovsky I. A., Gadolina I. V. Estimation of the ultimate strength of machine parts on the basis of linear hypothesis of fatigue and wear damages / Int. J. Appl. Mech. Eng. 2002. Vol. 7. Spec. issue: SITC-2002. P. 415 – 417.

16. Петрова И. М., Филимонов М. А., Лагуткин М. Г. Оценка вероятности отказа механических систем на основе моделирования их технического состояния / Безопасность труда в промышленности. 2020. № 2. С. 12 – 17. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-2-12-17