Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


Статьи технической тематики из периодических изданий
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
КОНТАКТНАЯ УСТАЛОСТЬ СТАЛИ
ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ


Контактная усталость стали
для подшипников качения

   Выкрашивание подшипниковой стали в результате усталости при качении, возникающее в условиях достаточной смазки подшипника, при наличии устойчивой масляной пленки между поверхностями тел качения и беговой дорожки, имеет внутренний источник зарождения и развивается от неметаллического включения, которое служит концентратором напряжений. Известно, что уменьшение количества неметаллических включений в стали служит предпосылкой к повышению эксплуатационной долговечности подшипников. Этот механизм внутреннего зарождения объясняют с позиции специфического распределения касательных напряжений под поверхностью дорожки качения и считают, что точка максимума напряжений находится не на самой поверхности, а на некоторой глубине под поверхностью. Из этого следует, что в подшипнике происходит, как правило, выкрашивание, зарождающееся на неметаллическом включении, и для подшипниковых сталей показателем качества является содержание неметаллических включений.

   В настоящее время считают, что трещина от усталости при качении распространяется под действием движущей силы, которой служит тангенциальная составляющая напряжения, параллельная поверхности качения. Обычно считают, что индикатором усталостной долговечности при качении приближенно служит величина неметаллического включения. Для выяснения специфики образования трещины на фирме “Sanyo Special Steel”, Япония, предложили особый опытный образец из стали SUJ2, изготовленный методами порошковой металлургии. Вместо неметаллических включений образец содержит искусственные дефекты в виде пор. Пользуясь такими образцами, провели испытания на усталость при качении на режиме с максимальным контактным давлением Pmax = 3,95 МПа и имели возможность непосредственно наблюдать образование трещины от имеющейся поры (рис. 1).

   Распределение частоты возникновения трещин по глубине под поверхностью качения и результаты наблюдения углового положения трещин сопоставили с результатами компьютерного моделирования напряжений и выдвинули предположение, что в период испытания с числом циклов менее 5×104 трещины от пор зарождаются соответственно главным напряжениям. Число циклов нагружения, необходимое для возникновения трещины, в данных условиях составляет примерно 1/5000 от предполагаемой полной усталостной долговечности (порядка 108 циклов). Был предложен такой механизм: в этот период возникают трещины от главных напряжений, и они имеют некоторую начальную длину, а затем наступает период весьма медленного распространения трещин под действием напряжений сдвига 2τ0. При этом сложилось представление, что образование трещин от главных напряжений не имеет характера мгновенного хрупкого разрушения. Сначала под действием напряжений сдвига в окрестности неметаллического включения многократное циклическое деформирование приводит к образованию структуры деформационного насыщения, а затем под действием растягивающих напряжений возникает трещина. При таком механизме возникает сходство с малоцикловой усталостью с участием процесса пластичности и соответствующим числом циклов (менее 5×104 циклов).


Рис. 1. Возникновение трещин на поре после 5×104 циклов нагружения (стрелками указаны трещины)

   В промышленной подшипниковой стали присутствуют не поры, а включения оксида алюминия (Al2O3), нитрида титана (TiN), алюмината кальция (CaO·Al2O3) и сульфида марганца (MnS). Если предположить, что различные неметаллические включения имеют размер 20 мкм и плотно связаны с матрицей, то максимальные главные напряжения в окрестности включений, определяемые компьютерным моделированием напряжений, составляют не более половины значения 2000 МПа, которое дает расчет в окрестности поры.

   Экспериментальная проверка не подтверждает предполагаемый механизм образования трещины под действием главных напряжений при малоцикловой усталости. Однако ряд исследований показывает, что при Pmax = 3,43 ГПа белые участки, предположительно возникающие на оксидных включениях, образовались при числе циклов нагружения менее 1×105. Поскольку белые участки зарождаются на неметаллических включениях, можно считать, что поддерживается и гипотеза образования трещин от реальных неметаллических включений. На основе ранее выполненных исследований предположили, что если между неметаллическим включением и веществом матрицы присутствует физический зазор, то он действует подобно поре, и даже при наличии включения может действовать механизм раннего образования трещины от главных напряжений, оцененный в экспериментах с порами.

   С помощью ультразвукового дефектоскопа, идентифицировали под поверхностью качения неметаллические включения, которые предположительно могли послужить зародышами трещин, и провели испытание на усталость при качении под нагрузкой Pmax = 5,3 ГПа (рис. 2). Увеличение эхо-сигнала в момент времени, соответствующий 1×104 циклам, свидетельствует о том, что предшествующий период есть период зарождения трещины, а на заключительной стадии, при 2,3×106 циклах нагружения, резко ускоренное распространение трещины указывает на выкрашивание. При испытании распространение трещины начинается после 1×104 циклов нагружения, но величина эхо-сигнала уменьшается. Это связано с закрытием трещины под действием остаточных сжимающих напряжений в ходе испытания, но не означает укорочения трещины.


Рис. 2. Зарождение и распространение трещины от неметаллического включения, наблюдаемое с помощью визуализации эхо-сигнала (показано стрелками)

   Опираясь на результаты наблюдений, смоделировали механизм выкрашивания и выработали метод прогнозирования усталостной долговечности. Учитывая ту особенность процесса, что значительную часть времени испытания до разрушения занимает период распространения усталостной трещины, выявили связь между коэффициентом интенсивности напряжений сдвига и числом циклов нагружения до разрушения.

   Окончательным результатом является представление механизма выкрашивания с зарождением на неметаллических включениях. Этот механизм обобщает приведенные выше сведения и графически показан на рис. 3.

   Здесь представлено образование трещины под действием главных напряжений с ее зарождением в позиции концентрации напряжений у неметаллического включения под поверхностью качения и формированием пластической зоны, с определяющей ролью размера начального дефекта как фактора, определяющего долговечность до выкрашивания.


Рис. 3. Механизм выкрашивания в результате усталости при качении
с зарождением трещины на неметаллическом включении:
1-образование зоны (пластической) усталостного повреждения в окрестности включения;
2-возникновение трещины; 3-устойчивое распространение трещины;
4-выкрашивание в результате быстрого распространения трещины

 Журнал "Новости черной металлургии за рубежом" (02.2011)

 


Статья "Контактная усталость стали для подшипников качения"
  Журнал "Новости черной металлургии за рубежом" (02.2011)