Введение

Одной из основных причин зарождения большинства усталостных дефектов, приводящих к поломкам деталей при эксплуатации, является фреттинг-износ или фреттинг-коррозия (ФК) [1]. Опыт эксплуатации показывает, что, например, при работе лопаток газотурбинных двигателей с бандажными и антивибрационными полками с течением времени предварительный натяг на полках исчезает, постепенно может появиться зазор. Его образование приводит к увеличению амплитуды виброперемещений и величины переменных напряжений пера, что снижает вибрационную прочность и приводит к усталостной поломке.

Переменный характер нагрузок при эксплуатации (вибрация, пульсирующие или ударные нагрузки, скручивающие нагрузки под действием крутильных колебаний и т. п.) может вызвать взаимные механические колебания контактирующих деталей и их локальные смещения, которые, в свою очередь, приводят к развитию ФК и фреттинг-усталости.

В процессе эксплуатации трубопроводов внешней обвязки турбореактивных двигателей имеют место случаи усталостных разрушений труб из высоколегированных сталей типа 12Х18Н10Т, работающих при температуре >250 °С [1, 2]. Разрушение труб вызвано ФК в результате трения между колодочным хомутом и трубкой из-за вибрации и попадания коррозионной среды (рис. 1) [3–6]. Наработка трубопроводов до момента усталостного разрушения может снижаться до 1200 ч.

Рис. 1. Фреттинг-коррозия на поверхности трубы (а, в, г) и вид излома (г, д) по направлению усталостной трещины, образовавшейся при контакте с хомутом (б)

Согласно работе [7], ФК – это процесс, возникающий при циклическом нагружении в зоне контакта деталей, образующих между собой прессовые или малоподвижные соединения (болтовые, шлицевые, замковые и др., а также соединения в электрических контактах). Величина амплитуды относительных перемещений деталей в зоне контакта, достаточная для возникновения процесса, находится в пределах упругих деформаций поверхностного слоя детали. Согласно работе [8], амплитуда взаимных смещений контртел сопоставима с расстоянием между вершинами микронеровностей. В работах [9, 10] фреттинг описан как процесс колебательных микродвижений (в диапазоне ~(2–100) мкм) двух контактирующих поверхностей. Минимальная амплитуда, при которой наблюдается процесс, может не превышать 100 мкм, а при амплитуде ~(200–300) мкм доминирующим становится процесс фреттинг-износа. При серьезных случаях коррозии фреттинг часто связан с усталостным разрушением [1].

Таким образом, фреттинг включает несколько процессов изнашивания/механического повреждения поверхности: абразивное, коррозионное и усталостное. Кроме того, могут иметь место электрохимические процессы, когда между сопряженными поверхностями возникают гальванические пары. Каждый из этих процессов в зависимости от условий может стать доминирующим и определять вид и характер износа [11].

Процесс фреттинга вызывает образование характерных пятен в зоне контакта с наличием вторичных продуктов износа (оксидов и частиц разрушенной поверхности), следов абразивного изнашивания, питтингов и усталостных микротрещин (степень повреждаемости поверхности зависит от ее исходного состояния, параметров и интенсивности процесса) [12]. Следствием фреттинга является снижение долговечности и сокращение времени эксплуатационной надежности конструкции. При повышенных температурах проблема фреттинг-усталости сохраняется.

Фреттинг часто сопровождается химическими процессами на поверхности трения (ФК) [13]. При фреттинг-износе трибологической пары создаются благоприятные условия для протекания химической реакции с кислородом окружающей среды, на поверхности образуется оксидная пленка. Кислород интенсифицирует повреждения при ФК [14]. При этом значительно ухудшается качество поверхности детали (изменяются параметры шероховатости, возможно появление глубоких каверн в результате взаимодействия твердых частиц оксидов с поверхностью сопряжения), наблюдаются разупрочнение структуры поверхностных слоев и ярко выраженные следы коррозии.

Процесс ФК инициируется при контакте сопряженных деталей в условиях агрессивной среды и при циклической нагрузке (вибрации) в коррозионно-активной среде [7]. Процессы истирания сопряженных поверхностей в условиях фреттинга и сопутствующая коррозия вызывают быстрое и разрушительное действие [8–10]. Развитие ФК усиливается при контакте металлов различной природы и с гальванической коррозией [11, 12].

В работах [13–17] показано, что при нагрузках, допускающих проскальзывание, более интенсивно будет протекать процесс ФК; при нагрузках, допускающих незначительное перемещение деталей относительно друг друга, интенсивность изнашивания больше и зависит от твердости поверхности изнашивания [18–21].

Фреттинг-изнашивание и ФК усугубляют напряженно-деформированное состояние деталей, нарушают расчетные параметры зазоров и натягов, увеличивают изнашивание трущихся поверхностей [15]. Наиболее тяжелые последствия процесса фреттинга – усталостное разрушение деталей в прессовых и малоподвижных соединениях, поврежденных ФК [1]. Предел выносливости соединения в этом случае может снижаться в 5 раз [22]. По данным работы [23], на начальных этапах процесса определяющим является повреждающий фактор (фреттинг-фактор), в дальнейшем преобладающими становятся реологический и геометрический факторы.

В случаях, когда контактные (монтажные) давления и вибрация приводят к локальной выработке твердой смазки на поверхности втулки, труба и втулка из одной стали вступают в непосредственный контакт. Создаются благоприятные условия для «прихватывания» и появления очагов ФК [23–25]. Штатная втулка в хомуте с покрытием кремнийорганической смазкой не обеспечивает необходимый межремонтный период трубы в условиях возникновения ФК.

Состояние поверхностного слоя оказывает значительное влияние на эксплуатационные характеристики стали 12Х18Н10Т. При упрочнении пластической деформацией строение поверхностного слоя, как правило, отличается от основного материала. В процессе обработки поверхности (наклепа) будет формироваться «дефектный» слой с искаженной структурой (в процессе сдвига в зернах металла, искажения кристаллической решетки, изменения формы и размеров зерен, образования текстуры). В наклепанном металле увеличивается количество дислокаций и вакансий, происходит концентрация дислокаций вокруг линий сдвигов, что приводит к изменению свойств металла (повышению твердости и прочности поверхности). В случаях, когда наклеп вызывает формирование напряжений сжатия в поверхностных слоях, повышается предел выносливости стали. Согласно работам [23–25], величина остаточных напряжений и характер эпюр при поверхностном упрочнении зависят от применяемого метода упрочнения, а при механической обработке – от условий и режимов резания. Знак остаточных напряжений зависит от того, какой фактор превалирует – пластическая деформация (силовой фактор) или состояние ползучести (температурный фактор).

Цель работы – поиск оптимальных режимов упрочнения для повышения устойчивости материала трубы к ФК.

Материалы и методы

Приведены результаты испытания образцов труб размером 8×1 мм, выполненных из высоколегированной стали 12Х18Н10Т, после обработки стеклянной дробью и в исходном (шлифованном) состоянии.

Для определения качественных и количественных характеристик, физико-механических свойств рабочих поверхностей, для исследования процессов упрочнения трубопроводов и процессов изнашивания использованы известные методы проведения механических и виброиспытаний, оценки шероховатости, уровня остаточных напряжений и твердости, изучена морфология поверхности труб и покрытий в зоне трения, проведены микро- и рентгеноструктурные исследования на сканирующем электронном микроскопе [26–28].

Режим упрочняющей обработки образцов приведен в работе [29]. Вид поверхности образцов до и после обработки показан на рис. 2.

Рис. 2. Поверхности образцов в шлифованном состоянии без дополнительной обработки (а) и после гидродробеструйного упрочнения стеклянной дробью (б)

Поверхностное упрочнение стеклянной дробью не повлияло на предел прочности при растяжении и относительное удлинение образцов (в сравнении с исходным состоянием). Механические свойства всех испытанных образцов соответствуют требованиям стандарта на материал.

Усталостные испытания выполнены на вибродинамическом стенде при изгибных колебаниях по симметричному циклу напряжений с частотой основного тона на базе 20·10⁶ циклов с консольным зажатием образца в замок с одного конца. Уровень переменных напряжений задавали и контролировали по двум тензорезисторам и амплитуде перемещения конца образца.

Детальное описание методики испытаний и основы выбора методов изложены в работах [30–32].

Для оптимизации режимов упрочнения стали использован метод линейной регрессии – наиболее распространенный тип регрессионного анализа. Он направлен на установление линейной зависимости между двумя переменными. Обычный метод наименьших квадратов используется для вычисления линейной зависимости, которая минимизирует разницу во второй степени между наблюдаемыми точками данных и прогнозируемыми значениями. Это позволяет оценить ожидаемое значение зависимой переменной, учитывая конкретные значения независимых переменных. Другие формы регрессии используют методы для оценки параметров и ожиданий в более сложных моделях. Регрессионный анализ позволяет, во-первых, прогнозировать и проводить прогностическое моделирование. Во-вторых, регрессионный анализ можно использовать для выявления причинно-следственных связей между переменными.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Результаты механических испытаний образцов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты исследования усталостной долговечности образцов труб

из стали 12Х18Н10Т с различной обработкой поверхности

Усталостные испытания образцов труб в условиях, исключающих фреттинг (с использованием изолирующей прокладки между трубой и замком), показали, что образцы, упрочненные стеклянной дробью, и со шлифованной наружной поверхностью выдержали без разрушения максимальное напряжение 255 и 177 МПа соответственно. При этом виде испытания очаговые зоны развития трещин на шлифованных образцах совпадали с отдельными кольцевыми рисками на поверхности (рис. 3).

Рис. 3. Вид усталостной трещины по месту участка фреттинг-коррозии на поверхности трубы со шлифованной наружной поверхностью. Трещина образовалась в процессе усталостных испытаний в условиях возникновения фреттинга

При испытании в условиях возникновения фреттинга (без использования изолирующей прокладки между трубой и замком) и одинаково заданном напряжении 235 МПа упрочненный образец наработал 8,265·10⁶ циклов до разрушения, что в 2,4 раза больше по сравнению с образцом в шлифованном состоянии (3,432·10⁶ циклов). Очагами зарождения усталостных трещин при испытании образцов в условиях фреттинга (без изолирующей прокладки) как в упрочненном, так и в исходном (шлифованном) состояниях являлись участки фреттинг-коррозии.

На основании полученных результатов методом наименьших квадратов построена математическая модель, выраженная уравнением

N = –39,4226 + 0,046HV + 3,6475h – 0,4633σ_ост – 19,3456R_a,

где N – количество циклов до разрушения; HV – твердость материала на расстоянии 0,01 мм от края образца, МПа; h – глубина измененного слоя, мкм; σ_ост – среднее значение сжимающих остаточных напряжений по четырем образцам, МПа; R_a – максимальное значение параметра шероховатости R_a, мкм.

Коэффициент детерминации модели R² составляет 0,997, что свидетельствует о хорошей сходимости.

Показатель твердости и величины средних сжимающих напряжений на поверхности трубы коррелируют друг с другом так же, как и с глубиной измененного (наклепанного) слоя. Сжимающие напряжения можно убрать с помощью термообработки, а шероховатость – шлифовкой и полировкой поверхности, поэтому при фиксированных значениях глубины поврежденного слоя и твердости можно построить график зависимости изменения количества циклов до разрушения от средних сжимающих напряжений 400 МПа и шероховатости поверхности 1 мкм.

Из рис. 4 видно, что количество наработанных циклов при напряжении 235 МПа в условиях ФК увеличивается при повышении твердости поверхности и глубины измененного слоя, а также при уменьшении показателей средних сжимающих напряжений на поверхности стали и ее шероховатости.

Проведен поиск оптимальных параметров труб из стали 12Х18Н10Т в условиях ФК. Результаты расчетов приведены в табл. 2. При твердости HV_0,025 (на расстоянии 0,02 мм от края образца), равной 2510 МПа, глубине измененного слоя >44 мкм, сжимающих остаточных напряжениях XSTRESS >208,5 МПа и шероховатости <1,18 мкм достигается максимальная устойчивость к ФК поверхности труб из нержавеющей аустенитной стали.

Таблица 2

Результаты математического моделирования

процесса упрочнения поверхности стали 12Х18Н10Т

Заключения

Упрочняющая обработка поверхности труб из аустенитной нержавеющей стали стеклянной дробью по заданному режиму приводит к образованию поверхностного упрочненного слоя, обладающего повышенным уровнем сжимающих остаточных напряжений относительно исходного (шлифованного) состояния. Кроме того, упрочняющая обработка образцов устраняет кольцевую рисочность на поверхности шлифованных труб и нивелирует отрицательное действие отдельных глубоких рисок, являющихся очагами развития усталостных трещин.

Определены оптимальные параметры поверхности труб, в частности максимальная устойчивость к ФК достигается при твердости HV_0,025 (на расстоянии 0,02 мм от края образца), равной 2510 МПа, глубине измененного слоя >44 мкм, средних сжимающих остаточных напряжениях XSTRESS >208,5 МПа и шероховатости <1,18 мкм.