2.2.5. Влияние состояния поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей и узлов

В процессе эксплуатации приповерхностные объемы материала испытывают наибольшие нагрузки, воспринимают контактное воздействие от сопряженных деталей и потоков частиц, непосредственно взаимодействуют с внешней средой, поэтому структурно-фазовое состояние, химический состав поверхностного слоя иего микрогеометрия определяют работоспособность и ресурс многих ответст­венных деталей.

Несущая способность поверхностного слоя — комплексное понятие, харак­теризующее сопротивление поверхности и приповерхностных объемов материа­ла внешним факторам. Например, для оценки несущей способности при кон­тактномнагружении требуется определить сопротивляемость поверхностного слоя статическим и динамическим воздействиям, усталостным процессам, абра­зивному разрушению и схватыванию. Исходными материалами при этом служат данные о твердости, шероховатости, толщине упрочненного слоя, уровне и зна­ке остаточных напряжений, свойствах материала сопряженной детали.

Процессы, протекающие в поверхностном слое при эксплуатации, зависят от его состояния, полученного при технологической обработке, условий нагружения, механики и физико-химии контактного взаимодействия.

Взаимосвязи перечисленных факторов образуют сложную динамическую систему, в которой изменение состояния поверхностного слоя в процессе экс­плуатации влечет изменение условий нагружения (рис. 2.30).

В частности, для деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, приработка рабочих поверхностей и формирование на них вторичных структур приводит к снижению коэффициента трения, что влечет за собой уменьшение и изменение характера действующих нагрузок. Напротив, образование задиров и схватывание поверхностей вызывает их разрушение, увеличение шероховатости, рост износа и сил трения.

Как и любая другая динамическая система, система «поверхностный слой — условия нагружения» может находиться в состоянии устойчивого равновесия, когда всякое изменение в поверхностном слое или уровне нагрузок инициирует процессы, приводящие систему в равновесное состояние (замена разрушенных вторичных структур новыми, приработка и залечивание образующихся задиров).

Возможны условия нагружения, для которых при данных свойствах по­верхностного слоя равновесное состояние динамической системы невозможно,поскольку не обеспечиваются нормальные условия контактного взаимодействия (происходит задирообразование или интенсивное абразивное разрушение). В этих случаях необходимы дополнительные конструкторские или технологиче­ские мероприятия.

Состояние поверхностного слоя оказывает существенное влияние на проч­ность деталей при статическом и динамическом нагружении, сопротивлениеразрушению при воздействии контактных нагрузок, коррозионную стойкость и жаростойкость.

Очевидно, выбор оптимальных значений параметров состояния поверхност­ного слоя деталей зависит от конкретных условий эксплуатации (действующих нагрузок, температур, сред).

Прочность при статическом и динамическом погружении. На прочностные свойства деталей влияют как шероховатость поверхности, так и параметры фи­зико-химического состояния.

Шероховатость поверхности при статическом и динамическом нагруженииявляется концентратором напряжений. Ее влияние оценивается коэффициентами концентрации α_σ по Г. Нейберу, которые определяют по формулам:

при кручении и сдвиге

при растяжении и изгибе

где γ— коэффициент разгрузки, учитывающий влияние на концентрацию на­пряжений соседних неровностей и зависящий от отношения шага неровностей Sк их высоте Rz; r — радиус кривизны на дне впадины неровностей.

Значения α_σ для поверхностей после точения составляют 1,5...2,5, а после шлифования 1,2...1,5.

Эффективный коэффициент концентрации напряженийК_σс коэффициентом α_σ связан соотношением:

где q_σ— коэффициент чувствительности материала к концентрации напряже­ний. Для пластичных материалов он близок к нулю, а для хрупких — единице. Титановые сплавы и высокопрочные стали имеют коэффициент чувствительно­сти к концентрации напряжений q_σ = 0,8... 1, а жаропрочные сплавы на никеле­вой основе несколько ниже (q_σ = 0,3...0,5). Влияние концентрации напряжений на предел выносливости может быть оценено следующим отношением:

где σ_-1— предел выносливости гладкого образца; σ_-1К— предел выносливости того же образца с концентратором напряжений.

Наиболее опасны отдельные риски на номинально гладких поверхностях.

Прочностные свойства зависят также и от направления неровностей по от­ношению к прилагаемой нагрузке. Например, сопротивление усталости для образцов с направлением неровностей вдоль оси в 1,5 раза выше, чем с направ­лением неровностей, перпендикулярным оси. С уменьшением шероховатости влияние направления неровностей снижается.

Степень и глубина деформационного упрочнения поверхностного слоя так­же влияют на прочностные свойства. Причем для каждого сплава и его со­стояния (структуры, вида термической обработки и пр.) существует определен­ная степень предварительной деформации, которая обеспечивает для конкрет­ных условий нагружения максимальную прочность.

Самое простое объяснение этого состоит в том, что для придания прочности не­обходимо, чтобы материал, из которого изготовлена деталь, обладал определенным запасом пластичности, обеспечивающим его сопротивление образованию трещин и хрупкому разрушению. Детали из материалов с избыточной пластичностью способны к смятию участков поверхностей и деформациям при эксплуатации.

Детали, имеющие концентраторы напряжений и эксплуатирующиеся при умеренных температурах и асимметрии цикла, следует подвергать поверхност­ному упрочнению. Оптимальная глубина пластически деформированного слоя составляет около 0,15t_d, где t_d— толщина детали. Сквозное упрочнение тонкостенных деталей, например кромок лопаток, недопустимо, так как сопро­вождается снижением сопротивления материала развитию трещин, длительной прочности, малоцикловой и термической усталости.

Чем выше температура, при которой эксплуатируется деталь, тем меньше степень предварительной деформации, обеспечивающей максимальную проч­ность. Это связано с тем, что напряжения от внешней нагрузки при повышенных и высоких температурах активизируют процессы снятия деформационного уп­рочнения. При повышенных температурах вследствие термодинамической неус­тойчивости материала, повышения диффузионной подвижности атомов и изме­нения концентрации легирующих элементов снижается жаропрочность. Поэто­му детали из жаропрочных сталей и сплавов должны иметь поверхностный слой с минимальной пластической деформацией.

Остаточные напряжения оказывают на металл такое же воздействие, как и напряжения от внешних нагрузок. Поэтому при оценке влияния на прочность остаточных напряжений рассматривают суперпозицию совместного действия внутренних и внешних напряжений (рис. 2.31).

Следует отметить, что это влияние достаточно сложно и неоднозначно. Не­обходимо избегать появления в детали остаточных напряжений того же знака, что и от внешней нагрузки. Установлено, что для деталей, подвергаемых знако­переменным нагрузкам, сжимающие напряжения на поверхности полезны, по­скольку при приложении внешних, наиболее опасных, растягивающих нагрузок уменьшают их значение. Растягивающие напряжения недопустимы.

П ри повышенных и высоких температурах остаточные напряжения снимаются (релаксируют) и могут способствовать нежелательной рекристаллизации материала.На статическую прочность пластичных ма­териалов остаточные напряжения влияют слабо, так как их разрушение происходит при наличии пластической деформации, при которой они пол­ностью снимаются.

Остаточные напряжения оказывают сущест­венное влияние на сопротивление усталости при комнатной и невысоких температурах. Многими исследователями установлена следующая зави­симость между пределом выносливости и оста­точными напряжениями:

где коэффициентК= 0,1...0,3. Большее его зна­чение характерно для малопластичных материалов.

Из формулы видно, что растягивающие оста­точные напряжения снижают сопротивление ус­талости, сжимающие — повышают. Изменения предела выносливости могут колебаться в диапа­зоне ±30 % и более. При циклическом изгибе среднее напряжение цикла растяжения равно σ_ост, а амплитудное σ_Σ. Вследствие того, что по­верхностный слой в условиях циклических на­грузок наиболее напряжен, основное влияние оказывает не характер распреде­ления остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя детали, а зна­чение и знак напряжений на поверхности.

Следует отметить, что наличие на поверхности растягивающих напряжений способствует раскрытию микро- и макротрещин, тем самым снижая прочность при усталостном и статическом нагружении (рис. 2.32, а). Сжимающие напря­жения, наоборот, способствуют закрыванию дефектов (рис. 2.32, б).

К роме того, установлено, что сжимающие остаточные напряжения блоки­руют отрицательное действие концентраторов напряжений (рисок, трещин и др.), снижая напряжения у их дна.

При повышенных температурах влияние остаточных напряжений на сопро­тивление усталости менее существенно, так как они релаксируют, и тем быстрее, чем выше температура и степень деформационного упрочнения материала. При рабочей температуре, равной температуре рекристаллизации, остаточные напряжения снимаются почти полностью.

Сопротивление разрушению при воздействии контактных нагрузок. Мно­гие детали авиационных двигателей работают в условиях контактного взаимо­действия и подвергаются разрушению в результате:

• трения, возникающего при относительном перемещении контактирующих поверхностей, которые при этом изнашиваются;

• эрозии, возникающей при воздействии твердых частиц, капель или пото­ков жидкости, кавитации;

• контактной усталости, происходящей в результате воздействия знакопе­ременных контактных нагрузок;

• фреттинга, т. е. микропроскальзывания контактирующих поверхностей при вибрациях.

В авиационной технике процессы трения и изнашивания определяют ресурс и работу многих узлов и агрегатов, причем в таких высокоэнергетических ма­шинах, как авиационные двигатели, эти процессы протекают в экстремальных условиях (при повышенных и высоких температурах, воздействии газовой среды продуктов сгорания, вибраций, при высоких контактных нагрузках). В совре­менных летательных аппаратах роль смазочного материала часто выполняют авиационные топлива.

Различают два рода трения, проявляющихся в зависимости от характера от­носительного движения элементов кинематических пар: при скольжении и при качении.

На практике встречается несколько видов трения при скольжении:

• сухих поверхностей, когда материалы элементов пары трения находятся в непосредственном контакте (сухое трение);

• жидкостное, когда слой смазывающего вещества полностью разделяет по­верхности (гидростатическое и гидродинамическое трение);

• полужидкостное, когда слой смазки не полностью разделяет трущиеся по­верхности и их выступы приходят в соприкосновение (граничное трение).

На процессы трения и изнашивания в значительной степени влияют ниже­перечисленные факторы.

1 . Особенности контактирования, макро- и микрогеометрия поверхностей. Вследствие шероховатости и волнистости контакт рабочих поверхностей пар трения дискретен, т. е. касание поверхностей происходит на отдельных площад­ках на вершинах волн и выступах неровностей. При анализе процессов трения и изнашивания различают номинальную А_а, контурную А_си фактическую А_rпло­щади контакта (рис. 2.33), причем А_rсоставляет сотые доли от А_а(точки на кон­турных площадках рис. 2.33).

Относительное перемещение сопряженных по­верхностей вызывает миграцию зон фактического контакта. Соответственно действуют номинальное р_а, контурное р_си фактическое р_rдавления в зоне кон­такта. Очевидно, что контактные давления и площади фактического и контурного контактов зависят от шероховатости и волнистости контактирующих по­верхностей, в частности от радиусов закругления, высоты и шага неровностей, распределения материала в шероховатом слое. В расчетах на контактную жест­кость, трение и изнашивание часто используют относительную площадь контак­та η:

где ε — относительное сближение поверхностей под действием нормальной си­лы N; Ь и у — коэффициенты опорной кривой, полученной обработкой профилограмм шероховатости (b = 2..А,у = 1,5...3).

2. Характер деформации поверхностей при трении. Возможны следующие виды деформации: упругая, упруго-пластическая без упрочнения; упруго-плас­тическая с упрочнением. Тот или иной вид деформации зависит от свойств кон­тактирующих материалов, формы и размера неровностей, контактных нагрузок.

3. Межатомное (молекулярное) взаимодействие контактирующих поверх­ностей, называемое адгезией. Адгезия характерна для любых находящихся в контакте твердых тел, причем силы адгезии определяются прочностью моле­кулярных связей, формирующихся при контактном взаимодействии, которая зависит от природы связей (металлическая, Ван-дер-Ваальсова, ионная, ковалентная), площади фактического контакта поверхностей, адсорбции на поверх­ностях молекул внешней среды, смазки и т. д. При трении наибольшая адгезия наблюдается для пар из одноименных металлов и сплавов, а также материалов, проявляющих химическоесродство (способность образовывать твердые раство­ры и химические соединения (интерметаллиды). Она зависит от типа кристалли­ческой решетки, — например, кубическая решетка способствует большей адге­зии, чем гексоганальная. Большая адгезия наблюдается у материалов, плохо ад­сорбирующих молекулы среды. Титановые сплавы, например, практически не адсорбируют молекулы смазки, что обусловливает их высокую адгезию с боль­шинством конструкционных материалов, низкие антифрикционные свойства иизносостойкость. Адгезионные связи, возникающие при трении, могут быть на­столько прочными, что их разрушение происходит не по месту формирования, а на некоторой глубине от поверхности (глубинное вырывание). Это приводит к повреждениям (задирам, наростам), способным вывести трущееся сопряжение из строя. В связи с этим сформулировано правило положительного градиента сдвигового сопротивления, согласно которому для обеспечения внешнего тре­ния сдвиговое сопротивление в зоне касания должно быть меньше, чем в глуби­не от поверхности (т. е. dτ/dz>0, где τ — разрушающее тангенциальное на­пряжение, z— расстояние от поверхности в глубину материала).

Согласно современным воззрениям трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу, т. е. сила трения рассматривается как сумма двух составляющих — молекулярной и механической:

Механическая (деформационная) составляющая определяется сопротивле­нием оттеснению материалов внедрившимися выступами при скольжении по­верхностей.

Что касается молекулярной (адгезионной) составляющей силы трения, то она проявляется в виде схватывания, сваривания, прилипания двух тесно сбли­женных твердых тел и разрушения образовавшихся связей при сдвиге.

Касательные напряжения сдвига τ_n обусловленные молекулярным взаимо­действием поверхностей, зависят от контактного давления:

Здесь τ_о — касательное напряжение сдвига при отсутствии сжимающей силы; β — коэффициент упрочнения адгезионой связи.

Значение коэффициента трения, являющегося одной из основных характе­ристик антифрикционных свойств, исходя из двойственной природы трения, можно определить по выражению:

гдеК— коэффициент, зависящий от микрогеометрии поверхностей. Для наибо­лее распространенных в машиностроении значений шероховатости поверхностиК = 0,44; h— сближение поверхностей под действием нормальной нагрузки; r— средний радиус выступов неровностей.

Кроме коэффициента трения антифрикционные свойства пары трения ха­рактеризуются:

• предварительным смещением;

• переходной характеристикой силы трения;

• демпфирующей способностью контакта поверхностей.

Первые два параметра характеризуют переход от трения покоя к трению скольжения. Если нагружать контакт двух поверхностей сдвигающей силойТ, фиксируя ее значения и перемещение а, можно получить переходную характери­стику контакта (рис. 2.34).

Сначала деформация стыка идет упруго, а затем пе­реходит к скольжению. Сила трения покоя Т_побычно превышает силу трения скольженияТ_с. В этом случае переходная характеристика имеет вид, приведен­ный на рис. 2.34, а. Значение перемещения а_п, соответствующее точке перехода от покоя к скольжению, называют предварительным смещением. Очевидно, что а_пзависит от высоты неровностей поверхности, свойств сопряженных материа­лов, силы трения покоя, наличия смазки и др. Вид переходной характеристики исключительно важен для сопряжений, в которых необходимо обеспечить ма­лые или плавные перемещения деталей, например золотников командно-топлив­ного оборудования гидро- и пневмоагрегатов авиационных двигателей, направ­ляющих станков и др. Если сила трения покоя значительно превышает силу тре­ния скольжения, при малых скоростях перемещения наблюдаются характерные скачки, связанные с резкими переходами от покоя к скольжению, когда элемент пары трения резко проскальзывает, опережая действие вынуждающей силы, и останавливается, затем происходит следующий скачок и т. д. (рис. 2.34, б). Спе­циальные мероприятия (правильный подбор материалов, нанесение покрытий, смазки) позволяют получать нейтральные и возрастающие переходные характе­ристики, при которых описанных скачков не наблюдается (рис. 2.34, б).

Демпфирующая характеристика контакта характеризует его способность по­глощать энергию колебаний в вибронагруженных сопряжениях. Она оценивает­ся декрементом затухания и имеет важное значение, поскольку определяет уровень амплитуды проскальзывания поверхностей при эксплуатации, а следова­тельно, износ и уровень действующих нагрузок. Например, поглощение энергии в замках соединений дисков и лопаток компрессоров и турбин авиационных двигателей снижает амплитуду колебаний лопаток, уменьшая уровень дейст­вующих нагрузок и увеличивая ресурс.

Для длительной и надежной работы подвижных сопряжений необходимо обеспечить нормальные условия трения, когда взаимодействие контактирующих тел и среды локализуется в тонком слое, характеризуемом особым структурно-фазовым состоянием (вторичные структуры), защищающим основной материал от разрушения и обеспечивающим низкие значения коэффициента трения.

Первой важной особенностью фрикционного взаимодействия является обра­зование некоторой равновесной шероховатости, не зависящей от исходной. Формирование этой шероховатости обусловлено двумя процессами, одновре­менно протекающими в точках касания. Острые выступы сглаживаются за счет износа и пластической деформации. Причем они стремятся к конфигурации, обеспечивающей упругий контакт. Очень гладкие выступы схватываются ввиду недостатка смазочной среды, которой не удается проникнуть в контакт. Вслед­ствие этого происходит глубинное вырывание, в процессе которого шерохова­тость увеличивается. Равновесная шероховатость соответствует минимальному значению коэффициента трения. На процессы приработки поверхностей при трении, уровень фактических контактных давлений и условия смазывания в зна­чительной степени влияет шероховатость.

При трении сопротивление изнашиванию и уровень антифрикционных свойств зависят от физико-химического состояния поверхностей и условий нагружения (нормальной нагрузки, условий смазывания, скорости относительного перемещения, формы и площади контактирующих поверхностей, рабочей тем­пературы).

Разрушение поверхностей при трении обусловлено совокупным действием различных механизмов изнашивания, основными из которых являются абразив­ный, окислительный и усталостный.

Абразивное изнашивание проявляется при трении материала о более твер­дые тела или частицы. Оно может быть вызвано разными механизмами, опреде­ляющими поверхностное разрушение, сопровождаемое однократным или мно­гократным пластическим деформированием.

Способы борьбы с такого рода изнашиванием следующие: применение бо­лее абразивостойкого материала или покрытия, изменение конструкции детали или узла, защита от попадания твердых частиц на поверхности трения (уплотне­ния, фильтрация масла).

При окислительном изнашивании одновременное воздействие микропласти­ческой деформации и диффузии кислорода в пластически деформируемые объе­мы приводит к образованию особого вида вторичных структур с локализацией разрушения в тончайших поверхностных слоях. Физико-химическое взаимодей­ствие металла с кислородом воздуха резко активизируется под влиянием силовых факторов трения и тепловыделения. Происходит рост и разрушение обра­зующихся оксидных структур.

При усталостном изнашивании многократное деформирование поверхно­стей в микрообъемах, примыкающих к пятнам фактического контакта, вызывает накопление в приповерхностных слоях материала различных дефектов. Развитие этих дефектов в микротрещины и смыкание последних приводит к образованию частиц износа. Такой механизм изнашивания может играть существенную роль в образовании питтингов и выкрашиваний на беговых дорожках подшипников качения. В этом случае его называют контактной усталостью.

Микрогеометрия поверхностей, работающих при трении, должна удовле­творять следующим требованиям.

При гидродинамическом трении обеспечивать достаточную прочность мас­ляной пленки и создавать благоприятные условия подачи масла в контакт по­средством оптимального расположения смазочных канавок.

В условиях граничного трения обеспечивать высокую маслоемкость по­верхности, достаточную опорную способность, малые размеры отдельных пятен контакта при их высокой плотности.

Различают подходы к назначению оптимальных параметров состояния по­верхностного слоя для твердых и мягких элементов пары трения, сопряжений из одноименных материалов, при наличии приработочных покрытий и т. д. Напри­мер, при трении материалов с большой разницей в твердости первостепенное значение имеет изнашивающая способность твердой поверхности по отношению к мягкой. При значительной шероховатости твердой поверхности износ мягкого тела может превысить допустимый задолго до наступления состояния приработки.

Деформационное упрочнение поверхностного слоя увеличивает твердость и, как следствие, опорную способность поверхности. Следует добавить, что сте­пень деформации влияет на энергетическое состояние поверхностного слоя, спо­собствуя в нормальных условиях трения формированию вторичных структур.

Склонность к схватыванию и задирообразованию пар, содержащих мате­риалы разной твердости, значительно ниже, поскольку не происходит одновре­менной пластической деформации сопряженных тел, ведущей к свариванию контактирующих поверхностей, и создаются лучшие условия смазывания, так как технологический микрорельеф твердой поверхности сохраняется в течение длительного времени, обеспечивая необходимую дискретность контакта.

Динамический характер нагружения деталей и узлов силовых установок и агрегатов летательных аппаратов определяет высокую вероятность возникнове­ния фреттинг-процесса. При эксплуатации и доводке изделий он может возникать во всех видах сопряжении, в том числе номинально неподвижных, и сопровож­даться в зоне контакта сложными физико-химическими процессами, связанными с взаимодействием между контактирующими материалами и средой, развитием схватывания, усталостного, коррозионного и абразивного разрушения. При фреттинге несмазанных стыков поверхностей и в условиях ограниченного по­ступления масла наблюдается интенсивное окисление контактирующих поверхностей,

получившее название фреттинг-коррозия. Работа вибронагруженногостыка в масле, когда затруднен доступ кислорода в контакт, сопровождается схватыванием и образованием задиров, переносом материала с одной поверхно­сти на другую с образованием характерных наростов.

К сопряжениям, для которых развитие фреттинговых повреждений может приводить к возникновению отказов, относят шлицевые соединения современ­ных высокоскоростных установок, таких как приводы, генераторы, насосы. Рас­пространенным является повреждение беговых дорожек подшипников качения, выполняющих свои функции периодически (ложное бринелирование). Разруше­ния от фреттинга наблюдаются на посадочных поверхностях и по торцам под­шипников, что приводит к перекосам и развитию усталостных трещин в коль­цах. Часто встречается фреттинг-коррозия таких высоконапряженных элемен­тов, как трубопроводы топливных систем гидро- и пневмоагрегатов (соединения трубопроводов, места их крепления к корпусу). Большую опасность представля­ет фреттинг в прецизионных парах трения аппаратуры управления гидросисте­мами. Он может быть одной из основных причин возникновения схватывания и заклинивания золотников, плунжеров, клапанов и др.

Для номинально неподвижных соединений наибольшую опасность фрет­тинг представляет с точки зрения снижения усталостной прочности. Нарушение плотности посадки и перекосы наблюдаются реже. В соединениях с допускае­мым проскальзыванием обеспечение усталостной прочности также считается наиболее важным. Для подвижных сопряжений опасным является заклинивание вследствие накопления продуктов разрушения, образования задиров и наростов, а также интенсификация изнашивания, вызванная абразивным действием про­дуктов фреттинг-коррозии и наростов.

Многообразие и сложность проявлений фреттинга, процессов, происходя­щих в вибронагруженном контакте, определяет многоплановость борьбы с их последствиями. В этом направлении в настоящее время накоплен достаточный опыт. Упрочнение поверхностей контакта — один из наиболее эффективных и распространенных методов борьбы с повреждаемостью при фреттинге.

Общей характерной особенностью фреттинговых повреждений является их локализация на отдельных участках поверхности, составляющих обычно не бо­лее 10... 15 % номинальной площади контакта.

Следует отметить, что размеры отдельных задиров и наростов в десятки раз превышают амплитуду фреттинга. Это указывает на наличие сложного течения материала при образовании задиров и наростов. Образование задиров и наростов приводит к перераспределению контактных нагрузок, их сосредоточению в мес­те задира и дальнейшему развитию повреждения. Описываемыми процессами объясняется слабое влияние твердости контактирующих поверхностей на стой­кость к задирообразованию при фреттинге, поскольку возникающие контактные напряжения способствуют пластическому течению и разрушению самых твер­дых материалов. Очевидно, что технология поверхностного упрочнения, на­правленного на снижение или устранение фреттинг-повреждаемости, должнаиметь основной целью не повышение твердости, а предотвращение схватывания и задирообразования.

Интенсивность разрушения контактирующих поверхностей при фреттинге зависит от условий контактного взаимодействия поверхностей (амплитуды от­носительного проскальзывания, номинального контактного давления, частоты вибраций, состава внешней среды, температуры), природы материалов сопря­женных деталей и состояния контактирующих поверхностей (шероховатости, твердости, степени деформации, остаточных напряжений). С ростом амплитуды разрушение поверхностей увеличивается. Влияние контактного давления на по­вреждаемость неоднозначно. Она растет с его увеличением. Однако при кон­тактных давлениях, превышающих определенное для данного сопряжения зна­чение, наблюдается снижение амплитуды проскальзывания и, как следствие, уменьшение разрушения поверхности.

Микрогеометрия поверхностей деталей, работающих в условиях фреттинга, должна обеспечивать оптимальную контактную податливость, способствующую равномерному распределению контактных давлений, прерывистость контакта, обусловленную наличием канавок для выхода продуктов разрушения, локализа­цию схватывания, перетекание масла, снижение абразивного износа.

Коррозионная стойкость и жаростойкость. Коррозия представляет собой разрушение металлов и сплавов в результате взаимодействия с окружающей средой.

По механизмам протекающих процессов коррозию подразделяют на хими­ческую и электрохимическую.

В зависимости от среды, действие которой вызывает разрушение материала, различают:

• атмосферную коррозию;

• коррозию в электролитах (растворах солей, кислот и щелочей);

• коррозию в неэлектролитах (бензине, керосине, спецжидкостях);

• коррозию в расплавах солей;

• коррозию в жидких металлах;

• высокотемпературное окисление;

• газовую коррозию при высоких температурах;

• биокоррозию.

По характеру повреждений коррозию делят на:

• поверхностную равномерную;

• неравномерную (язвенную, щелевую);

• межкристаллитную, при которой разрушение происходит по границам зе­рен и распространяется вглубь.

Коррозия может интенсифицировать процессы разрушения под действием механических нагрузок и вследствие изменения свойств материалов. Эти явле­ния называют:

• эрозионной коррозией;

• фреттинг-коррозией;

• кавитационной или водоэрозионной коррозией;

• коррозионной усталостью;

• коррозионным растрескиванием под нагрузкой;

• водородной хрупкостью;

• охрупчиванием при воздействии жидких металлов и т. д.

В большинстве встречающихся на практике коррозионных сред (в природной и технической воде, растворах солей, кислот, щелочей, а также во влажной атмосфе­ре) коррозионные процессы являются электрохимическими. Разрушение металла происходит в результате возникновения гальванических пар между сопряженными деталями или разноименно заряженными участками поверхности. Образование та­ких участков может быть обусловлено неоднородностью физико-химического со­стояния поверхностного слоя и концентрации коррозионной среды, неравномерно­стью температуры и т. д. Разноименно заряженными могут оказаться вершины и впадины неровностей поверхности, фазовые составляющие материала, зоны с раз­ными уровнями остаточных напряжений и степенью деформации.

На анодных участках поверхностей происходит переход ионов металла в электролит:

Ионы Ме⁺ в дальнейшем взаимодействуют с О₂ и ОН^- с образованием гидратированных оксидов.

Методы защиты металла от электрохимической коррозии сводятся к обеспе­чению пассивного состояния металла через устранение перечисленных неоднородностей, нанесению защитных покрытий, модифицированию поверхностей.

На интенсивность коррозионных процессов большое влияние оказывает хи­мический состав материала поверхностного слоя. Наличие элементов, образую­щих сплошные и плотные оксидные пленки, увеличивает сопротивление корро­зии. Напротив, посторонние примеси и включения способствует коррозионному разрушению.

Сплавы с однородной гомогенной структурой обладают более высокой кор­розионной стойкостью, чем сплавы с неоднородной многофазной структурой.

Увеличение шероховатости поверхности при прочих равных условиях сни­жает сопротивление электрохимической коррозии. Наряду с образованием меж­ду выступами и впадинами гальванических пар это объясняется увеличением площади поверхности, взаимодействующей со средой, и тем, что во впадинах собираются и удерживаются влага и агрессивные компоненты среды. Кроме то­го, защитные оксидные пленки на шероховатой поверхности в большей степени склонны к растрескиванию.

Пластическая деформация поверхностного слоя увеличивает число дефектов кристаллической решетки и диффузионную подвижность атомов. В итоге сопро­тивление коррозии уменьшается. Наличие внутренних остаточных напряжений приводит к снижению коррозионной стойкости. Особенно опасны остаточные напряжения растяжения.

В авиационных двигателях коррозия происходит при высоких температурах при воздействии газового потока, содержащего кислород, оксиды азота NO_x, СО₂, Н₂О, несгоревшие фракции топлива С_ХН_У. В газовом потоке присутствуют также продукты окисления топливных примесей и загрязнения из воздушной среды.

Сопротивление металлов и сплавов разрушению от такой коррозии называ­ют жаростойкостью. В результате газовой коррозии металл переходит в окис­ленное состояние:

Жаростойкость зависит в первую очередь от свойств оксидных пленок, обра­зующихся на металлах и сплавах в результате окисления. Некоторые металлы (W, Mo, Re) являются жаропрочными, однако при высокой температуре образуют ле­тучие оксиды и поэтому обладают низкой жаростойкостью. Железо образует по­ристые окислы, не защищающие металл от окисления. Ti, Zr, Та, Nb, Hf способны в значительных количествах растворять кислород (Ti до 15 % от массы), который вызывает их охрупчивание. Высокой жаростойкостью обладают нихромы, кото­рые по этой причине в настоящее время широко применяют для изготовления деталей горячего тракта двигателей. Дополнительное повышение жаростойкости достигают химико-термической обработкой (алитирование, хромоалитирование, силицирование, борирование, бороалитирование), позволяющей создать на по­верхности диффузионные слой, которые при окислении формируют плотные за­щитные оксидные пленки, препятствующие диффузии кислорода внутрь металла.