Лекция №7. Трещинообразование, контактная прочность и связь сопротивления усталости деталей с изнашиванием.

7.1. Усталостное разрушение металлического антифрикционного слоя подшипников скольжения.

Усталостное разрушение антифрикционного слоя про­исходит в подшипниках, подвергавшихся длительному нагружению переменными по направлению и величине усилиями. Прин­ципиально для этого достаточно переменности одного из фак­торов. Усталостные трещины, возникая на поверхности трения, распространяются в глубь слоя. Постепенно удлиняясь, мелкие трещины образуют сетку на отдельных ограниченных или боль­ших участках поверхности. Раскрытие трещин происходит под действием пульсирующего давления масла. Трещина, достигнув основания антифрикционного слоя, изменяет свое направление, распространяясь по стыку между слоем и основанием, в резуль­тате отдельные участки поверхностного слоя обособляются, а за­тем выкрашиваются. Большую роль в отделении частиц, веро­ятно, играет смазочный материал, который, проникнув в трещину, способствует отрыву металла. Иногда трещина не доходит до стыка и продвигается вблизи него и параллельно ему. Выкрашивание крупных кусков слоя может сопровождаться поверх­ностными язвами. На рис. 7.1 показана рабочая поверхность под­шипника двигателя с усталостными повреждениями в виде сет­ки трещин.

Сопротивление усталости антифрикционного слоя зависит от режима работы и конструкции подшипника, физических свойств соединения слоя с основанием, жесткости вала и постели под подшипниками и др. Недостаточная жесткость вала, корпусов и крышек подшипников и постелей может стать причиной переко­сов цапф относительно подшипников и концентрации нагрузки у краев. Результатом повышенного кромочного давления на подшипниках может быть трещинообразование либо пластический сдвиг мягкого сплава. При неудовлетворительном прилега­нии вкладышей подшипников к постелям участки вкладышей с неплотным контактом прогибаются; одновременно перегружается остальная рабочая поверхность.

Конусность и овальность шеек, неправильная геометрия фор­мы и несоответствие размеров вкладышей (особенно тонкостенных) и постелей служат причиной перенапряжения антифрикци­онного слоя.

Чем выше давление, больше амплитуда перемещения сопри­касающихся поверхностей, чем быстроходнее машина, тем быст­рее может наступить разрушение подшипникового материала. Сопротивление усталости высокооловянных баббитов в паровых поршневых машинах при значительных нагрузках выше, чем в дизелях с присущими им большими ударными нагрузками.

Весьма значительно влияние роста рабочей температуры под­шипника на сопротивление усталости. Обычная рабочая темпе­ратура подшипников транспортных дизелей 80— 100°С, но име­ются двигатели, в которых температура подшипников достигает 150°С С повышением температуры снижаются все показатели механической прочности, в особенности у баббитов: при темпера­туре 100°С они снижаются примерно в 2 раза по сравнению с показателями при нормальной температуре. Различие в коэффи­циентах линейного расширения подшипникового сплава и мате­риала основания служит причиной температурных напряжений.

Сопротивление усталости оловянных баббитов тем больше, чем выше содержание меди и сурьмы, но при этом увеличивает­ся хрупкость и ухудшаются антифрикционные свойства сплава. Свинец в оловянных баббитах является вредной примесью. До­бавка кадмия несколько тормозит снижение сопротивления усталости оловянных баббитов с повышением температуры.

Существует мнение, что высокое сопротивление усталости свинцовых баббитов (свыше 80% РЬ) в заливке подшипников дизелей, работающих с частыми пусками, обусловлено кубиче­ским строением кристаллов свинца, благодаря чему он лишен анизотропии термического расширения. Однако, несмотря на гек­сагональное строение кадмия, сплавы на кадмиевой основе в особо тяжелых условиях более работоспособны, чем оловянные и свинцовые баббиты. Еще выше сопротивление усталости медно

Рис. 7.1. Рабочая поверхность подшипника авиадвигателя из свинцовой брон­зы (а) с усталостными повреждениями в виде сетки трещин (б)

свинцовых сплавов. Это происходит при сравнительно большой толщине слоя (более 2 мм). Свинец в них способен образовывать сплошную сетку или располагаться отдельными зернами. Свин­цовые бронзы с сеткой свинца в микроструктуре обладают вы­сокими антифрикционными свойствами, но недостаточным сопро­тивлением усталости. Олово, никель и серебро в качестве леги­рующих добавок служат для регулирования структуры. Почти равную износостойкость при большом экономическом эффекте дало применение в тяжелонагруженных подшипниках тракторных дизелей вкладышей из плакированных полосок с алюминиевым сплавом на стальном основании взамен свинцово-бронзовых.

Из подшипниковых материалов наибольшее сопротивление усталости имеет серебро.

Качество соединения антифрикционного сплава с основани­ем влияет на сопротивление усталости слоя. Может случиться, что адгезия сплава при плакировании, достаточная для опреде­ленного режима, окажется недостаточной при более тяжелом режиме работы биметаллического вкладыша. Меднение перед лужением может привести к образованию хрупкого соединения меди с оловом.