ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 5, 2004
УДК 658.56
© 2004 г. Артемов И.И., Кревчик В.Д.
ДИСЛОКАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФРЕТТИНГ-УСТАЛОСТИ В УСЛОВИЯХ ВИБРАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛА
Предпринята попытка связать фреттинг-усталость с динамикой дефектной структуры металла в условиях вибрационного нагружения. Показано, что вибра-ционно-стимулированное движение дислокаций с последующим их накоплением вблизи примесных выделений является одной из возможных причин образования микротрещин и соответственно развития фреттинг-усталости.
Исследованию процесса фреттинга посвящено немало работ [1-8]. Тем не менее, этот процесс продолжает оставаться малоизученным с точки зрения необходимости учета достаточно большого числа факторов физической и химической природы.
В настоящей работе предпринята попытка связать фреттинг-усталость с динамикой дефектной структуры материала в условиях вибрационного нагружения. Действительно, кинетика таких процессов как диффузия и ползучесть во многом определяется характером распределения, концентрацией и взаимодействием дефектов кристаллической решетки-дислокаций, вакансий и межузельной примеси. Вибрационное на-гружение материала может стимулировать тот или иной процесс, связанный с дефектами: диффузию примеси из облака Коттрелла [9], дислокационную ползучесть. Предлагаемый в двухэтапный механизм развития фреттинг-усталости состоит в следующем. На первом этапе происходит "рассасывание" зон Коттрелла вследствие диффузии, закрепляющей примеси в поле дислокационной деформации [9]. В результате эффективная длина дислокационного сегмента 1С увеличивается за счет уменьшения точек закрепления. При некотором критическом напряжении ст (в зоне абразивного действия) возможно полное открепление дислокационных петель за некоторое время т1. На втором этапе дислокация может покинуть атмосферу Коттрелла и начать дрейфовать совместно с атмосферой, опережая ее на некоторое расстояние. Скорость дрейфа дислокации ограничивается скоростью миграции примесной атмосферы, определяющейся их диффузионной подвижностью, которая стимулируется вакансиями, образованными при движении дислокационных сегментов. Вибрационно-стимулиро-ванное движение дислокаций с последующим их накоплением вблизи примесных выделений является одной из возможных причин образования микротрещин [10] и соответственно развития фреттинг-усталости.
Механизм "рассасывания" зон Коттрелла в условиях вибрационного нагружения. Внешнее воздействие на металл при определенных условиях может стимулировать процессы, связанные с динамикой дефектов. Изучение таких процессов важно для предотвращения разрушения материала. Одним из воздействий, которым подвергаются материалы, является вибрационное воздействие. В этом случае колебания, возбуждаемые в материале, сопровождаются знакопеременными напряжениями. Последние могут вызвать движение дефектов (дислокаций) и стимулировать процессы диффузии различных примесей. Процесс вынужденной диффузии закрепляющей примеси (облако Коттрелла) в поле дислокационной деформации теоретически исследовался ранее
в рамках метода функций Грина [11]. Было показано, что динамика дислокационного сегмента в условиях вибрационного нагружения описывается формулой вида
¡с = (¡с12т{) (1)
где ¡сд - эффективная длина дислокационного сегмента в отсутствие вибрационного нагружения, т0 - радиус облака Коттрелла; ¡й = -УЛт* - длина диффузии закрепляющей
г
примеси; т* определяется как [9] т* = |О * (г')йг'; О*(г') - коэффициент диффузии закреп-
го
2 2
ляющей примеси в поле дислокационной деформации [9]; О*(т) = О + (У0й /2ю т); О - коэффициент диффузии закрепляющей примеси в отсутствие вибрационного нагружения;
т = г - г0;
8Ьопю2 2 2 2 2 -1/2
у о й = Р Бу У о [(ю2- ю2) + (юй )2 ] .
- амплитуда скорости диффузионного дрейфа. Здесь Ь - величина вектора Бюр-герса; А = прЬ - эффективная масса дислокации, приходящаяся на единицу длины; р - плотность материала; о0 - амплитуда механического напряжения; ю0 - резонансная частота, определяемая длиной дислокационной петли I и равная (С/А) /2п/1; С = = 20Ь /[п(1 - V)] - эффективное натяжение изогнутой дислокации; О - модуль сдвига; V - число Пуассона; й = Б/А; В - демпфирующая сила на единицу длины дислокации; у - коэффициент, характеризующий зависимость постоянной решетки твердого раствора от содержания атомов растворенного вещества; У0 - атомный объем; к -постоянная Больцмана; Т - термодинамическая температура.
Пользуясь (1) можно оценить время т1 до начала освобождения дислокации от примесной атмосферы. Полагая ¡с = ¡, получим
т1 = т0ехр (8пее1), (2)
2 2 2 2
где т0 - период циклического нагружения; е = 4т0 /¡с0; е1 = ¡ /¡й ; ¡й = У0йт0.
Оценка величины т1 при следующих значениях параметров, входящих в (2), V = 0,3, р = 7800 кг/м3, О = 8 ■ 1010 Н/м2, Т = 400 К, у = 0,1, Ь = 10-10 м, о0 = 105 Н/м2, У0 = 10-6 м3, В ~ 5 ■ 10-6 Н ■ с/м2, 2т0 = 0,1 мкм, ¡ = 1 мкм, ¡с0 = 0,1 мкм, ю = 88 с-1, дает т ~ 7 ■ 106 с. Это соответствует примерно 10 циклам вибрационного нагружения.
Процесс дислокационой ползучести с атмосферами Коттрелла. В поле знакопеременных механических напряжений дислокационные сегменты периодически проходят через зону Коттрелла. В результате такого нагружения в материале может повыситься концентрация точечных дефектов. Дислокационные сегменты со ступеньками при движении оставляют след из точечных дефектов за каждой ступенькой [10]. Однако после изменения знака колебания, двигаясь в противоположном направлении, ступенька приведет к уничтожению образованного ряда дефектов, если они останутся на месте формирования. В условиях реального вибрационного нагружения возникающие вакансии имеют шанс успеть продиффундировать на несколько межатомных расстояний от мест образования. Поэтому при движении в обратном направлении ступеньки могут образовать новые ряды точечных дефектов. Пересыщение материала вакансиями обуславливает прирост коэффициента диффузии АО закрепляющей примеси в облаке Коттрелла [10]:
А Б = АяуБу, (3)
где - коэффициент диффузии вакансий; Аи^, = (цюQ-1(o0)o0)/(2квNdDVE) - избыточное число вакансий [11]; п ~ 10-4; Й_1(о0) - коэффициент внутреннего трения; Е -
модуль Юнга; в - фактор нелинейности дислокационного сегмента (в < 1); N,1 - плотность дислокаций.
При некотором критическом напряжении о0 = от = [10] (в зоне абразивно-
го действия) дислокация может покинуть атмосферу с последующим совместным дрейфом в поле знакопеременных деформаций. При этом средняя скорость дрейфа будет определяться приростом коэффициента диффузии примесного облака (3). На примере резьбового соединения, оценим время т2 до начала развития микротрещины. Известно [12], что критическая скорость дрейфа дислокации Ук определяется формулой вида Ук = 8ОС /2г0, где ОС = О + АО.
Критическая скорость ползучести ек определяется как [12] ек = (8Оc/2r0)bNd. Используя уравнение состояния е к + (1/E)(dо/dт) = 0, нетрудно получить зависимость напряжения о в болте от параметров вибрационной нагрузки и дефектной структуры материала
О = 1 _
О 3 2гоо 3
bEjo*dт, (4)
где оз - напряжение затяжки.
Полагая в (4) о/оз ^ 1 и учитывая, что О 1 = СтАТ/т, получим
т2 = т1ехр (а), (5)
где а = квг0/(2ЬцюСтАТот); Т определяется формулой (2); Ст - параметр теории, определяемый из эксперимента для внутреннего трения материала болта; АТ - изменение температуры болта в процессе вибрационного нагружения.
При а ^ 1 из (5) имеем т2 ~ т^ что соответствует выбору параметра Ст > 7п ■ 10-4 с/К. Такой выбор Ст дает вполне разумное значение для коэффициента внутреннего трения О > 10-'. Из (4) видно, что упругие деформации в болте уменьшаются за счет увеличения пластических деформаций в процессе дислокационной ползучести. Формула (5) дает зависимость для длительной прочности, которая во многом определяется параметрами дислокационной структуры материала болта, величиной напряжения затяжки и параметрами вибрационной нагрузки. Следует отметить, что экспоненциальный характер зависимости т2 от актуальных параметров является универсальным и не зависит от конкретной модели ползучести.
Таким образом, в рамках простейшей дислокационной модели продемонстрировано существенное влияние дефектной структуры материала на развитие процесса фреттинг-усталости в условиях вибрационного нагружения.
Предложенная модель не претендует на какое-либо количественное согласие с экспериментом, но является первым необходимым шагом для последующих уточнений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации (Грант Т02-06.6-1994).
Т
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алябьев А.Я., Ковалевский В.В., Мельников В В. Влияние лазерной обработки сталей с различным содержанием углерода на износостойкость в условиях фреттинга // Трение и износ. 1983. Т. 4. < 3. С. 508-513.
2. Морозенко О.В., Струнин В.И. Технологические условия накатывания и влияние технологии изготовления на прочность резьбы деталей из нержавеющих сталей, жаропрочных материалов и титановых сплавов. М.: ГОСНИТИ. 1962. < 8. Тема 5 < М-62-173/8. С. 1120.
3. Муравкин ОН., Рябченков A.B., Панафидин П.Н. Защита металлических поверхностей от фреттинг-коррозии пластмассовыми пленками. М.: ЦИТЭИ. 1959. < M-59-496. 15 с.
4. Райт К.Г.Р. Исследование контактной коррозии // Усталость металлов. < 6. М.: 1954.
5. Петухов А.Н., Балашов Б.Ф. Методы повышения усталостной прочности деталей в условиях фреттинг-коррозии // Вестник машиностроения. 1974. < 6. C. 17-19.
6. Гаркунов Д.Н. Конструирование, изготовление и эксплуатация машин // Триботехника. М.: 2002. 630 с.
7. Рябченко А.Б., Муравкин О Н. Фреттинг-коррозия металлов и способы их защиты // Коррозия и защита металлов в машиностроении. М.: 1959. C. 273-331.
8. Гаркунов Д.Н. Износ и безызносность // Триботехника. М.: 2001. 615 с.
9. Артемов H.H., Кревчик В.Д., Суменков C.B. Исследование влияния дефектной структуры материала болтового соединения на процесс ослабления затяжки // Новые промышленные технологии. 2002. < 5-6. C. 67-69.
10. Кулемин A.B. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. C. 199.
11. Артемов H.H., Кр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.