Пластические свойства и износ материалов при низких температурах

Секция

«ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»

УДК 621:620.178.16.05

И. А. Андреева, А. И. Хомич Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ИЗНОС МАТЕРИАЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Рассматриваются вопросы влияния абразивной износостойкости на долговечность деталей машин. Определенное внимание уделено вопросам долговечности деталей машин, работающих при низких температурах. Предпринята попытка объяснения процессов происходящих в зоне трения.

Изнашивание деталей и рабочих органов машин является неизбежным и закономерным процессом, сопровождающим работу многих машин, механизмов и оборудования. Многими исследованиями установлено, что в 80-90 % случаев работоспособность машин и оборудования теряется вследствие износа их подвижных соединений. Изнашивание приводит к изменению геометрической формы и размеров деталей, изменяется состояние их рабочих поверхностей, что ведет к постепенному снижению функциональных качеств деталей и производительности машин в целом. Поэтому сохранение функциональных качеств машин и механизмов предполагает в первую очередь обеспечение высокой износостойкости их подвижных элементов (рабочих органов) и сопряжений. Особенно это проявляется для деталей и рабочих органов машин, подвергающихся абразивному изнашиванию.

Долговечность деталей и рабочих органов машин, работающих в условиях абразивного изнашивания, определяется двумя факторами: интенсивностью изнашивания и разрушения, вследствие снижения прочности. Связано это с кинематическими и динамическими параметрами, характеризующими работу машины. Например, для режущих органов землеройных машин эти параметры полностью зависят от условий работы машины и состояния разрабатываемого грунта (талый или мерзлый). Процесс изнашивания деталей и режущих органов в грунтах подчиняется закону нормального распределения, процессы разрушения (поломка деталей) - экспоненциальному. Разрушение детали или режущего органа происходит в результате снижения прочности детали из-за ее предельного износа. Поэтому вероятность безотказной работы (долговечность) можно представить как суммарную функцию законов нормального распределения и экспоненциального.

Существенно важным фактором, определяющим величину износа, а значит и долговечность деталей, является степень динамичности нагрузки, действующей на изнашиваемую деталь, температура окружающей среды. Воспроизведение этого параметра представляет большую сложность, поэтому в исследованиях применяют испытания при двух граничных условиях: либо при скольжении по частицам абразива, либо при ударе детали об абразивную поверх-

ность. Другим определяющим интенсивность изнашивания является температура окружающей среды, которая оказывает влияние на все факторы, регулирующие процесс изнашивания: физико-механические свойства материала, состояние абразивной поверхности (степень закрепленности частиц абразива), воздействие окружающей среды на изнашиваемую поверхность и т. д.

Воздействуя на материал, абразивные частицы формируют в поверхностном слое вполне определенный процесс изнашивания. Изменение условий этого воздействия в некотором диапазоне (нагрузки, скорости скольжения, состава и геометрической формы абразива, а также размеров абразивных частиц) не изменяет физической сущности явлений в зоне контакта, а влияет только на количественные показатели процесса изнашивания. Характеризуется это переходом от одного доминирующего механизма разрушения поверхности материала к другому.

Границы этих переходов довольно условны и могут быть определены только при некоторых допущениях, что обусловлено рядом факторов: различной интенсивностью протекания процессов, характерных для абразивного изнашивания (упругое, упруго-пластическое оттеснение материала, усталостное разрушение, микрорезание); невозможностью создания условий, позволяющих реализовать только один из перечисленных видов разрушения материалов при абразивном изнашивании.

В качестве критерия перехода от полидеформационного разрушения к преимущественному микрорезанию М. М. Тененбаум предлагает использовать критическую степень смешанности процесса изнашивания, определяемую плотностью контактирования (отношение количества абразивных частиц, производящих микрорезание к числу частиц, производящих деформирование материала).

При пр / пд << (пр / пд)кр в зоне контакта доминируют процессы полидеформационного разрушения (отделение частицы износа происходит в результате многократного повторения циклов пластического оттеснения материала абразивными частицами). Если же пр / пд >> (пр / пд)кр , то в зоне контакта материала и абразива преобладает процесс разрушения материала за счет микрорезания (отделение частицы износа про-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

исходит при однократном контакте абразива и материала).

Критическая плотность контактирования определяется в предположении, что величины износа при полидеформационном разрушении и микрорезании равны (отношение пр / пд = 1).

При условии равенства объемов Ур и Уд, соотношение режущих и деформирующих частиц равно (Пр / Пд)Кр = 0,69 / N.

Уменьшение соотношения Уд/Ур ведет к снижению нижнего предела соотношения (Пр/пд)кр, т. е. при

Уд/Ур ^0

При другом граничном значении Уд / Ур ^ 1 числитель правой части уравнения имеет вид

lim [ln (1 + Уд / Ур)] = lim [ln 2] = 0,693.

Следовательно, соотношение пр / пд может изменяться в диапазоне от 0 до 0,693, т. е. от 0 до 7 %. По данным исследований доминирующий процесс микрорезания при абразивном изнашивании наступает при количестве режущих частиц не более 7,0 % от числа пластически деформирующих.

При низких температурах соотношение режущих и деформирующих частиц абразива изменяется, что связано с изменением физико-механических свойств материалов и состояния абразива. В работах по исследованию износостойкости материалов при низких

температурах показано, что в результате повышенного упрочнения и охрупчивания материалов при низких температурах увеличивается доля диспергирования, а сопротивление разрушению уменьшается. Работа сил трения при понижении температуры до минус 60 °С снижается до 60-65,0 % от значения при температуре плюс 20 °С. Это значит, что разрушение поверхности материала абразивными частицами происходит при усилиях на 35-40 % меньше, чем они необходимы при нормальной температуре. В ряде работ показано, что величина обратная коэффициенту стружкообразования 1/Кс (Кс - коэффициент стружко-образования), отражающая сопротивление материала разрушению снижается, повторяя кривую снижения износостойкости сталей. Приведенные факты указывают на рост интенсивности разрушения материалов абразивными частицами при понижении температуры, а следовательно, снижение износостойкости.

Таким образом, выполненный анализ многочисленных исследований при различных условиях изнашивания материалов показывает, что долговечность деталей и рабочих органов машин полностью зависит от износостойкости материалов, из которых они изготовлены.

© Андреева И. А., Хомич А. И., 2014

УДК 621.454.2;629.76;629.78

И. В. Буртылъ1 Научный руководитель - Г. Г. Крушенко1, 2 1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск 2Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧИХ КОЛЕС ТНА ЖРД

Представлены результаты применения некоторых технологий и средств, обеспечивающих повышение качества рабочих колес турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя.

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) подача компонентов топлива осуществляется насосами, которые приводятся во вращение газовой турбиной. В совокупности насосы с турбиной образуют турбо-насосный агрегат (ТНА), являющийся важнейшим узлом ЖРД [1-4].

Комплектующие ТНА детали по условиям эксплуатации делятся на две группы - вращающиеся, к которым относятся вал и смонтированные на нем рабочие колеса (диски), и неподвижные - корпуса, внутри которых располагается вал с дисками (ротор). Вращающиеся детали работают в исключительно жестких условиях [5].

Диски ТНА изготовляют методом литья по выплавляемым моделям [6] из жаропрочных сплавов на никелевой основе [7], содержащие упрочняющие ин-терметаллидные у'-фазы [8].

К качеству дисков предъявляются высокие требования, что вызывает их значительную отбраковку на каждой контрольной операции по причине выявлении разного рода дефектов, начиная от визуального ос-

мотра и вплоть до рентгенопросвечивания. Применение «простых» технологических мероприятий не во всех случаях приводило к положительным результатам, что, по-видимому, можно объяснить незнанием всех факторов, определяющих качество отливок, в связи с чем и был выполнен ряд исследований по повышению качества дисков.

С целью установления причин возникновения дефектов и принятия мер по их предотвращению, проведено исследование с применением метода экспертных оценок [9], основанном на априорном выявлении значения («веса») влияния отдельных факторов на возникновение тех или иных дефектов, что определяли на основании опыта специалистов, накопленного ими в предшествующей деятельности.

На основании обработки полученных данных была разработана конструкция ЛПС, характеризующаяся наличием шаровой прибыли со щелевым подводом в нее металла. Такая форма прибыли обладает наибольшей эффективностью в отношении питания -подвода жидкого металла к кристаллизующимся объ-