Влияние свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения

Светлана-Виктория Музафарова

Влияние свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения

Данная работа посвящена исследованию влияния свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения и поиск возможных технологических решений для их повышения. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Анализ причин повреждений подшипников качения. 2. Исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость. 3. Исследование влияния содержания водорода на эксплуатационную стойкость. 4. Фрактографические исследования вскрытых трещин. 5. Исследование микроструктуры подшипников качения. 6. Поиск возможных современных способов повышения эксплуатационной стойкости рассматриваемых подшипников. В работе приведены результаты исследований влияния производственных факторов на работоспособность подшипников при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок и температур. Произведена оценка влияния различных факторов на эксплуатационную стойкость. Проведено исследование микроструктуры и изломов стали. Показано, что основными факторами, оказывающими существенное влияние на эксплуатационную стойкость, являются величина сжимающих напряжений, содержание общего и диффузионно-подвижного водорода. Предложены способы решения предотвращения повреждений подшипников.

Металлургия

Дипломы

Вуз: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

ID: 5f008e4dcd3d3e00013e8019

UUID: 51814d90-a02e-0138-0d28-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: почти 4 года назад

Просмотры: 240

18.8

Светлана-Виктория Музафарова

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

Комментировать 0

Рецензировать 1

Скачать - 5,6 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Институт машиностроения, материалов и транспорта Работа допущена к защите Руководитель ОП __________________ И.А. Матвеев « ______» ___________ 2020 года ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ И ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА ЭИ347-Ш НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ по направлению подготовки 22.04.02 Металлургия по образовательной программе 22.04.02_10 Разработка, технологии и материалы в авиадвигателестроении Выполнил студент гр. 3342202/81001 С.-В.Р. Музафарова Руководитель доцент, к.т.н. С.А. Котов Консультант от АО «ОДК-Климов» А.А. Живушкин Консультант по нормоконтролю, доцент, к.т.н. В.В. Кисленков Санкт-Петербург 2020

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО Институт машиностроения, материалов и транспорта УТВЕРЖДАЮ: Руководитель ОП __________________ И.А. Матвеев « ______» ___________ 2020 года ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы студенту Музафаровой Светлане-Виктории Рустамовне гр. 3342202/81001 (фамилия, имя, отчество (при наличии), номер группы) 1. Тема работы: Влияние свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения. 2. Срок сдачи студентом законченной работы: июнь 2020 г. 3. Исходные данные по работе: 1. Литература и интернет-ресурсы. 2. Данные отчетов по НИР АО «ОДК-Климов». 3. Данные по анализу причин разрушения подшипников. 4. Методы исследования разрушенных подшипников. 4. Содержание работы (перечень подлежащих разработке вопросов): 1. Литературный обзор по использованию материалов для изготовления подшипников, применяемых в авиации. 2. Анализ причин разрушения подшипников. 3. Исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость. 4. Исследование содержания водорода в подшипниках. 5. Исследование микроструктуры. 6. Фрактографические исследования. 7. Выводы. 8. Список использованной литературы. 9. Приложение. 5. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей): Количество слайдов 10-15. 6. Консультант по исследовательской работе от АО «ОДК-Климов» - А.А. Живушкин 7. Дата выдачи задания февраль 2020 г. Руководитель ВКР _____________________________________ С.А. Котов (подпись) инициалы, фамилия Задание принял к исполнению февраль 2020 г. (дата) Студент _______________________________________________ С.-В.Р. Музафарова (подпись) инициалы, фамилия

РЕФЕРАТ На 102 с., 59 рисунков, 10 таблиц, 1 приложение. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ПОДШИПНИКИ СТОЙКОСТЬ, КАЧЕНИЯ, МИКРОСТРУКТУРА, ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ВОДОРОД. Тема выпускной квалификационной работы: «Влияние свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения». Данная особенностей работа посвящена структуры исследованию материала ЭИ347-Ш влияния на свойств и эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения и поиск возможных технологических решений для их повышения. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Анализ причин повреждений подшипников качения. 2. Исследование влияния остаточных напряжений на водорода на эксплуатационную стойкость. 3. Исследование влияния содержания эксплуатационную стойкость. 4. Фрактографические исследования вскрытых трещин. 5. Исследование микроструктуры подшипников качения. 6. Поиск возможных современных способов повышения эксплуатационной стойкости рассматриваемых подшипников. В работе приведены результаты исследований влияния производственных факторов на работоспособность подшипников при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок и температур. Произведена оценка влияния различных факторов на эксплуатационную стойкость. Проведено исследование микроструктуры и изломов стали. Показано, что основными факторами, оказывающими существенное влияние на эксплуатационную стойкость, являются величина сжимающих напряжений,

содержание общего и диффузионно-подвижного водорода. Предложены способы решения предотвращения повреждений подшипников. THE ABSTRACT 102 pages, 59 pictures, 10 tables, 1 appendix. KEYWORDS: ROLLING BEARINGS, OPERATING DURABILITY, MICROSTRUCTURE, RESIDUAL STRESS, HYDROGEN. The subject of the graduate qualification work is «The influence of the properties and characteristics of the structure of 8Cr4W9MoV2 material on the operational characteristics of rolling bearings for aviation application». The given work is devoted to the influence of the properties and characteristics of the structure of 8Cr4W9MoV2 material on the operational characteristics of rolling bearings for aviation application and search for possible technological solutions for their improvement. The research sets the following goals: 1. Analysis of the causes of damage to rolling bearings. 2. A study of the influence of residual stresses on the operating durability. 3. Study of the effect of hydrogen amount on the operating durability. 4. Fractographic researches of revealed cracks. 5. The study of the microstructure of rolling bearings. 6. Search for modern ways to improve the operating durability of the considered rolling bearings. This paper presents the results of researches of an influence of production factors on the performance of the bearings operating under increased pressures and temperatures. There are the estimations of the influence of different factors on the operational durability in this paper. A study of the microstructure and fractures of the steel was carried out. The result of the research shows that the main factors having a significant impact on the operational durability are the magnitude of the compressive stress, the content of total and diffusion-movable hydrogen. The solutions to prevent the damage of the rolling bearings have been suggested.

СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................................... 6 Глава 1. Литературный обзор .............................................................................. 7 1.1 Требования к материалам подшипников ...................................................... 7 1.2 Шарикоподшипниковые стали ...................................................................... 9 1.3 Термическая обработка материала ЭИ347-Ш ............................................ 10 1.4 Влияние остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость......... 13 1.5 Влияние содержания водорода на эксплуатационную стойкость ............. 17 1.6 Перспектива применения металлокерамических материалов и других материалов для изготовления деталей подшипников в авиастроении ............ 25 1.7 Заключение по литературному обзору ........................................................ 34 Глава 2. Исследовательская часть ..................................................................... 36 2.1 Методика проведения исследований........................................................... 36 2.2 Анализ причин повреждений подшипников качения ................................ 39 2.3 Исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость ............................................................................................................ 54 2.4 Исследование содержания водорода в подшипниках ................................ 57 2.5 Исследование влияния диффузионно-подвижного водорода (д.п.в.) на свойства стали .................................................................................................... 58 2.6 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника .......... 62 2.7 Фрактографические исследования .............................................................. 70 2.8 Обсуждение результатов работы ................................................................. 94 Заключение ......................................................................................................... 96 Рекомендации ..................................................................................................... 98 Список использованных источников ................................................................ 99 Приложение ...................................................................................................... 103 5

В Введение современных летательных конструкциях аппаратов широко применяются подшипники качения. Особое значение они имеют при установке валов высокого и низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД). Подшипники качения воспринимают и радиальные, и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус машины. Эти подшипники работают при повышенных нагрузках и температурах и, отчасти, в условиях коррозионно-активной среды. Надежность и работоспособность, как отдельных узлов, так и всей конструкции в целом, в значительной степени зависят от совершенства используемых подшипников и правильного учета условий их работы [1-3]. Эксплуатационная стойкость стальных подшипников определяется свойствами используемого материала и особенностями его изготовления. Отрицательными подшипника, факторами, могут быть влияющими такие факторы, на как работоспособность высокие остаточные напряжения, повышенное содержание примесей и водорода, неоднородная макро- и микроструктура стали и др. [4]. Каждый из этих факторов, а также их совместное действие могут привести к разрушению изделия при эксплуатации [5-8]. Подшипник, как правило, не дорабатывает до наступления естественной усталости металла, так как выкрашивание подшипников появляется раньше (вследствие дефектов, имеющихся в металле, и отступлений в технологии изготовления), чем подшипник вышел бы из строя на основании чисто теоретических предпосылок. В совместных работах Санкт-Петербургского политехнического университета и АО «ОДК-Климов» проводятся исследования по анализу причин повреждения подшипников качения газотурбинных двигателей. 6

Цель: исследование влияния свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения и поиск возможных технологических решений для их повышения. Задачи: 1. Анализ причин повреждений подшипников качения. 2. Исследование влияния остаточных напряжений на водорода на эксплуатационную стойкость. 3. Исследование влияния содержания эксплуатационную стойкость. 4. Фрактографические исследования вскрытых трещин. 5. Исследование микроструктуры подшипников качения. 6. Поиск возможных современных способов повышения эксплуатационной стойкости рассматриваемых подшипников. Глава 1. Литературный обзор 1.1 Требования к материалам подшипников Большая длительность работы подшипников и длительные сроки хранения их на складах предъявляют весьма высокие требования к размерной стабильности подшипниковой стали. Структура закаленной и низкоотпущенной высокоуглеродистой подшипниковой стали содержит нестабильные составляющие, испытывающие превращения при температурах эксплуатации и хранения. Неизбежным результатом этих превращений является изменение удельного объема сталей и, как следствие, изменение размеров деталей [1-2]. В деталях подшипников, работающих при повышенных температурах, наряду с объёмными изменениями могут происходить пластические деформации, вызванные совместным действием напряжений и структурных изменений и являющиеся дополнительным источником изменения размеров сталей. Неблагоприятным последствием размерных изменений является: 7

 уменьшение зазоров, вызывающее "заклинивание" подшипников при эксплуатации;  ослабление посадочного натяга колец, в результате чего может происходить их проворачивание на валу;  изменения диаметров тел качения, приводящие к перегрузке отдельных шариков и роликов;  нарушение точности вращения валов из-за неодинакового изменения размеров опорных подшипников и др. К подшипнику предъявляются определенные требования по обеспечению бесперебойной работы машины в течение установленного срока ее службы. В зависимости от условий работы Так, например, долговечность подшипников для авиадвигателей характеризуется количеством часов, которое должен проработать подшипник для обеспечения заданного ресурса двигателя [9]. Подшипники качения должны иметь определенный запас работоспособности, который зависит как от условий эксплуатации, так и от материала деталей подшипника качения. Важной характеристикой работоспособности подшипника качения является статическая и динамическая грузоподъемность. Статическая грузоподъемность - это предельная нагрузка, при которой остаточные деформации в зоне контакта имеют заданное значение (как правило, около 0,01% от диаметра шарика или ролика). Динамическая грузоподъёмность определяется нагрузкой, которая после заданного числа оборотов подшипника не вызывает его выхода из строя по усталостному разрушению в области действия контактных напряжений. И статическая, и динамическая грузоподъёмности требуют обработки деталей на высокую твердость. Несоответствия требованиям могут привести к снижению эксплуатационной стойкости. Под эксплуатационной стойкостью понимается способность подшипника сохранять свои свойства в процессе эксплуатации в течение определенного срока. 8

1.2 Шарикоподшипниковые стали Прежде всего, сталь для изготовления подшипников качения должна обладать высокой твердостью, для этого применяют высокоуглеродистые стали или низкоуглеродистые стали в цементованном состоянии [10]. Рассмотрим классификацию высокоуглеродистых сталей для изготовления подшипников:  хромистая, хромистая с добавкой молибдена, хромо-марганцевокремнистая, хромомарганцевая с добавкой молибдена стали (для подшипников, работающих в обычных условиях) (ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4);  коррозионностойкая, теплостойкая стали (для подшипников, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах) (95Х18-Ш, 11Х18М-ШД, ЭИ760, ЭИ347 (8Х4В9Ф2), 8Х4М4ВФ1-Ш, 8DCV40, M50, Z80WDCV6, 80MoCrV4216 и др.) [9]. Также широкое применение получили низкоуглеродистые цементируемые стали и в меньшей степени - сплавы с особыми физическими свойствами. Для изготовления подшипниковых колец небольших сечений и тел качения, как правило, используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0,95-1,05% С и 1,3-1,65% Cr), для подшипниковых колец больших сечений - хромо-марганцево-кремниевую сталь ШХ15СГ (0,95-1,05%С, 0,91,2%Cr, 0,4-0,65%Si и 1,3-1,65%Mn), которая прокаливается на большую глубину. При закалке в стали ШХ15 часто фиксируется повышенное содержание остаточного аустенита (≈10-15%), который при эксплуатации может превратиться в мартенсит и вызвать нежелательное изменение объема. Сталь 95Х18 обладает высокой коррозионной стойкостью в различных органических средах, в морской и пресной воде, в растворах азотной и уксусной кислот, однако имеет плохую стойкость в смеси азотной и серной кислот. 9

Цементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ применяют для изготовления деталей подшипников качения, которые работают при высоких нагрузках. Быстрорежущие стали (например, Р9) или стали ЭИ347 применяют для подшипников, подвергаемых в процессе эксплуатации значительным нагревам (до 400-500°С). Данная работа выполнена применительно к деталям подшипников качения из материала ЭИ347-Ш II опоры турбовального двигателя ВК-2500 и ТВ3-117. Расположение подшипника показано на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Общая схема двигателя ВК-2500 1.3 Термическая обработка материала ЭИ347-Ш Сталь ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) применяется для изготовления прецизионных подшипников качения, работающих в агрессивных средах. Химический состав стали ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) представлен в таблице 1.1. Таблица 1.1 - Химический состав в % по ТУ 14-1-2244-77 C Cr 0,70-0,80 Fe Mn Mo Ni P S Si 4,0-4,6 Ост. ≤0,40 ≤0,30 ≤0,35 ≤0,03 ≤0,03 ≤0,40 Данная марка подшипниковых стали сталей. относится к Теплоустойчивость 10 типу V W 1,40-1,70 8,5-9,5 теплоустойчивых создается в результате

воздействия двух причин: 1) специальным легированием и 2) закалкой с очень высоких температур 1200-1300°С. Для достижения высокой твердости и требуемой теплостойкости температура нагрева и выдержка при нагреве должны обеспечить достаточное насыщение твердого раствора углеродом и легирующими элементами. Однако пределом, ограничивающим температуру и выдержку, является сохранение мелкого зерна. Температура окончательного нагрева составляет до (1280-1300)°С (для полного растворения карбидов); относительно низкий интервал температур закалки, составляющий порядка (15-20)°С; важность предупреждения обезуглероживания и окисления при нагреве. При закалке в качестве среды охлаждения следует использовать масло. При медленном охлаждении с высоких температур (например, на воздухе) могут выделяться карбиды, снижающие режущие свойства. Чтобы уменьшить закалочную деформацию, применяют ступенчатое охлаждение, дающее лучшие результаты. Существует два способа превращения остаточного аустенита в мартенсит - обработка холодом и отпуск. В первом способе мартенситная реакция продолжается даже после охлаждения до (-70 ÷-80)°С (содержание остаточного аустенита ≈10%). Допускается более глубокое охлаждение до температуры жидкого азота (-196°С), однако это не приводит к уменьшению количества остаточного аустенита. мартенсит, при дополнительные прямом эффекты Кроме погружении - выделения в превращения жидкий из аустенита азот мартенсита в возникают карбидов, микропластическая деформация и др. (Остаточного аустенита сохраняется еще ≈10 %). Для уменьшения напряжения и отпуска мартенсита после обработки холодом дается отпуск при температуре 560°С (рисунок 1.2). Второй способ превращения остаточного аустенита в мартенсит заключается в нагреве закаленной стали до температуры 560°С, причем из 11

аустенита выделяются карбиды типа M 2C. Для разложения остаточного аустенита отпуск должен быть многократным (рисунок 1.3) [10]. Рисунок 1.2 - Режим термической обработки с обработкой холодом Рисунок 1.3 - Режим термической обработки стали ЭИ347-Ш («многократный отпуск») Структура стали ЭИ347-Ш после отжига представляет собой перлит и карбиды, а после закалки - мартенсит и избыточные карбиды. В зависимости от состава и термической обработки в качестве сопутствующей фазы в закаленной и отпущенной стали присутствует также остаточный аустенит. На свойства стали в реальных инструментах сильно влияют, кроме того, сильные внутренние напряжения и состояние поверхностного слоя, структура которого может отличаться от получаемой в нижележащих слоях. 12

Мартенсит - главная структурная составляющая, обеспечивающая наряду с карбидами их высокие износостойкость, сопротивление пластической деформации и твердость. Остаточный аустенит является нежелательной структурной составляющей. Он снижает твердость, уменьшает теплопроводность. Карбиды можно разделить на два вида: 1) первичные карбиды, самые крупные, выделившиеся в результате эвтектического превращения (L → А+КI) и раздробленные на отдельные частицы ковкой; 2) вторичные карбиды, выделившиеся из аустенита после окончания кристаллизации. Первичные карбиды образуются в процессе литья и представляют собой крупные белые включения, вторичные карбиды образуются в результате термической обработки и представляют собой белые включения более мелких размеров. 1.4 Влияние остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость В физике твердого тела напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Технологические факторы такие как методы и режимы обработки, состояние инструмента, состав смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и др., оказывают значительное влияние на величину и знак остаточных напряжений. СОЖ и способы их подвода в зону резания оказывают также большое влияние на величину и знак макронапряжений, возникающих в поверхностных слоях деталей, обработанных резанием. Применение СОЖ вносит изменения в физико-химические процессы, протекающие в зоне контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью, обусловливающие напряженное состояние поверхности. Очевидно, что одни и те же среды в зависимости от метода и условий 13

обработки оказывают разное влияние на величину и знак остаточных напряжений. Применение СОЖ способствует изменению остаточных напряжений как в положительную, так и в отрицательную стороны по сравнению с обработкой без них. Влияние СОЖ на технологические макронапряжения в большей степени зависит от количества тепла, выделяемого в зоне резания, которое, в свою очередь, определяет развитие процессов разупрочнения в поверхностном слое и влияет на его напряженность. 1.4.1 Влияние остаточных напряжений на прочность при циклическом нагружении Некоторые исследователи считают, что остаточные напряжения не оказывают заметного влияния на прочность деталей, а другие утверждают, что остаточные напряжения могут существенно влиять на прочностные и другие эксплуатационные характеристики, так как в ряде случаев они являются причиной возникновения технологических дефектов и разрушения [11]. Исследователи установили, что влияние остаточных напряжений на характеристики прочности металлов и их сплавов при статическом, динамическом и циклическом нагружениях в зависимости от напряженного состояния и условий работы подшипников качения может быть как значительным, так и незначительным [11]. Для того, чтобы понять, как влияют остаточные напряжения на характеристики прочности металлов при нагружении, нужно разделять влияние остаточных напряжений как на сопротивление упругой и пластической деформации, так и на сопротивление разрушению. 14

1.4.2 Влияние остаточных макронапряжений на сопротивление упругой и пластической деформациям и вязкому разрушению Напряжения, вызванные рабочей нагрузкой, и остаточные напряжения оказывают механическое воздействие на металл. Принцип упругого наложения (алгебраическая суперпозиция) составляющих любых напряжений в этой точке независимо от источника возникновения напряжений работает в случае, если материал в любой точке детали является упругим. При фактических напряжениях ниже предела текучести, деформации, вызванные действием внешней нагрузки, не зависят от наличия остаточных напряжений. Если результирующее напряжённое состояние в точке соответствует пластическому состоянию материала, то величину остаточных напряжений нельзя складывать алгебраически с напряжениями от внешней нагрузки. Остаточные напряжения изменяются количественно в условиях пластического течения и происходит их перераспределение: а именно, уменьшается величина остаточных напряжений, сохраняя их первоначальный знак, или меняется их знак на противоположный, или они обращаются в нуль. А. Коттрелл и др. утверждают, что для снятия остаточных напряжений достаточно незначительной пластической деформации (до 0,2%) [11]. В условиях эксплуатации такие факторы, как старение, действие низких температур и т.д., снижают пластичность некоторых материалов. Если пластические деформации подшипников качения ограничены (в условиях повышенной хрупкости, трехмерного поля напряжений, при отсутствии пластичности), остаточные напряжения налагаются на любые другие напряжения, которые существуют в материале, и вне зависимости от источника их возникновения их действие не отличается от действий других напряжений. В таком случае остаточные напряжения разрушают металл так же, как любые напряжения, возникающие в соответствующих материалах. 15

Экспериментально установлено, что циклическое нагружение ускоряет возможные процессы релаксации напряжений в металлах и сплавах. Циклическое нагружение может вызвать полную релаксацию остаточных макронапряжений при температурах, при которых степень термически активируемого возврата незначительна. Если значение результирующего напряжения от наложения остаточных и циклических напряжений приближается к пределу текучести, то при циклическом нагружении остаточные напряжения будут сняты и не окажут влияния на усталостную прочность. Наоборот, если результирующее напряжение значительно ниже предела текучести, то остаточные напряжения сохранятся и будут оказывать влияние на усталостную прочность. При действии знакопеременных нагрузок основное значение приобретает характер перераспределения остаточных напряжений, как в объеме, так и по глубине поверхностного слоя детали. Причем величина и знак напряжений на поверхности играет определяющую роль. При циклической растягивающей нагрузке возможно ослабление поверхностного слоя материала детали, поэтому число циклов нагружений зависит прежде всего от величины сжимающих остаточных напряжений на поверхности образца. Чем прочнее материал, а следовательно, тверже и менее пластичен, тем медленнее будет накапливаться пластическая деформация в процессе усталости, а, следовательно, и медленнее будет происходить снятие остаточных напряжений. С увеличением частоты нагружения время снятия остаточных напряжений уменьшается. Некоторые исследователи придерживаются мнения, что остаточные напряжения оказывают во многих случаях большое влияние на усталостную прочность. Полагая, что при циклическом нагружении значительного макропластического течения не происходит, и так как остаточные напряжения могут перераспределяться или постепенно уменьшаться, они будут действовать в продолжение всего срока службы детали. Определяющим фактором в данном случае считают знак остаточных 16

напряжений у поверхности. Сжимающие остаточные напряжения приводят к повышению усталостной прочности, растягивающие напряжения — снижают усталостную прочность. Это может быть связано с ослаблением поверхностной зоны материала при циклической растягивающей нагрузке и относительно медленным перераспределением остаточных напряжений. 1.5 Влияние содержания водорода на эксплуатационную стойкость Одним из факторов, который может привести к образованию трещин, является повышенное содержание водорода. В технической литературе [10, 12-13] описано вредное влияние водорода для стали - повышенное содержание водорода ведет к охрупчиванию материала. Охрупчивающее действие водорода связано с диффузией его к очагам будущего разрушения или к фронту растущей трещины в зонах растягивающих напряжений. В связи с этим для многих сталей введено ограничению по содержанию водорода. Так, например, для конструкционных сталей, применяемых для изготовления подшипников скольжения, содержание водорода не должно превышать 1,7 ррm (ГОСТ Р ИСО 6280-94 «Подшипники скольжения»). 1.5.1 Источники наводороживания 1. Наводороживание при металлургических процессах. В процессе выплавки стали водород может попадать в металл из печной атмосферы, шихтовых материалов и различных добавок, вводимых в ванну. В составе стального лома и чугуна содержится значительное количество водорода, но в готовой жидкой стали его содержание будет определяться технологическими особенностями плавки и почти не зависеть от содержания водорода в металлической шихте. 2. Наводороживание стали в водородосодержащих средах, при высоких температурах и давлениях. При долгом нахождении металла при повышенных температурах в водородосодержащей среде водород проникает 17

в сталь и приводит к снижению ее пластичности и длительной прочности и часто к хрупкому разрушению. При высоких давлениях и температурах процесс наводороживания стали можно разделить на три этапа: 1) поглощенная сегрегация водорода; 2) обезуглероживание; 3) растрескивание и разбухание стали. По сравнению с поглощением водорода чистым железом механизм поглощения водорода сталью усложняется наличием углерода в стали, который взаимодействует с водородом при достаточно высокой температуре. Адсорбируясь поверхностью стали, диссоциированный водород среды ионизируется и проникает в нагретую углеродистую сталь в виде протонов, причем он диффундирует вглубь ее в основном через кристаллическую решетку феррита (аналогично абсорбции водорода чистым железом), и сегрегируется в коллекторах, расположенных в основном у границ зерен. При повышенных температурах диффузия водорода через кристаллы цементита неизбежно ведет к реакции гидрирования цементита: Fе3С + 4Н+ + 4е → 3Fе + СН4 Так, первый этап наводороживания (адсорбция) сразу же переходит на второй этап (обезуглероживание). Молекулярный водород, сегрегировавшийся в микропустотах, тоже может принимать участие в реакции гидрирования, причем с несколько большей затратой энергии: Fе3С + 2Н2 → 3Fе + СН4 3. Наводороживание при термической обработке. Данному типу наводороживания способствуют присутствие влаги (действующей как катализатор), восстановительная атмосфера, наличие атомарного водорода, возникающего при закалке в воду, быстрое охлаждение, препятствующее десорбции водорода, уже проникшего в сталь [14]. 18

1.5.2 Влияние общего водорода и диффузионно-подвижного водорода на эксплуатационную стойкость Водород является сильным фактором воздействия на характеристики надежности высокопрочных сталей [15]. Проблема водородной хрупкости по отношению к высокопрочным коррозионностойким сталям имеет два аспекта:  работоспособность в среде внешнего водорода при различных температурных и силовых воздействиях;  работоспособность при наличии в стали внутреннего водорода, растворенного в металле при различных технологических процессах (сварка, выплавка, нанесение гальванических покрытий и др.). Определенная концентрация во всем объеме металла или в локальных участках способствует охрупчивающему воздействию. Воздействие водорода определяется распределением водорода в металле, диффузионной подвижностью, способом доставки в зону предразрушения и рядом других параметров. Водород, находящийся в металле, распределен неравномерно. Вопервых, водород в сталях может находиться как в молекулярном, газообразном состоянии внутри достаточно протяженных дефектов (поры, трещины, несплошности на границах раздела фаз), так и в атомарном (или ионизированном) состоянии в междоузлиях и на дефектах кристаллической решетки. Кроме того, некоторая часть водорода адсорбирована на внутренних поверхностях макрополостей и внешней поверхности металла. Во-вторых, водород имеет неодинаковую растворимость в различных фазовых составляющих стали таких, как феррит, аустенит, карбиды и т.д. Втретьих, водород имеет неодинаковую энергию связи с различными типами дефектов кристаллической решетки (вакансии, дислокации, границы зерен и т.д.) и поэтому неравномерно распределен в пределах одной фазовой составляющей. И, в-четвертых, характер и распределение микро- и мак19

ронапряжений в металле в значительной степени меняет картину распределения водорода. Решеточная растворимость водорода в железе и его сплавах при нормальных температурах очень мала и повышается при нагреве и росте внешнего давления. При анализе поведения водорода в металле важным является вопрос о том, в каком виде он растворен и диффундирует в кристаллическую решетку. Растворенный в металле атом водорода, по мнению большинства исследователей, ионизирован. В настоящее время наименее противоречиво и наиболее плодотворно предположение о нахождении водорода в твердых телах в виде положительных, частично экранированных электронами ионов водорода. Между различными состояниями водорода, в том числе между газообразным водородом во внутренних макродефектах и водородом, растворенным в решетке, устанавливается динамическое равновесие. Существует связь концентрации решеточного водорода с концентрацией и давлением газообразного водорода. Давление водорода в порах в зависимости от температуры, объема пор и концентрации решеточного водорода возникающих при этом может достигать 103—104 локальных напряжений МПа, а уровень может существенно превышать предел текучести, причем в ряде случаев и сопротивление отрыву. Концентрация водорода и его давление в порах повышаются при снижении температуры, а при температурах свыше 250-400°С практически весь водород растворен в решетке металла. Высокое внутреннее давление может возникать как при катодном наводороживании, так и при насыщении в среде газообразного водорода даже невысокого давления. Равновесное давление в порах, имеющих большую положительную кривизну поверхности может быть на несколько порядков выше, чем вблизи плоской поверхности, контактирующей с газообразной средой. Высокое внутреннее давление в порах приводит к 20

локальной пластической деформации прилегающих областей матрицы. Вблизи пор возрастает плотность дислокаций, создается значительное количество «свежих» незакрепленных дислокаций, о чем свидетельствуют исследования внутреннего трения [17-18]. В сталях мартенситного класса растворимость водорода в области температур образования атмосфер является очень высокой и соответствует растворимости в сильно наклепанном металле. В технической литературе при рассмотрении вопроса о влиянии водорода на уровень механических свойств приняты представления о диффузионно-подвижном водороде (д.п.в.) и диффузионно-неподвижном, остаточном водороде. Это разделение основано на том факте, что при нагреве металла в вакууме примерно до 500°С выделяется только часть водорода — д.п.в. При нагревах свыше 800°С (вплоть до расплавления металла) происходит дополнительно большое выделение остаточного водорода. В связи с этим возникают вопросы, во-первых, о местонахождении водорода, выделяющегося при средних и высоких температурах, и вовторых, о возможности изменения соотношения между д.п.в. и остаточным водородом при различных технологических операциях, таких, как нагревы, пластическая деформация и т.д. Понятие "диффузионно-подвижный водород" является условным и включает в себя как водород, способный к диффузии при достаточно низких температурах (решеточный водород и водород в дислокационных атмосферах), так и газообразный водород, между которыми существует динамическое равновесие Н2 ↔ 2Н, обеспечивающее приток водорода в зону предразрушения при различных проявлениях водородной хрупкости. Пластическая деформация приводит к дроблению (разрушению) ловушек для остаточного водорода (сульфиды, карбиды) и способствует его переходу в диффузионно-подвижное состояние. Установление нового равновесия требует некоторого времени, и большую степень перехода 21

остаточного водорода в д.п.в. обеспечивает вылеживание пластически деформированного металла. Проведенные результаты исследований, наряду с ранее полученными данными по распределению водорода в других сталях [19], показывают, что локализация водорода в мартенсите является достаточно общей закономерностью. Эта закономерность обусловлена высокой концентрацией дислокаций в мартенситной матрице и большей энергией взаимодействия водорода с этими дефектами кристаллического строения. В связи с этим при нормальной температуре эффективная растворимость водорода в мартенсите оказывается значительно выше, чем в аустените, концентрация дислокаций в котором на несколько порядков ниже. Таким образом, для процесса водородного охрупчивания важное значение имеет не только исходное распределение водорода в металле, но и возможность диффузионных процессов, доставляющих водород в зону предразрушения. При более низких температурах (ниже 200—400°С) взаимодействие водорода с ловушками различного типа приводит к резкому снижению коэффициента диффузии к повышению энергии активации. При анализе взаимодействия водорода с дислокациями следует отметить возможность транспортировки водорода дислокациями в процессе деформации металла [19-20], особенно в пластической области. Растворимость водорода возрастает с ростом растягивающих напряжений и падает при действии сжимающих. Из всего вышесказанного следует, что водород обладает высокой подвижностью в металле. Его диффузионная подвижность достаточно велика даже при нормальных температурах. Кроме того, водород в металле распределен весьма неравномерно и под действием различных факторов (градиенты концентрации и температур, разница в растворимости водорода в различных фазах и дефектах кристаллического строения решетки, пластическая и упругая деформация и др.) может перемещаться в 22

определенные зоны металла, создавая в них повышенную — по сравнению со средней — концентрацию, и при некотором критическом содержании водорода и действии внешних или внутренних напряжений в локальных участках металла может произойти разрыв межатомных связей и начаться процесс преждевременного разрушения. Как показали фрактографические данные, полученные И.П. Жегиной, на начальных стадиях водородное охрупчивание проявляется на поверхности излома в виде перехода от крупных ямок вязкого разрушения к мелким плоским ямкам и фасеткам скола (квазискола). Дальнейшее увеличение интенсивности водородного воздействия приводит к преимущественно хрупким фасеткам скола (квазискола) с вязкими мелкоямочными перемычками. Более интенсивное водородное охрупчивание способствует зернограничному разрушению в сочетании с хрупким сколом по телу зерна [11]. Второй аспект водородной хрупкости высокопрочных коррозионностойких сталей (помимо работоспособности в водородной среде) заключается в чувствительности механических свойств этих сталей к водороду, который растворен в них при различных технологических процессах. Главным источником водорода при выплавке или переплаве металла является влага, которая попадает в расплавленный металл с шихтой, со шлаком или с потоком воздуха. Вода разлагается при высоких температурах с выделением водорода, который растворяется в жидкой ванне металла. Водород, растворенный в металле при выплавке, при последующих различных операциях нагрева (горячая деформация, термообработка) может выделяться из металла, и, поскольку дегазация происходит с поверхности заготовки, в центральной части крупных поковок и штамповок содержание д.п.в. может в несколько раз превышать его содержание в периферийных зонах. 23

Чувствительность к водородному охрупчиванию в значительной степени зависит от режима термической обработки. Максимальная склонность к водородной хрупкости наблюдается на закаленном и низкоотпущенном мартенсите. Высокая чувствительность к водородной хрупкости свежезакаленного и низкоотпущенного мартенсита, по-видимому, связана с тем, что при этом значительное количество водорода находится в низкоэнергетических ловушках, образуя, в частности, дислокационные облака Котрелла (т.е. механизм пластичности зависит от количества примесных атомов, в частности, водорода). С повышением температуры отпуска возможно перераспределение водорода, который может заполнять более глубокие ловушки, концентрируясь, например, на границах сульфидных или карбидных фаз или растворяясь в них. Выход водорода из этих ловушек при нагружении образца во время испытаний сильно затруднен, в отличие от закаленного состояния металла, при котором водород заполняет, в основном, мелкие ловушки и является достаточно подвижным. При температурах нагрева выше точки Аc1 образующийся аустенит может при охлаждении или перейти в мартенсит, или сохраниться в структуре, не претерпев мартенситного превращения. В обоих случаях склонность к водородному охрупчиванию возрастает. Если при охлаждении прошло мартенситное превращение, то новые порции мартенсита находятся в свежезакаленном состоянии и обеспечивают повышение чувствительности к действию д.п.в. Роль остаточного аустенита менее однозначна. Следовательно, существуют определенные факторы, оказывающие действие на процесс разрушения при повышении температуры испытаний образцов с усталостной трещиной. К ним относятся увеличение скорости диффузии, приводящее к росту скорости подвода водорода в зону разрушения, и повышение скорости дегазации вызывающее снижение в ней концентрации д.п.в. 24 вершины трещины,

1.6 Перспектива применения металлокерамических материалов и других материалов для изготовления деталей подшипников в авиастроении 1.6.1 Сравнительные характеристики материалов М50 и ЭИ347-Ш Исследования компании SCHAEFFLER GROUP были проведены сравнительные испытания материалов М50 и ЭИ347-Ш с целью сравнения работоспособности подшипников. Химический состав обоих типов материалов приведен в таблице 1.2. Таблица 1.2 - Химический состав ЭИ347-Ш и М50 Содержание элементов, % (по массе) Сталь С M50 Si Mn Cr P S Ni Cu не более Mo W V Co 0,80–0,85 0,15-0,35 4,00-4,25 0,25 0,015 0,008 0,1 0,01 4,0–4,5 ≤0,25 0,9–1,1 ≤0,25 ЭИ347-Ш 0,70–0,80 ≤0,40 4,0-4,6 0,40 0,03 0,03 0,35 0 ≤0,30 8,5–9,5 1,4–1,7 0 После термообработки колец на одном экземпляре проводилась оценка твердости и микроструктуры (рисунок 1.4). Твердость стали ЭИ347-Ш и М50 составила соответственно 63,0 - 63,5 HRC и 62,0 - 63,7 HRC. (а) (б) Рисунок 1.4 - Микроструктура стали: (а) ЭИ347-Ш (б) М50 Наличие вольфрама в стали ЭИ347-Ш объясняет высокую карбидную неоднородность. Он образует крупные скопления нерастворимых карбидов при нагревах (вплоть до температур плавления). Данные карбиды являются очагами выкрашивания рабочей поверхности подшипников качения в 25

процессе эксплуатации. К тому же, крупные сегрегации нерастворимых карбидов при производстве полуфабрикатов из стали ЭИ347-Ш существенно усложняют процесс ковки и исключают прокатку. В ходе проведения испытаний подшипники выходили из строя из-за повреждения шаров и наружных колец. Время испытания подшипника из материала ЭИ347-Ш составило 67 ч., из материала М50 - 351 ч. По результатам исследования [21] сталь марки М50 показывала себя как материал с высокой долговечностью. Данный факт объясняется однородностью структуры и отсутствием крупных карбидных включений, которые могли бы негативно повлиять на контактную выносливость. По результатам сравнения со сталью ЭИ347-Ш сталь М50 демонстрирует лучшую работоспособность [21]. 1.6.2 Керамические материалы для подшипников качения В последнее время появляются новые керамические материалы, которые могут быть использованы для изготовления подшипников качения [22-24]. Ранее было невозможно применять подшипники качения в конструкции опор роторов ГТД из-за напряженных условий их работы в такой конструкции. Однако ситуация изменилась с появлением композиционных керамических материалов на основе карбида кремния, карбонитрида титана и др., которые обладают низким коэффициентом трения. В состав металлокерамических материалов входят металлический порошок с добавлением присадок, например, нитридов, карбидов, металлов и неметаллов в различных соотношениях. Их получают спеканием при температурах около (1000…2000)°С и удельных давлениях от вакуума до 7000 кгс/см2 и более. В их составе отсутствует дорогостоящий вольфрам. На уровне микроструктуры керамические материалы могут иметь высокую пористость (от 15 до 35%). Механические свойства получаемых материалов и 26

изготовленных из них деталей ухудшаются с увеличением пористости. Следовательно, для обеспечения требуемых качеств керамических материалов необходимо анализировать выбор размеров частиц структуры, элементов входящих в состав присадок и их пропорций. Следует отметить, что особой прочностью и низким коэффициентом трения обладают керамические ролики и шарики. При изготовлении подшипников используют керамику, отличающуюся высоким качеством (в составе нитрида кремния, оксида циркония, карбида кремния, оксида алюминия). Если сравнить традиционно используемые материалы для изготовления подшипников (чугун, бронза, баббиты, капрон) и керамические материалы нового поколения, то последние обладают более высокой твердостью и коэффициентом теплопередачи, коэффициентом термического расширения, близким к стали, меньшим удельным весом и более низким коэффициентом трения (Таблица 1.3). 27

Таблица 1.3 - Свойства материалов для изготовления подшипников Материал Коэффи- ность, циент МПа г/см3 Пуассона 30 7,8 0,28 5,7⋅ 106 61 300 330 3,1 0,2 4,4⋅ 106 90 1400 370 3,9 0,22 9 ⋅106 92 1950 320 3,2 0,26 3,2 ⋅106 80 1400 200 6,1 0,3 1 1 ⋅1 0 6 76 1200 210 7,8 0,3 1 2 ⋅1 0 6 61 490 5,5...8,5 - 11...12 ⋅106 92 1050 до 400 ≈ 3,0 - 3,6 ⋅106 94 1250 9X18Ш кремния Оксид алюминия Нитрид кремния Оксид циркония Сталь ВКС5 циент линейного расширения Твер- Предельная Плот- Сталь Карбид Коэффи- Модуль М упругости, дость (HRC) рабочая температура, °С Композиты на основе карбонитрида титана Композиты на основе карбида кремния По своей конструкции керамические подшипники полностью идентичны стальным аналогам, их отличие заключается только в материале. Изделия на их основе обладают следующими свойствами: 28

 расширенный ограничивающийся рабочий характеристиками температурный смазывающих диапазон, материалов. По температурным характеристикам керамические подшипники превосходят в пять раз стальные;  высокая виброустойчивость;  химическая стойкость к различным агрессивным средам;  неподверженность коррозии и устойчивость к попаданию влаги;  бесшумность в работе;  минимальный коэффициент трения и гладкая поверхность, (безопасное использование при минимальной смазке или полном ее отсутствии);  постепенное развитие отказа подшипника;  повышенная твердость. Твердость керамики 75 HRC, а стали — 60 HRC. Также керамические подшипники легче на 40% стальных аналогов, что способствует снижению центробежной силы при вращении;  возможность сопряжения не только с керамическими деталями, но и со стальными;  отсутствие свойств намагничивания, благодаря чему их можно применять в условиях воздействия сильного электромагнитного поля;  диэлектрические по электропроводности характеристики. можно получить с Требуемые помощью результаты использования различных пропорций химических элементов. Существуют и недостатки керамических материалов, один из них хрупкость материала. В связи с этим, при монтаже деталей важно обеспечение равномерного распределения усилия по окружности и максимальная сбалансированность внутреннего и внешнего давления на кольца. Не допускаются сильные удары, так как они могут привести к растрескиванию элементов. 29

Классификация керамических подшипников скольжения и качения и их использование в механизмах различного назначения: цельнокерамические (рабочая температура - до 1800°С; имеют  все преимущества перед стальными аналогами); гибридные (из керамики изготавливают только шарики; они  облегченные, лучше вращаются, характеризуются малым сопротивлением качения и позволяют снизить затраты энергии); подшипники,  изготовленные из нитрида кремния (при повышенных нагрузках и высоких скоростях вращения; требуют минимум смазки и отличаются повышенной длительностью использования) изделия на основе диоксида циркония (рабочая температура -  до 400°С; инертность к большинству материалов, отсутствие магнитного эффекта и повышенная прочность). Рисунок 1.5 - Гибридный подшипник Керамические подшипники оптимальны для использования, когда необходимо достичь повышенных оборотов, минимизировать вес, а также обеспечить эксплуатацию агрегата в условиях высокой температуры и воздействия агрессивной среды. В результате сравнения и анализа исследований свойств и характеристик материала можно предложить заменить стальные шарики на 30

керамические, что уже применяется на беспилотных летательных аппаратах. Таким образом, подшипник получается гибридным. 1.6.3 Нержавеющие стали с высоким содержанием азота для подшипников качения В качестве альтернативного материала для стали ЭИ347-Ш может быть рассмотрена сверхчистая хромоуглеродистая сталь со сквозной закалкой (100Cr6), содержащая примерно 1% углерода и 1,5% хрома. Данная сталь, как правило, проходит закалку на мартенсит или бейнит, в результате чего её твёрдость составляет от 58 до 65 HRC. Подшипники из такого материала стабилизированы для рабочих температур до 150°C. Однако другие факторы, такие как материал сепаратора и уплотнений или смазка, могут ограничить диапазон допустимых рабочих температур. Информация о свойствах материалов представлена в таблице 1.4. Таблица 1.4 - Сравнение свойств материалов для подшипников - сталь 100Cr6 и нитрид кремния Свойства материалов Подшипниковый Подшипниковая нитрид кремния сталь Механические свойства Плотность [г/см3] 3,2 7,9 Твёрдость 1600 HV10 700 HV10 Модуль упругости [кН/мм2] 310 210 Тепловое расширение [10-6/K] 3 12 Электроизоляционные свойства (при 1 МГц) Электрическое сопротивление [Ом] 1012 0,4 × 10-6 (Изолятор) (Проводник) 15 – 8 – Диэлектрическая прочность [кВ/мм] Относительная диэлектрическая постоянная 31

Нержавеющие стали с высоким содержанием азота (например, NitroMax) обладают следующими характеристиками (при сравнении со стандартной хромоуглеродистой подшипниковой сталью (100Cr6)):  повышенная усталостная прочность и износостойкость в условиях недостаточного смазывания (k < 1);  повышенная стойкость к растрескиванию;  высокая коррозийная стойкость. Повышенная усталостная прочность и износостойкость увеличивают срок службы подшипников в любых условиях смазывания, особенно в условиях кинематического смазочного голодания при очень высоких частотах вращения. Более высокая стойкость к растрескиванию снижает опасность появления трещин на внутреннем кольце из-за повышенных растягивающих напряжений, вызванных центробежными силами при очень высоких частотах вращения. Сверхчистая сталь с высоким содержанием азота увеличивает срок службы подшипников в условиях хорошего смазывания (k ≥ 1) (образование масляной плёнки на всей смазываемой поверхности). Но что ещё важнее, она значительно увеличивает срок службы подшипников в условиях недостаточного смазывания. При термообработке хромоуглеродистой стали получаются крупные хрупкие частицы карбида хрома и хромомолибдена, которые обедняют окружающую стальную матрицу хромом и молибденом, снижая сопротивляемость точечной коррозии. С другой стороны, в процессе закалки и отпускания стали NitroMax образуются частицы нитрида хрома меньших размеров. Когда азот частично заменяет углерод в стальном сплаве, намного большее количество хрома растворяется в стальной матрице. В результате получаемые меньшие зоны с обеднением хромом вокруг нитридов значительно повышают коррозионную стойкость стали NitroMax. 32

Повышенная усталостная прочность стали NitroMax обусловлена её однородной микроструктурой и равномерным распределением отложений нитридов хрома с небольшим количеством нерастворённых вторичных карбидов в микроструктуре. Качество структуры стали NitroMax выгодно отличается от стандартной подшипниковой стали 100Cr6, что объясняет её высокие эксплуатационные характеристики. Высокая ударная прочность, стабильность и твёрдость (>58HRC) достигаются в результате окончательной закалки и отпуска при термообработке. Другим преимуществом стали NitroMax является более низкий коэффициент теплового расширения, чем у 100Cr6. Это преимущество, в сочетании с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения керамических тел качения снижает чувствительность данных подшипников к температурной разнице между внутренними и наружными кольцами. Намного более стабильный уровень преднатяга, даже в экстремальных рабочих условиях, позволяет снизить потери на трение и рабочие температуры, а также увеличить срок службы пластичной смазки. В качестве керамического материала для тел качения можно использовать нитрид кремния, состоящий из тонких продолговатых частиц бета-нитрида кремния, расположенных в кристаллической фазовой матрице. Материал обладает хорошими характеристиками, особенно для высокоскоростных подшипников:  высокая твёрдость;  высокий модуль упругости;  низкая плотность;  низкий коэффициент теплового расширения;  высокое электрическое сопротивление;  низкая диэлектрическая постоянная;  нечувствительность к магнитным полям. Сочетание свойств колец из стали NitroMax и керамических тел качения существенно улучшает рабочие характеристики подшипников, в 33

несколько раз увеличивая срок их службы по сравнению с обычными гибридными подшипниками [25]. По сравнению с подшипником со стальными шариками, гибридный подшипник с керамическими шариками может работать при значительно более высоких частотах вращения без значительного увеличения преднатяга за счёт меньшей массы шариков. Стандартные подшипники из стали NitroMax оснащаются встроенным уплотнением с обеих сторон и заполняются высококачественной пластичной смазкой. Бесконтактные уплотнения практически устраняют проблему преждевременного выхода подшипников из строя по причине попадания в них загрязнений. Они эффективно удерживают пластичную смазку, не влияя на скоростные характеристики подшипников. Встроенные уплотнения могут значительно увеличить срок службы подшипника, удерживая смазочный материал внутри и не допуская попадания в него загрязняющих веществ из окружающей среды. Нержавеющие стали с высоким содержанием азота в данное время не получили широкого применения в силу своей высокой стоимости. 1.7 Заключение по литературному обзору На основании анализа литературы можно отметить следующее. Основные причины досрочного выхода подшипников из строя можно разделить на три группы: нарушения в процессе производства, в процессе монтажа и установки в узел при сборке, и в процессе эксплуатации изделия [26-27]. Надежная работа подшипников качения будет зависеть от химического состава, содержания газов и благоприятной микроструктуры. Невыполнение данных требований может привести к снижению прочностных и физикомеханических свойств материала [28]. 34

Низкое качество обработки поверхности, а также нарушения при монтаже приводят к снижению ресурса подшипника. Для надежной работы подшипника необходимо применение определенной смазки в достаточном количестве. Недостаточное количество или неправильный подбор противоистираемых и антиокислительных добавок в масле может привести к усталостному выкрашиванию металла и появлению выбоин [29]. 35

Глава 2. Исследовательская часть В данной работе рассматриваются подшипники качения II опоры турбины компрессора двигателей ТВ3-117 и ВК-2500 под условными номера 1-9 с различной степенью эксплуатационной повреждаемости. Подшипники качения для применения в серийном производстве должны иметь ресурс 1750 часов. Данный ресурс подтвержден как для двигателей ТВ3-117, так и для двигателей ВК-2500 испытаниями и их эксплуатацией. Анализ используемых режимов работы двигателей, поступивших на исследование в АО «ОДК-Климов», а также проверки расчетов долговечности подшипника II опоры турбины компрессора показали, что эксплуатационные режимы работы двигателя ТВ3-117ВМА и ВК-2500 одинаковы за исключением чрезвычайных режимов, мощности двигателей при котором составляют 2400 и 2700 л.с. соответственно. Значение долговечности подшипника, рассчитанное по методике, разработанной ФГУП «ЦИАМ им.П.И. Баранова» совместно с ОАО «ВНИПП» в 1997 году, для двигателя ТВ3-117 составляет 8270 часов, для двигателя ВК-2500 составляет 6420 часов. 2.1 Методика проведения исследований Для оценки величины поверхностных остаточных напряжений в материале использовали метод Н.Н. Давиденкова [30]. Метод основан на полном освобождении образца (участка поверхности детали) и удалении слоёв металла с его поверхности для измерения деформаций, возникших в результате технологической обработки детали, без воздействия эксплуатационных нагрузок и окружающей среды. При оценке величины поверхностных остаточных напряжений в деталях использовали требования Центрального института авиационного моторостроения для контроля опытных и серийных деталей газотурбинного двигателя («Руководство по нормированию остаточных напряжений в 36

поверхностных слоях»). Определяли следующие характеристики: величину максимальных напряжений сжатия в поверхностном слое σсжmax; глубину распространения сжимающих напряжений а (при σ = 0); величину максимальных подслойных растягивающих напряжений σрmax. Металлографический анализ стали проводили с использованием оптического микроскопа Olympus BX53. Образцы для металлографического анализа изготавливали с помощью механической шлифовки и полировки с последующим травлением в 4% спиртовом растворе HNO3. Исследование тонкой структуры использованием стали при большом сканирующего увеличении проводили электронного с микроскопа TESCAN VEGA 5130 LM при ускоряющем напряжении 120 кВ. Фольги для исследования изготавливали методом струйной полировки на аппарате «Tenupol-5» в растворе 20% азотной кислоты HNO3 и 80% метанола CH3OH при температуре -25°С и напряжении 15-20В. Исследование изломов вскрытых трещин проводили с помощью бинокулярных стереоскопических микроскопов МБС-10 и MEIJITECHNO, а также растрового электронного микроскопа TESCAN VEGA 5130 LM. Измерения твердости проводили на приборе DuraVision 300 в соответствии с ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу» и ГОСТ 2999-75 «Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу». Измерения микротвердости проводили на твердомере DuroScan 20 при нагрузке 100 г в соответствии с ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников». Определение содержания диффузионно-подвижного и общего водорода в материале наружной обоймы подшипников проводилось методом вакуумнагрева на окончанием анализаторе с ГОСТ водорода 17745-90. АВ-1 с масс-спектрометрическим Диффузионно-подвижный водород определялся при температуре 520⁰С до полной экстракции из образца, температура определения связанного водорода составляла 880⁰С. 37

Съемка дифракционных спектров для анализа (РФА) произведена на рентгеновского фазового многофункциональномдифрактометре EMPYREAN фирмы PanAlytical. Расшифровка дифрактограмм для РФА проводилась c помощью специализированной программы HighScore+ и базы данных PDF-2 2014. 38

2.2 Анализ причин повреждений подшипников качения В таблицах 2.1 - 2.4 представлены результаты визуального контроля материала внешней обоймы, шариков и сепаратора, результаты спектрального анализа, приведены значения твердости рассматриваемых подшипников и результаты металлургического исследования. Таблица 2.1 - Результаты контроля подшипников №№ 1-3 № Наработка двигателя СНЭ Внешняя обойма 1 2 3 274 часа 33 мин. 235 часа 18 мин. 207 часов 08 мин. Дефекты на контактных поверхностях беговой дорожки: - усталостное выкрашивание материала в виде осповидных выщербин. Максимальная протяженность выкрашивания составляет ~ 50 мм, а минимальная - 2 мм (рисунок П. 1). - поперечные трещины (рисунок П. 2); - внутренние поперечные трещины длиной не более 1 см (рисунок П. 2). - поперечные темные полосы без выработки с шагом окон сепаратора (характерно для ложного бринеллирования). Внешний осмотр Дефекты на контактных поверхностях беговой дорожки: - усталостное выкрашивание материала в виде выщербин. Максимальная протяженность выкрашивания составляет ≈45 мм, а минимальная ≈1мм (рисунок П. 10). - видимые визуально и под увеличением поперечные трещины (рисунок П. 10) и мелкие вмятины и риски от выкрошившихся частиц подшипника; - равномерное намазывание материала сепаратора на буртах; - на наружном диаметре равномерный след от работы с сопрягаемой деталью; - скопление внутренних поперечных трещин длиной не более 8 мм, выявленные путем проведения контроля магнито-порошковым методом. 39 Дефекты на контактных поверхностях беговой дорожки: - усталостное выкрашивание материала в виде выщербин. Максимальная протяженность зоны выкрашивания составляет ≈ 12 мм, а минимальная ≈ 1мм (рисунок П. 18). - видимые визуально и под увеличением поперечные трещины (рисунок П. 18),мелкие вмятины и риски от выкрошившихся частиц подшипника; - на центрирующем бурте наружного кольца следы усиленной приработки сепаратора; - на бурте, на торцевой поверхности и на беговой дорожке участки растекания жидкости на основе меди (рисунок П. 18); - на внешней поверхности следы от работы с сопрягаемой деталью (рисунок П. 19); - скопление внутренних поперечных трещин длиной до 8 мм, выявленные путем проведения контроля магнито-порошковым методом.

Полукольца внутренней обоймы Шарики Наружная поверхность сепаратора Дефекты на контактных поверхностях: Дефекты на контактных поверхностях: - следы проворачивания полуколец на - единичные точечные выкрашивания на посадочном диаметре и на торцах, что беговой дорожке (рисунок П. 11). говорит о подтормаживании подшипника; - следы от маркировки на внутренней контактирующей с валом поверхности полукольца (рисунок П. 3); - следы вдавливания в основной материал торцевой поверхности полукольца постороннего предмета; - следы коррозионного износа торцевой и контактной поверхности обойм. Отдельные точечные выкрашивания и Отдельные малые зоны выкрашивания и риски, на одном шарике наблюдается риски. зоны выкрашивания, составляющие 50% от площади (рисунок П. 12). Следы от попадания посторонних Следы от врезания посторонних частиц, частиц и следы от врезания сопрягаемой а также сектора красного цвета. детали. Все окна сепаратора имеют Наблюдается поперечное разрушение идентичную допускаемую ТТ чертежа сепаратора по одному окну. След от овальность. приработки в окнах сепаратора равномерный. - механические повреждения в виде многочисленных мелких вмятин, забоин и трещин материала деталей подшипника. На рисунках П. 23 и П. 24 приведены зоны выкрашивания. Дефекты на контактных поверхностях: - единичные точечные выкрашивания на беговой дорожке (рисунок П. 20); - на бурте следы округлой формы растекания материала на медной основе (рисунок П. 20). Выкрашивания и риски, неравномерное растекание постороннего материала на основе меди (рисунок П. 21). Следы врезания глубиной до 0,4 мм от посторонних частиц, а также сектора красного цвета с растеканием материала на основе меди. След от приработки в окнах сепаратора равномерный. Примечание: Материал на основе меди на поверхностях деталей подшипника является следствием нарушения технологии клеймения. Оптическая металлография Механические повреждения в виде многочисленных мелких вмятин, надрывов и забоин материала. На 40

Контроль магнитопорошковым методом Материал наружной обоймы, внутренних полуколец и шариков Материал сепаратора Содержание водорода в материале наружной обоймы (Нормальное содержание водорода - 3 ppm) Твердость (Нагрузка - 150 кг). рисунке П. 4 также видны зоны усталостного выкрашивания. На внешней обойме дополнительно к визуальному осмотру и магнитопорошковому контролю обнаружены микротрещины. На беговой дорожке наружной обоймы На беговой дорожке наружной обоймы обнаружены множественные обнаружены множественные поперечные трещины (рисунок П. 2). поперечные трещины, расположенные на беговой дорожке (рисунок П. 14). Спектральный анализ ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 Содержание водорода ЭИ347 (8Х4В9Ф2) БрАЖМц 10-3-1,5 3,4 ррm 6,1ppm (не соответствует шлаковому переплаву для сталей) Измерение твердости - материала внешней обоймы – 61,0,60,0 HRC; - материала внутренних обойм – 61,0; 60,0 HRC; - материала шариков – 62,0 HRC. Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет показаниям технической документации (60 – 65 HRC). - материала внешней обоймы – 61,0 HRC; - материала внутренних обойм – 61,0; 60,0 HRC; - материала шариков – 62,0 HRC. Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет показаниям технической документации (60 – 65 HRC). 7,3 ppm - материала внешней обоймы – 60,0 HRC; - материала внутренних обойм – 61,0; 60,0 HRC; - материала 4 шариков – 52,0; 50,0 HRC, остальных – 61,0 HRC. Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет показаниям технической документации (60 – 65 HRC), 4 шарика подшипника имеют Множественные поперечные трещины, расположенные перпендикулярно траектории движения тел качения (рисунок П. 25). 41

Микроструктура Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) неудовлетворительную твердость. Металлографическое исследование Равномерная микроструктура, Равномерная микроструктура, представляющая собой мартенсит и представляющая собой мартенсит и карбиды, соответствует нормально карбиды, соответствует нормально термообработанной стали 8Х4В9Ф2-Ш термообработанной стали 8Х4В9Ф2 (ЭИ347-Ш) (рисунок П. 5, 6). (ЭИ347) (рисунок П. 15, 16). Наличие поперечных трещин, На поперечном шлифе наблюдаются выходящих из участков осиповидного выкрашивания на глубину до 0,1 мм, а усталостного выкрашивания как также трещины, развивающаяся под материала шарика (рисунок П. 8), так и углом 90° к поверхности, материала внешней и внутренней протяженностью до 0,8 мм и трещины обоймы (рисунок П. 7 а, б). Наличие под углом ≈ 45°. трещин, развивающихся вглубь тела Выявлено наличие поперечных трещин, материала, свидетельствует о работе выходящих из участков усталостного подшипника с развивающимся выкрашивания материала внешней повреждением (выкрашиванием), а обоймы, а также от поверхности без также о воздействии на материал выкрашивания (рисунок П. 16). Наличие деталей высоких напряжений. трещин развивающихся вглубь тела материала на глубину до 0,8 мм, свидетельствует о работе подшипника с развивающимся повреждением (выкрашиванием), а также о воздействии на материал деталей высоких напряжений. Трещины развились под действием статических нагрузок. На поверхности беговой дорожки наружной обоймы обнаружены частицы песка. На внутренних полуобоймах трещин не наблюдается. Наличие вдавленных алюминиевых частиц на поверхность шарика исследуемого подшипника (рисунок П. 42 Равномерная микроструктура, представляющая собой мартенсит и карбиды, соответствует нормально термообработанной стали 8Х4В9Ф2 (ЭИ347). Микроструктура представлена на рисунках П. 26, П. 27, П. 28. На поперечном шлифе - выкрашивания на глубину до 0,1 мм, трещины, развивающиеся под как углом 45°, так и 90° к поверхности дорожки качения. Обнаружены и трещины параллельные поверхности беговой дорожки. Трещины разветвленные, не раскрытые (рисунок 26). Максимальная глубина трещины на исследуемом участке составляет ≈ 0,3мм. Трещины статические. На шариках трещины распространяются от выкрашивания на глубину до 0,1 мм (рисунок П. 28). На внутренних полуобоймах трещин не наблюдается.

Выводы 8, спектр 1).  Химический состав деталей подшипника соответствуют ТТ чертежа.  На контактных поверхностях наружной обоймы и шариков подшипника наблюдается усталостное выкрашивание.  В зоне беговой дорожки внешней обоймы обнаружены внутренние трещины длиной не более 1 см.  Микроструктура материала деталей подшипника соответствует нормально термообработанной стали ЭИ347-Ш.  Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет требованиям технической документации.  Твердость материала шариков соответствует требованиям технической документации, кроме 4 шариков, которые имеют твердость 52,0; 50,0 HRC, что ниже требуемой.  На шарике подшипника обнаружены частицы постороннего материала на алюминиевой основе.  Химический состав деталей подшипника соответствуют ТТ чертежа.  На контактных поверхностях наружной обоймы и шариков подшипника наблюдается усталостное выкрашивание.  В зоне беговой дорожки внешней обоймы обнаружены внутренние разветвлённые трещины глубиной до 0,8 мм и длиной не более 8 мм. Характер трещин статический.  Микроструктура материала деталей подшипника соответствует нормально термообработанной стали ЭИ347-Ш.  Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет требованиям технической документации.  Твердость материала шариков соответствует требованиям технической документации. 43  Наружная обойма, внутренние полукольца и шарики подшипника изготовлены из стали марки 8Х4В9Ф2 (ЭИ347).  Сепаратор изготовлен из материала марки БрАЖМц 10-3-1,5, что соответствует технической документации.  На контактных поверхностях наружной обоймы и шариков подшипника наблюдается усталостное выкрашивание.  В зоне беговой дорожки внешней обоймы обнаружены поперечные трещины длиной до8мм и глубиной до 0,3 мм. Характер трещин статический.  Выкрашивания на беговой дорожке наружного кольца инициированы от поперечных трещин.  Следы растекания жидкости на основе меди на деталях подшипника свидетельствуют о нарушении технологии нейтрализации жидкости для нанесения маркировки на подшипник.  Микроструктура материала деталей подшипника соответствует нормально термообработанной стали ЭИ347.  Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет требованиям технической документации.  Твердость материала шариков соответствует требованиям технической документации.

Таблица 2.2 - Результаты контроля подшипников №№ 4-6 № Наработка двигателя СНЭ Внешняя обойма Полукольца внутренней обоймы Тела качения (шарики/ролики) Наружная поверхность сепаратора 4 5 6 239 часов 357 ч. 45 мин. 200 ч. 34 мин. Внешний осмотр Дефекты на контактных поверхностях беговой На поверхности скольжения дорожки: отмечаются измельчённые продукты - в виде усталостного выкрашивания износа в виде металлической сыпи материала и проявляется в виде осповидных чёрного цвета, сама поверхность выщербин. Максимальная протяженность скольжения наружной обоймы выкрашивания составляет 33 мм, а повреждена, окислена; следов минимальная 1 мм (рисунок П. 29). сцепления, пригаров и прижогов не - на беговой дорожке имеются поперечные обнаружено. Цвет поверхности трещины (рисунок П. 30), свидетельствующие скольжения и внутренней поверхности о подтормаживании подшипника. наружной обоймы в целом тёмно- поперечные темные полосы без выработки серый, металлический (рисунок П. 35, с шагом окон сепаратора (характерно для П. 36). ложного бринеллирования). В удовлетворительном состоянии. На посадочном диаметре и на торцах обнаружены следы проворачивания полуколец, что также указывает на подтормаживание подшипника. Поверхность роликов повреждена от деформации и износа, деформирована в сторону торцов, образуя задиры (рисунок П. 44). Цвет поверхности роликов серый, металлический, блестящий. Деформированная часть сепаратора Отмечаются следы деформации вместе с роликами без усилий сепаратора в области окон (рисунок П. отделились от наружной обоймы, что, 43). наряду с внешними поверхностными признаками, косвенно свидетельствует об отсутствии «масляного голодания». 44 Отдельные малые зоны выкрашивания и риски. Единичный экземпляр имеет Изношенные ролики плотно значительное повреждение до 75% спрессованны с остатком сепаратора, поверхности в виде выкрашивания образуя неразъемное соединение. (осповидных выщербин). Следы касания по центрирующему диаметру. На рисунке П. 29 видны следы от попадания посторонних частиц и два следа от врезания сопрягаемой детали. Одно окно сепаратора имеет овальность и незначительное выпучивание по периметру окна (вероятнее Поверхность скольжения наружного кольца подшипника повреждена. Цвет поверхности наружного кольца светло-серый, металлический, блестящий, без следов побежалости (рисунок П. 42, П. 44).

Оптическая металлография Материал наружной обоймы, внутренних полуколец и шариков Материал сепаратора Содержание водорода в материале наружной обоймы (Нормальное содержание водорода - 3 ppm) Твердость (Нагрузка - 150 кг) всего, в нем находился наиболее поврежденный шарик). Механические повреждения в виде многочисленных вмятин, забоин и надрывов материала деталей подшипника. На рисунке П. 31 также приведены зоны усталостного выкрашивания. На внешней обойме дополнительно к визуальному осмотру обнаружена микротрещина. Спектральный анализ ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 Содержание водорода Содержание водорода в фрагменте подшипника без повреждений (поперечные трещины) поверхности беговой дорожки не превышает допустимое содержание водорода в стали ЭИ347. Содержание водорода в фрагментах подшипника с повреждениями (поперечные трещины) поверхности беговой дорожки превышает допустимое в 1,6…19 раз (Таблица 2.3 - Содержание водорода во внешней обойме подшипника № 4). Измерение твердости - материала внешней обоймы – 61,0; 62,0 HRC; - материала внешней обоймы – 61,0 - материала внутренних обойм – 61,0; 61,5 HRC; HRC; - материала роликов – 61,0 HRC. - материала шариков – 62,0 HRC. Твердость материала внешней и Твердость материала деталей подшипника внутренних обойм подшипника удовлетворяет показаниям технической удовлетворяет показаниям технической документации (60 – 65 HRC). документации (≥60HRC) Для фиксирования изменения твердости Твердость сепаратора не замерялась из45 ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 - - материала внешней обоймы – 61...63 HRC; - материала роликов – 60...62,5 HRC. Твердость материала внешней и внутренних обойм подшипника удовлетворяет показаниям технической документации (≥60HRC) Твердость сепаратора ⩽140HB.

Микроструктура вглубь материала произведено измерение за его неудовлетворительного микротвердости. Измерение микротвердости состояния. материала выбранных деталей производилось на шлифе с помощью прибора QNESS по методу Виккерса с нагрузкой 50г. Таблица HV50 Расстояние от края, Наиболее мкм поврежденный шарик 15 798 90 804 180 829 270 790 360 813 540 798 Металлографическое исследование Равномерная микроструктура, Строение поврежденных ("закатанных") представляющая собой мартенсит и карбиды, при деформации участков соответствует нормально термообработанной поверхностного слоя представлено на стали 8Х4В9Ф2-Ш (ЭИ347-Ш) (рисунок П. рисунке П. 39. Наличие направленных 32). слоистых образований и повреждений в поверхностном слое, а также вытянутых Также обнаружено зона в приповерхностном колоний карбидов и их выкрашиваний слое детали внешней обоймы подшипника в свидетельствует о деформации под поперечном шлифе с повышенной действием высоких нагрузок. При это травимостью (возможен растрав), что микротвердость поверхностного слоя свидетельствует о незначительном повышении (рисунок П. 40) сохранилась, ее температуры. Микроструктура соответствует значения составили 780...810HV0,1/5 (в разогреву материала, предположительно, переводе на шкалу Роквелла ≥60HRC) незначительно превышающая температуры и соответствуют ТТ чертежа. (нагрузка отпуска (≈ 300 °С). - 0,01 кгс, время выдержки - 5 с). Дополнительно было проведено исследование 46 Для проведения исследования наружное кольца подшипника было разрезано и выбран фрагмент с наибольшим повреждением поверхности скольжения. (рисунок П. 45). Наличие отдельных повторяющихся направленных повреждений, сеток микротрещин и выкрашиваний в виде плоских лунок с признаками кристаллического излома в поверхностном слое, а также вытянутых колоний карбидов вдоль линий скольжения свидетельствует о поверхностном повреждении (разрушении) и направленной деформации под действием высоких

наружной обоймы на наличие прижогов (визуально). Следы прижога от шлифовки дорожек качения наружной обоймы не обнаружены. Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) Примечание Наличие вдавленных алюминиевых частиц в поверхность шлифа как материала шарика (образец 2), так и материала внешней и внутренней обоймы (образец 1) (рисунок П. 33).  На контактных поверхностях наружной обоймы и шариков подшипника наблюдается усталостное выкрашивание.  Микроструктура и твердость материала деталей подшипника соответствует нормально термообработанной стали ЭИ347Ш.  Наблюдается незначительное повышение температуры в приповерхностном слое беговой дорожки внешней обоймы подшипника.  На беговой поверхности наружной обоймы и на шарике подшипника обнаружены частицы постороннего материала на нагрузок. Выкрашивания и повреждения на цилиндрической поверхности роликов, а также задиры на поверхностях бортов и на торцах роликов, в сочетании с поверхностным разрушением рабочей части кольца наружного, свидетельствуют о скольжении в условиях высокой радиальной нагрузок; при этом признаков попадания инородных материалов, а также признаков температурного воздействия не выявлено. Отсутствие побежалостей, пригаров и прижогов свидетельствуют об отсутствии "масляного голодания". Наличие выявлено инородных частиц не Фрагмент неразъемного участка контакта "сепаратор (слева) - ролик (справа)" показан на рисунке П. 41. Наличие плотного контакта материалов БрАЖМц 10-3-1,5 и стали ЭИ347-Ш, включая измельченные продукты износа, подтверждает действие высокого уровня нагрузок; но отсутствие изменений, выделений и фазообразования в приповерхностных от границы раздела материалов областях исключает проявление температурного воздействия. 47

Выводы алюминиевой основе.  Наличие трещин (рисунок П. 34), развивающихся вглубь тела материала внешней обоймы в зонах усталостного выкрашивания, свидетельствует о продолжительной работе подшипника с развивающимся повреждением (выкрашиванием). Химический состав и твердость деталей Химический состав и твердость деталей подшипника соответствуют ТТ чертежа. подшипника соответствуют ТТ чертежа. Признаков температурного воздействия и "масляного голодания" не выявлено. Состояние внешнего вида и значительный износ сепаратора и роликов подшипника, а также наличие направленных слоистых образований и повреждений в поверхности скольжения кольца наружного подшипника, вытянутых колоний карбидов и их выкрашиваний, свидетельствуют о деформации под действием высоких нагрузок. Инородных частиц металлического происхождения в продуктах износа не выявлено. 48 Химический состав и твердость деталей подшипника соответствуют ТТ чертежа. Признаков температурного воздействия и "масляного голодания" не выявлено. Установлено, что поверхностное разрушение рабочей части наружного кольца, износ поверхностей окон сепаратора, а также повреждения, износ и задиры на поверхностях бортов и на торцах роликов являются следствием скольжения в условиях высокой радиальной нагрузки. Инородных частиц металлического происхождения в продуктах износа не выявлено.

Таблица 2.3 - Содержание водорода во внешней обойме подшипника № 4 II опоры турбины компрессора № фрагмента I II III IV Содержание водорода, х10-4 вес. % (ppm) в навесках фрагментов 1 2 3 4 5 1,38 1,29 1,42 1,44 5,5 10,4 1,0 2,4 8,8 11,1 37,9 1,0 4,8 7,2 1,2 1,0 1,7 4,7 12,5 I – фрагмент подшипника без повреждений (поперечные трещины) поверхности беговой дорожки II, III и IV – фрагменты подшипника с повреждениями (поперечные трещины) поверхности беговой дорожки Допустимое содержание водорода – не более 2 х10-4 вес. % (ppm) Таблица. 2.4 - Результаты контроля подшипников №№ 7-9 № Наработка двигателя СНЭ 7 8 9 690 ч. 24 мин. 1287 ч. 72 ч. Внешний осмотр - на беговой дорожке наружного кольца имеется зона На внешней поверхности наружного кольца с выкрашиванием протяженностью ≈ 90° (рисунок П. можно увидеть ряд дефектов, которые 47); проявляются в выкрашивании металла с - в зоне выкрашивания на беговой дорожке различной протяженностью от 2 до 30 мм, а поперечные трещины (рисунок П. 47). также наблюдаются поперечные трещины (рисунок П. 52) [32]. Внешняя обойма 49 В отличие от подшипника № 8 на подшипнике № 9 наблюдаются участки с выкрашиваниями металла (2-7 мм), смещённые от центра к торцу, что является последствием воздействия осевой нагрузки. На дорожке качения можно заифксировать поперечные трещины

В удовлетворительном состоянии (рисунок П. 49). На торцевых и внутренних поверхностях полуколец видны следы абразивного износа. Полукольца внутренней обоймы Тела качения (шарики/ролики) Наружная поверхность сепаратора В удовлетворительном состоянии (рисунок П. 50). На поверхности шариков видны следы абразивного износа и выкрашивания (рисунок П. 53). На наружном диаметре сепаратора видны следы от контакта с центрирующими дорожками наружного кольца и воздействия частиц выкрашивания беговой дорожки наружного кольца (рисунок П. 51). На наружном диаметре сепаратора можно зафиксировать следы абразивного износа, глубокие кольцевые риски, следы приработки и углубления от шариков (рисунок П. 54). (рисунок П. 59). На торцевых поверхностях внутренних полуколец и дорожке качения следы абразивного износа не наблюдаются. На поверхности шариков можно увидеть выкрашивания, следы приработки и трещины (рисунок П. 60). На наружном диаметре сепаратора можно заметить следы абразивного износа, глубокие кольцевые риски, углубления от шариков. (рисунок П. 61). Спектральный анализ Материал наружной обоймы, внутренних полуколец и шариков Материал сепаратора ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2Ш) БрАЖМц 10-3-1,5 БрАЖМц 10-3-1,5 0,9 ppm 0,28 ppm Содержание водорода Содержание водорода в материале наружной обоймы (Нормальное содержание водорода 3 ppm) - 50

Твердость (Нагрузка - 150 кг) Измерение твердости - материала внешней обоймы – 61,0...62,0 HRC - материала внешней обоймы – 60-61 HRC - материала роликов – 61,0...62,0 HRC - материала роликов – 60-61 HRC - материала внешней обоймы – 60-61 HRC - материала роликов – 60-61 HRC Металлографическое исследование Были изготовлены как продольные, так и поперечные Микроструктура колец и шариков подшипника - Микроструктура шлифы с выходом на дефекты, а также в зоне мелкоигольчатый мартенсит и карбиды, колец и шариков выкрашиваний. соответствует нормально термообработанной подшипника На поперечном шлифе в районе выкрашивания стали ЭИ347-Ш. Структурных изменений не мелкоигольчатый обнаружено множественное количество трещин, выявлено. Карбидная неоднородность не мартенсит и карбиды, распространяющихся в поперечном направлении к превышает 3-4 балла (согласно ТУ 14-1- соответствует беговой дорожке. Трещины раскрытые. Некоторые 2244-77). нормально трещины имеют раскрытие на глубине. От этих термообработанной трещин на поверхность распространяются закрытые стали ЭИ347-Ш. трещины. Такой вид трещин свидетельствует о Структурных возникновении внутренних трещин с последующим изменений не развитием в различные стороны. выявлено. Карбидная Все трещины расположены на участке ≈10 мм. неоднородность не Трещины распространяются по границам зерен. превышает 3-4 балла Микроструктура На ответном шлифе обнаружены аналогичные (согласно ТУ 14трещины. 1-2244-77). На продольном шлифе обнаружены трещины, расположенные на глубине ≈ 25 мкм и распространяющиеся в поперечном направлении. Трещины закрытые, расположены параллельно друг другу. Часть трещин распространяются от выкрашивания, а часть не выходит на поверхность на данном участке (рисунок 2.48, 2.49). Также был изготовлен шлиф в поперечном сечении в зоне без выкрашиваний. На поверхности шлифа обнаружены микротрещины, распространяющиеся от выкрашиваний и распространяющиеся параллельно поверхности. Рентгеноспектральный Обнаружены карбиды вольфрама (W), хрома (Cr), ванадия (V) (рисунок 51

микроанализ (РСМА) Примечание Выводы П. 56). В местах вырашивания обнаружены оксиды, связанные с абразивном износом. Посторонних включений не выявлено. Фрактографические исследования вскрытых трещин показали, что они развиваются от дорожки качения и имеют усталостное строение. Глубина развития трещин в подшипнике № 8 и № 9 - соответственно 0,7 мм и 1,0 мм. Посторонние включения, структурные изменения, следов окисления и обезуглероживания в очаговых зонах не наблюдаются. Карбиды в приповерхностном слое и дефекты выкрашивания поверхностного слоя могут приводить к зарождению усталостных трещин. В доломе разрушение проходит внутризеренно, с формированием мелкоямочного рельефа (в отличие от зоны развития усталостной трещины) (рисунок П. 57). На шлифах, изготовленных из внешней обоймы, наблюдаются трещины, расположенные параллельно дорожке качения (рисунок П. 58), что связано с воздействием повышенных нагрузок. На шариках присутствуют следы выкрашивания. Результаты химического анализа показали изменение содержания вольфрама и молибдена по сравнению с исходным, что допускается ТУ 14-1-2244-2005, что повышенное содержание вольфрама W косвенно свидетельствует о его массопереносе. На дорожке качения также обнаружены карбиды, и выкрошившиеся, и сохранившие связь с матрицей (рисунок П. 55). Присутствуют участки, где трещины зарождаются на карбидах (рисунок П. 55, в, г, д, е). Химический состав и твердость деталей подшипника Химический состав и твердость деталей подшипника соответствуют ТТ соответствуют ТТ чертежа. чертежа. На рабочих поверхностях наружного кольца Структурных изменений, посторонних включений, прижогов и следов отмечаются зона выкрашивания с продольными обезуглероживания не выявлено. трещинами, следы от проскальзывания. В данном случае к основным причинам возникновения дефектов можно отнести воздействие высоких нагрузок и абразивный износ. Очаги зарождения усталостных трещин - карбиды в приповерхностном слое и дефекты (выкрашивания) поверхностного слоя. Обнаруженные трещины не связаны с наличием содержания водорода. Абразивный износ также могли спровоцировать оксиды. 52

Анализ дефектов, расположенных по центру Выявленные дорожки качения, свидетельствуют о дефекты, смещенные качественной установке и соосности деталей. к торцевой поверхности наружного кольца, что может быть связано с воздействием осевой нагрузки. 53

Обсуждение полученных результатов По результатам визуального контроля наблюдались следующие дефекты: усталостное выкрашивание материала, поперечные трещины, внутренние трещины, следы вдавливания в основной материал постороннего предмета, повышенное содержание общего водорода. Спектральный анализ показал соответствие химического состава материала внешней обоймы подшипников. Содержание водорода в материале внешней обоймы подшипников превышает допустимое содержание водорода для данного материала. Также наблюдается снижение твердости на некоторых шариках [31-32]. В ходе металлургического исследования были обнаружены поперечные трещины, выходящие из участков осповидного усталостного выкрашивания. Трещины, развивающиеся вглубь тела материала, свидетельствуют о работе подшипника качения с развивающимся повреждением (а именно - выкрашиванием), а также о воздействии на материал подшипников высоких напряжений. Вышеперечисленные дефекты могут быть связаны с такими производственными факторами, как остаточные напряжения, повышенное содержание общего и диффузионно-подвижного водорода в материале подшипника, которые рассматриваются в следующих главах. 2.3 Исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость Метод исследования основан на полном освобождении образца (участка поверхности детали) и удалении слоёв металла с его поверхности для измерения деформаций, возникших в результате технологической обработки детали, без воздействия эксплуатационных нагрузок и окружающей среды. Место вырезки опытных образцов определялось характером эксплуатационных повреждений на наружной обойме подшипника качения. 54

Важно, чтобы вырезка образцов не вносила изменения в поверхностное напряжённое состояние, которое подлежит исследованию, поэтому её следует осуществлять электроэрозионным методом проволочным электродом на «мягких» режимах. Образец перед травлением показан на рисунке 2.1. Для удаления слоя металла применяли универсальный электролит для травления сталей и сплавов на основе титана, никеля и алюминия при автоматическом управлении режимом травления. Рисунок 2.1 - Образец перед травлением Отделение образца от детали может привести к нарушению равновесия напряжённого состояния, в результате чего возникает деформация (прогиб) образца и (или) изменение его длины, по величине которых можно установить величину релаксировавших напряжений, что предусмотрено в расчетной программе. Если прогиб в сторону исследуемой поверхности, то в таблице исходных данных программы прогиб от вырезки указывается со знаком минус (рисунок 2.2). Рисунок 2.2 - Схема определения знака прогиба. 55

Анализ величин и знаков остаточных напряжений (рисунок 2.3, 2.4) позволяет оценить дисбаланс остаточных напряжений в поверхностных слоях материала. Даже незначительный их дисбаланс может привести к возникновению поверхностных дефектов. Так, если Δ2 ≈ Δ1, то трещина отсутствует; если Δ2 > Δ1 или Δ2 < Δ1, то возможно образование трещины. Рисунок 2.3 - Вид эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое материала обоймы бездефектного (сплошная линия) и дефектного (пунктирная линия) подшипников Рисунок 2.4 - Изменение величины поверхностных остаточных напряжений в материале подшипника в зависимости от глубины залегания 56

Механизм возникновения поверхностных дефектов может быть связан с изменением величины поверхностных остаточных напряжений посредством изменения состава и субструктуры поверхностного слоя. В свою очередь, состав и субструктура поверхностного слоя будут определяться, в первую очередь, содержанием в нем неконтролируемых примесей внедрения, а также плотностью и соотношением числа краевых и винтовых дислокаций. Объединяя эти факторы, в частности, можно предположить, что наличие диффузионно-подвижного водорода и действующего механизма пластичности Котрелла будет сказываться на перераспределении значений остаточных напряжений, и, как следствие, на возникновение поверхностных дефектов в деталях подшипника [33]. Принимая во внимание данное предположение следует учесть, что, с точки зрения эксплуатационной стойкости, роль термической обработки деталей подшипника (в том числе специальной) в технологическом процессе, во многом, будет определяющей. 2.4 Исследование содержания водорода в подшипниках Одним из факторов, который может привести к образованию трещин, является повышенное содержание водорода. Для контроля содержания водорода в материале наружной обоймы подшипников с двигателя № 1 и № 3 был проведен анализ. Анализ на содержание водорода проводился в соответствии с требованиями ГОСТ 17745-90 «Стали и сплавы. Методы определения газов» с применением анализатора ELTRA ОН 900. По результатам анализа содержание водорода в материале наружной обоймы исследуемых подшипников с двигателя № 1 (наработка 274 часов) и № 3 (наработка 207 часов) составляет, соответственно, 7,3 ррm и 6,1 ррm. Дополнительно был проведен анализ на содержание водорода в материале наружной обоймы подшипника с двигателя, у которого наработка подшипника составила 1309 часов, трещины на беговой дорожке наружной 57

обоймы подшипника отсутствуют. Содержание водорода в материале наружной обоймы составило 1,35 ррm. Для большинства сталей, изготовленных с применением процесса электрошлакового переплава (ЭШП, в маркировке сталей с индексом «-Ш») допустимое содержание водорода при соблюдении технологии не должно превышать 4 ррm. Полученные результаты анализа содержания водорода в материале наружной обоймы подшипников позволяют предположить, что при изготовлении обойм вместо стали ЭИ347-Ш была использована сталь ЭИ347 открытой выплавки. Обсуждение результатов Образование трещин на беговой дорожке наружной обоймы исследуемых подшипников связано с охрупчиванием материала наружной обоймы вследствие повышенного содержания водорода в стали. Повышенное содержание водорода в материале наружной обоймы подшипников с двигателя № 1 и № 3 может быть связано с изготовлением обойм из стали ЭИ347 вместо ЭИ347-Ш. 2.5 Исследование влияния диффузионно-подвижного водорода (д.п.в.) на свойства стали В качестве объектов для исследования использовали части колец подшипников из стали ЭИ347-Ш (8Х4В9Ф2-Ш) (рисунок 2.5). 1 2 3 Рисунок 2.5 - Части колец подшипников качения из стали ЭИ347-Ш 58

Для оценки степени упрочнения после полного цикла термической обработки был проведен дюрометрический анализ. Результаты приведены в таблице 2.5. Таблица 2.5 - Результаты дюрометрического анализа образцов из стали ЭИ347-Ш № образца 1 2 3 № измерения Твердость HV1 1 828 2 842 3 849 4 856 1 840 2 828 3 824 4 830 1 847 2 847 3 838 4 829 При относительном пересчете со шкалы Виккерса в шкалу Роквелла, твердость образцов из стали составляет 63-65 HRC, что соответствует требованиям. Одной из возможных причин выхода из строя подшипника качения является высокое содержание в подшипнике д.п.в. Для определения количества д.п.в. в стали изготавливали косой шлиф по дорожке качения, т.е. в местах максимальной концентрации напряжений. (рисунок 2.6). 59

Рисунок 2.6 - Образец со сточенной поверхностью для подготовки косого шлифа Для выявления микроструктуры использовали 4% раствор азотной кислоты HNO3 в спирте. После выявления микроструктуры косого шлифа было получено, что в микроструктуре содержатся мартенсит и карбиды, приемлемые для этой стали. Также микроструктура исследована в светлом и темном поле при увеличении 500 крат (рисунок 2.8). Рисунок 2.7 - Микроструктура косого шлифа из стали ЭИ347-Ш (х100) 60

(а) (б) Рисунок 2.8 - Микроструктура косого шлифа стали ЭИ347-Ш (х500): (а) в светлопольном режиме; (б) в темнопольном режиме Получено, что оптическим методом не удается выявить влияние д.п.в. на структуру стали после полного цикла термической обработки. Затем испытания на содержание д.п.в. провели на анализаторе. Для этого от каждой части кольца были отрезаны образцы размером Ø4х7 мм. Результаты исследований показали, что в одном из колец находится повышенное содержание д.п.в. (Таблица 2.6). 61

Таблица 2.6 - Содержание водорода в образцах из стали ЭИ347-Ш № образца Массовое содержание водорода, % Объемное содержание водорода, см3/ 100г 1 0,000019 0,21 2 0,000016 0,175 3 0,000054 0,60 Результаты исследований показали существенный разброс содержания д.п.в. в стали, причем в образце № 3 обнаружены значения, значительно превышающие допустимые пределы (Таблица 2.6). Такое повышенное содержание д.п.в. могло привести к образованию трещин и выходу из строя подшипника качения. 2.6 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника 2.6.1 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника № 1 (содержание H2 -7,3 ppm) Структура внешней обоймы подшипника № 1 состоит из мартенсита и не очень крупных карбидов, которые распределены неравномерно (рисунок 2.9, 2.10). В структуре внешней обоймы видно, что на противоположной стороне обоймы (нерабочей части, которая не соприкасается с телами качения) наклеп отсутствует (рисунок 2.11). В структуре внешней обоймы наблюдаем первичные карбиды, которые были раздроблены в процессе ковки. Их размер составил не более 3.3 мкм, что допустимо по ТУ 14-1-2244-2005. В структуре отсутствует остаточный аустенит, так как была проведена обработка холодом (в рассматриваемой структуре содержится небольшое количество остаточного аустенита, количество которого не будет влиять на свойства стали в целом, поэтому будем говорить о том, что остаточный аустенит отсутствует). 62

Рисунок 2.9 - Микроструктура внешней обоймы подшипника № 1 (x500) Рисунок 2.10 - Микроструктура внешней обоймы подшипника № 1 (x500) Рисунок 2.11 - Микроструктура внешней обоймы (со стороны нерабочей поверхности) подшипника № 1 (x500) Рисунок 2.12 - Микроструктура внешней обоймы подшипника № 1 (x1000) Рисунок 2.13 - Микроструктура шарика подшипника № 1 (x1000) Рисунок 2.14 - Микроструктура шарика подшипника № 1 (x1000) 63

В структуре шарика подшипника № 1 первичные карбиды практически отсутствуют. Наблюдается россыпь вторичных карбидов, которые выстраиваются в цепочки, то есть существует вероятность, что они располагаются по границам зерна. Причем плотность распределения вторичных карбидов неравномерная. Видно небольшое содержание первичных карбидов, их размер составляет примерно 8 мкм, но их количество гораздо меньше, чем в структуре внешней обоймы. На внешней обойме остаточный аустенит не наблюдается, а в структуре шарика есть небольшое содержание остаточного аустенита. Первичные карбиды, имеющие угловатую форму, не допускаются, так как они являются концентраторами напряжений. 2.6.2 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника № 3 (содержание H2 - 6,1 ррm) Рисунок 2.15 - Микроструктура внешней обоймы (рабочей поверхности) подшипника № 3 (x500) Рисунок 2.16 - Микроструктура внешней обоймы (со стороны нерабочей поверхности) подшипника № 3 (x500) 64

Рисунок 2.18 - Микроструктура внешней обоймы подшипника № 3 (x1000) Рисунок 2.17 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 3 (x500) Рисунок 2.19 - Микроструктура шарика подшипника № 3 (x1000) На рисунке 2.15 виден наклеп на рабочей поверхности внешней обоймы, так как внешняя обойма подвергалась тепловому воздействию. На противоположной стороне обоймы (нерабочей части) (рисунок 2.16) отсутствует наклеп, так как эта часть не участвует во взаимодействии с телами качения (шариками). В центральной части внешней обоймы (рисунок 2.17) видно неравномерное распределение карбидов. В структуре внешней обоймы (рисунок 2.18) первичные карбиды не деформированы, так как имеют округлую форму. Вторичные карбиды концентрируются вокруг первичных. остаточного аустенита. 65 Видно большое содержание

В структуре шарика подшипника № 3 (рисунок 2.19) хорошо видно, что первичные карбиды деформированы, вследствие чего также наблюдаем строчечное расположение карбидов. 2.6.3 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника № 2 (содержание H2 - 3,4 ррm) (шлиф выполнен в поперечном направлении) На рисунке 2.22 хорошо виден наклеп, который образовался в результате теплового воздействия, которое в свою очередь возникло из-за трения между поверхностями (в процессе соприкосновения шариков и рабочей поверхности внешней обоймы). А так как твердость поверхности достаточно высокая (62 HRC), то поверхность будет охрупчиваться, а не деформироваться. В структуре внешней обоймы (центральной части) (рисунок 2.24) карбиды распределены неравномерно. При высоких температурах произошел процесс коагуляции карбидов. На противоположной стороне обоймы (рисунок 2.26) (нерабочей части, которая не соприкасается с телами качения) отсутствуют наклеп. На рисунке 2.20 видна карбидная неоднородность в виде строчечного расположения (карбидная ликвация). По шкале карбидную ликвацию можно отнести к 3-4 баллу, что допустимо техническими требованиями. Карбидная ликвация может образоваться при недостаточной проковке. Вследствие карбидной ликвации уменьшается стойкость инструмента и возрастает его хрупкость. Достаточно тяжело добиться структуры, в которой будет отсутствовать карбидная неоднородность, так как первичные карбиды образуются при производстве (ковке) стали. На кромке поверхности присутствует тонкий обезуглероженный слой, так как видна четкая граница между белым слоем и металлов (неплавный переход) (рисунок 2.20). Наличие обезуглероженного слоя может говорить о том, что подшипник работал с проскальзыванием. 66

Рисунок 2.20 - Микроструктура внешней обоймы подшипника № 2 (x50) Рисунок 2.21 - Микроструктура внешней обоймы подшипника № 2 (x100) Рисунок 2.22 - Микроструктура внешней Рисунок 2.23 - Микроструктура внешней обоймы (рабочей поверхности) подшипника обоймы (рабочей поверхности) подшипника № 2 (x500) № 2 (x1000) Рисунок 2.24 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 2 (x500) Рисунок 2.25 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 2 (x1000) 67

Рисунок 2.26 - Микроструктура внешней обоймы (со стороны нерабочей поверхности) подшипника № 2 (x500) Рисунок 2.27 - Микроструктура шарика подшипника № 2 (x1000) Первичные карбиды вытянуты вдоль направления деформации. Повышенная концентрация карбидов в сердцевине поверхности. На рисунке 2.21 уже видны конгломераты карбидов, которые не раздроблены, что говорит о плохом проведении процесса ковки. Карбидную неоднородность можно отнести к 3-4 баллу, что допускается ТУ 14-1-2244-77. Образование водорода могло произойти в процессе литья, вследствие чего образование водорода могло способствовать охрупчиванию. Рабочая поверхность подшипника соприкасается с поверхностью вала, возникает тепловое воздействие между поверхностями вследствие трения. В структуре шарика остаточный аустенит практически отсутствует (рисунок 2.27). Существует направленность вторичных карбидов. Более менее равномерная структура, первичных карбидов почти нет. 68

2.6.4 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника № 2 (содержание H2 - 3,4 ррm) (шлиф выполнен в продольном направлении) Рисунок 2.28 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 2 (x1000) Рисунок 2.29 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 2 (x500) Рисунок 2.30 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 2 (x1000) Рисунок 2.31 - Микроструктура внешней обоймы (центральной части) подшипника № 2 (x1000) При 50-кратном увеличении видны остатки литой структуры. В центральной части структуры внешней обоймы (рисунок 2.28) наблюдаем мартенсит, остаточный аустенит, небольшое содержание первичных карбидов. Однородная структура. Хотя даже такое небольшое наличие первичных карбидов могло способствовать выкрашиванию. 69

В структуре внешней обоймы (рисунок 2.30) присутствуют и первичные, и вторичные карбиды. На рисунке 2.31 первичные карбиды имеют большие размеры. Обсуждение результатов исследования микроструктуры Одним равномерное из требований распределение к структуре карбидов, в стали ЭИ347-Ш противном случае является может развиваться выкрашивание. Для более равномерного распределения карбидов необходимо делать более длительную выдержку. Кроме того, рекомендуется проводить гомогенизацию в процессе нагрева для уменьшения неоднородности распределения карбидов. Также для более равномерного выделения и распределения карбидов рекомендуется делать ступенчатую закалку. В процессе ковки следовало бы дать побольше деформации, чтобы раздробить первичные карбиды. 2.7 Фрактографические исследования В дополнение к исследованию были проведены фрактографические исследования вскрытой трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипников №№ 2, 3, 7. Исследование излома вскрытой трещины проводилось с помощью бинокулярных стереоскопических микроскопов МБС-10 и MEIJITECHNO, а также с помощью растрового электронного микроскопа TESCANVEGA 5130 LM. 2.7.1 Фрактографические исследования подшипника № 3 Фрактографическими исследованиями подтвержден статический характер возникновения поперечной трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника. Наличие большого числа ступенек, язычков и гребней вне поверхности излома, но примыкающих к ней по границе (рисунок 2.32-2.34) и 70

образовавшихся в результате искусственного вскрытия, свидетельствуют о пластической деформации двойникованием. Исследования поверхности излома, проведенные при помощи растрового электронного микроскопа, подтверждают двойниковую природу пластической деформации трещины как вблизи поверхности (рисунок 2.35, е и рисунок 2.36, д), так и на глубине (рисунок 2.35, в). Кроме того, в зоне поверхности (рисунок 2.36, б, в, д) отмечены признаки наводороживания и водородного охрупчивания – четко наблюдаемые поверхности микроквазискола, микропоры и пластически раскрытые волосовины (рисунок 2.36, б, в). Поскольку для образования двойников необходимы сочетания таких факторов, напряжений как низкая температура, и многоосность большая характера вероятностью можно предположить, что скорость напряжений, трещина приложения то с большой образовалась под действием внешнего нагружения при относительно низких температурах, а ее образованию могло способствовать высокое содержание водорода в поверхностном слое. 71

Рисунок 2.32 - Месторасположение и внешний вид раскрытой трещины (x30) 72

(а) (б) Рисунок 2.33 - Панорама раскрытой трещины (оптическая металлография) (x30) 73

(а) (б) (в) Рисунок 2.34 - Фрагменты раскрытой трещины (оптическая металлография) (x40) 74

(а) (x50) (б) (x295) (в) (x2650) (г) (x505) (д) (x301) (е) (x1450) Рисунок 2.35 - Панорама раскрытой трещины (сканирующий электронный микроскоп) 75

(а) (x1180) (б) (x4710) (в) (x4710) (г) (x4710) (д) (x3120) Рисунок 2.36 - Фрагменты излома - поверхностное разрушение (сканирующий электронный микроскоп) 76

Таким образом, подтвержден статический характер возникновения поперечной трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 3. Трещина образовалась под Возникновению трещины могло действием внешнего способствовать нагружения. высокое содержание водорода в поверхностном слое. 2.7.2 Фрактографические исследования подшипника № 2 Фрактографическими исследованиями подтвержден статический характер возникновения поперечной трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника. Излом условно можно разделить на две части – поверхностную и основную; для поверхностной части (рисунок 2.39, в, г) характерен вид с карбидными выделениями, для основной – строчечное, волокнисто- полосчатое строение (рисунок 2.39, б и рисунок 2.40, в, г). Наличие карбидных выделений и продольных расслоений в поверхностном слое излома, а также наличие характерных микротрещин и фасеток квазискола свидетельствуют о состоянии поверхностного перенаклепа, что связано с наличием высоких сжимающих поверхностных остаточных напряжений и внутризеренным охрупчиванием. Поверхность разрушения основной части излома, характеризующаяся наличием слоистости (строчечное, волокнисто-полосчатое строение), связана с неоднородностью материала и имеет технологическое происхождение на стадии горячей пластической деформации (ковки). Расположение волокна под углом, ориентировочно, 90о по отношению к беговой дорожке является неблагоприятным, как с точки зрения возможного расслоения, так и механических свойств. Таким образом, появление трещины связано с возникновением высоких поверхностных остаточных напряжений сжатия при неблагоприятном строчечном строении материала. 77

Рисунок 2.37. - Излом 1. Внешний вид (оптическая металлография) Рисунок 2.38 - Излом 2.Внешний вид (оптическая металлография) 78

(а) (x133) (б) (x679) (в) (x1930) (г) (x880) Рисунок 2.39 - Строение излома 1. Исследование с помощью сканирующего электронного микроскопа (а) – общий вид; (б)- строчечное, волокнисто-полосчатое строение части излома мартенситной структуры; (в) – строение поверхностного слоя; (г) – поверхностная и подповерхностная структура части излома 79

(а) (x137) (б) (x1210) (в) (x854) (г) (x1390) (д) (x285) (е) (x2450) Рисунок 2.40 - Строение излома 2. Исследование с помощью сканирующего электронного микроскопа (а) – общий вид; (б) – строение поверхностного слоя; (в),(г)- строчечное, волокнисто-полосчатое строение части излома мартенситной структуры; (д),(е) – граница части излома 80

Подтвержден статический характер возникновения поперечной трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 2. Трещина образовалась из-за перенаклепа поверхностного слоя и возникновения высоких поверхностных напряжений сжатия. Возникновению трещины могло способствовать неблагоприятное строчечное строение материала, имеющее технологическое происхождение. 2.7.3 Фрактографические исследования подшипника № 7 При исследовании поверхности внешней обоймы подшипника № 7 при помощи оптического микроскопа наблюдаем очаги и направления усталостного выкрашивания (показаны стрелками) (рисунок 2.41). (а) (б) Рисунок 2.41 - Излом 1. Поверхность внешней обоймы подшипника № 7 (оптический микроскоп) На противоположной части излома видна раскрытая трещина и отходящие от нее рубцы, образовавшиеся при вскрытии трещины (рисунок 2.42). 81

(а) (б) Рисунок 2.42 - Излом 2. Поверхность внешней обоймы подшипника № 7 (оптический микроскоп) Рисунок 2.43 - Излом 1. Общий вид вмятины на поверхности вскрытой трещины (сканирующий электронный микроскоп) На рисунке 2.43 наблюдаем вмятину, расположенную на поверхности вскрытой трещины. Возможно, сначала произошел статический надрыв, а затем стало развиваться усталостное выкрашивание (т.е. разрушение идет с подповерхностного слоя) (или усталостное выкрашивание развивалось самостоятельно). Возможен следующий механизм образования вмятины. В процессе механической обработки на рабочих поверхностях образуются микронеровности. В местах контакта тел качения с беговой дорожкой кольца под действием нагрузки возникают контактные напряжения. Одновременно с 82

действием нагрузки на дорожках качения происходит скольжение контактирующих поверхностей, сопровождающееся смятием и отрывом на них мельчайших выступов. Эти частицы металла, попадая между обкатываемыми поверхностями, образуют микроскопические вмятины, в которых металл уплотняется. Наклеп поверхности увеличивается действием внутренних динамических сил, возникающих из-за неточностей формы тел качения и профиля беговых дорожек колец подшипника. Дальнейшее уплотнение металла создает благоприятные условия для начала усталостного выкрашивания и для возникновения усталостной трещины достаточно небольшого повреждения поверхностного слоя. Затем под действием повторных нагрузок усталостная трещина быстро распространяется в толщу уплотненного металла. Начальная усталостная трещина может возникнуть в результате растрескивания металла на поверхности вокруг глубокой вмятины, которая образовалась в результате концентрации напряжений в углах разрывов, образованных наволакиванием металла при скольжении без смазки или после продолжительной работы детали. При рассмотрении элементов вмятины на поверхности вскрытой трещины наблюдаем мелкие ямки (фасетка скола), свидетельствующие о статическом нагружении (рисунок 2.44). 83

(а) (б) Рисунок 2.44 - Излом 1. Фрагмент вмятины на поверхности вскрытой трещины (сканирующий электронный микроскоп) На рисунке 2.45 показана окисленная поверхность. На рисунке 2.46 показан фрагмент панорамы вскрытой трещины. 84

(а) (б) Рисунок 2.45 - Излом 1. Фрагмент панорамы вскрытой трещины (сканирующий электронный микроскоп) 85

(а) (б) Рисунок 2.46 - Излом 1. Фрагмент панорамы вскрытой трещины (стрелками показаны трещины) (сканирующий электронный микроскоп) В подповерхностном слое наблюдаем подповерхностные трещины, которые возникли вследствие внутренних напряжений (рисунок 2.47). 86

(а) (б) Рисунок 2.47 - Излом 1. Фрагмент панорамы вскрытой трещины (стрелками показаны подповерхностные трещины) (сканирующий электронный микроскоп) На поперечном шлифе в районе выкрашивания обнаружено множественное количество трещин, распространяющихся в поперечном направлении к беговой дорожке (рисунок 2.48, 2.49). Трещины - раскрытые, некоторые трещины имеют раскрытие на глубине. От этих трещин на поверхность распространяются закрытые трещины. Такой вид трещин свидетельствует о возникновении внутренних трещин с последующим развитием в различные стороны. Такие трещины могли возникнуть вследствие напряжений. 87

(а) (б) Рисунок 2.48 - Излом 1. Фрагмент панорамы вскрытой трещины Видно, что трещина является подповерхностной (открыта внутри, а на поверхность не выходит). Подповерхностная трещина развивается на глубину < 20 мкм (рисунок 2.48). Зона усталостного разрушения (упруго-пластический механизм) обозначена белой пунктирной линией. Статическое разрушение обозначено красная пунктирной линией. Часть трещин распространяются от выкрашивания (рисунок 2.48), а часть не выходит на поверхность на данном исследуемом участке (рисунок 2.49). 88

Рисунок 2.49 - Излом 1. Фрагмент панорамы вскрытой трещины Рисунок 2.50 - Излом 1. Трещины. Подтверждение малоцикловой усталости 89

(а) (б) Рисунок 2.51 - Излом 1 Возможно, трещины распространяются по зерну (рисунок 2.51,а). Видны участки с различной степенью окисления, следовательно, развитие трещины протекало длительно по времени (рисунок 2.51, б). 90

Рисунок 2.52 - Излом 2. Поверхность внешней обоймы подшипника № 7 (сканирующий электронный микроскоп) Внутри вмятины видны карбиды. Неравномерное распределение карбидов свидетельствует о различной степени напряженности в участках металла (рисунок 2.52). Рисунок 2.53 - Излом 2. Трещина, отходящая от поверхности излома 91

(а) (б) (в) Рисуонок 2.54 - Излом 2 92

Фрактографическими исследованиями подтвержден статический характер возникновения поперечной трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 7. Основная часть излома имеет строчечное, волокнисто-полосчатое строение. Такое строение связано с неоднородностью материала и имеет технологическое происхождение на стадии горячей пластической деформации (ковки). Также для излома характерен вид с карбидными выделениями. Наличие карбидных выделений, наличие характерных микротрещин и фасеток квазискола свидетельствуют о состоянии поверхностного перенаклепа. Обсуждение результатов фрактографических исследований Фрактографическими исследованиями подтвержден статический характер возникновения поперечной трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника. Основная часть излома имеет строчечное, волокнисто-полосчатое строение. Такое строение связано с неоднородностью материала и имеет технологическое происхождение на стадии горячей пластической деформации (ковки). Также для излома характерен вид с карбидными выделениями. Наличие карбидных выделений, наличие характерных микротрещин и фасеток квазискола свидетельствуют о состоянии поверхностного перенаклепа. Причинами образования трещины послужило внешнее нагружение, вследствие перенаклепа поверхностного слоя и возникновения высоких поверхностных напряжений сжатия. Кроме того, возникновению трещины могло способствовать высокое содержание водорода в поверхностном слое и неблагоприятное строчечное строение материала, имеющее технологическое происхождение. 93

2.8 Обсуждение результатов работы Наличие карбидных выделений и продольных расслоений в поверхностном слое излома, а также наличие характерных микротрещин и фасеток квазискола перенаклепа. свидетельствуют Перенаклеп о состоянии подтверждается поверхностного результатами анализа микроструктуры и связан с наличием высоких сжимающих поверхностных остаточных напряжений и внутризеренным охрупчиванием. В поперечном направлении шлифа структура стали менее благоприятна, чем в продольном направлении, что связано с нарушением режимов термической обработки. В частности, нарушению структуры могла способствовать неравномерная скорость охлаждения при термической обработке. В процессе эксплуатации подшипник разогревается неравномерно, что также может привести к нарушению структуры. Сжимающие остаточные напряжения способствуют повышению усталостной прочности, что подтверждается проделанными экспериментами. Остаточные напряжения могли возникнуть вследствие наклепа поверхности, что подтверждается структурой поверхности внешней обоймы подшипника качения. Характер и распределение напряжений в подшипниках влияет на распределение водорода. Водород распределен неравномерно и под действием различных факторов (градиенты концентрации и температур, разница в растворимости водорода в различных фазах и дефектах кристаллического строения решетки, пластическая и упругая деформация) может перемещаться в определенные зоны металла, создавая в них повышенную концентрацию. Наклеп также мог поспособствовать наводороживанию подшипника качения. При рабочих температурах подшипника (140-150°С) выделяется только часть водорода - диффузионно-подвижный водород. (При нагреве растворимость водорода повышается, причем при температурах свыше 250— 94

400°С практически весь водород растворен в решетке металла). Но при этом его диффузионная подвижность достаточно велика даже при нормальных температурах. Исследования влияния содержания водорода показали, что именно д.п.в. оказывает негативное влияние на процесс разрушения. Склонность к водородному фрактографические исследования. 95 охрупчиванию подтверждают и

Заключение Зарождение и развитие усталостной трещины в обойме подшипника при эксплуатации происходит при комплексном действии всех производственных факторов. Анализ полученных экспериментальных данных позволяет считать, что появление трещины и развитие усталостного выкрашивания связано с возникновением высоких поверхностных остаточных напряжений сжатия при неблагоприятном строчечном строении материала и неравномерном распределении карбидов, а также повышенном содержании водорода. Повышенная твердость наклепанного слоя обоймы подшипника делает ее потенциальным участком разрушения при эксплуатации. Анализ поверхности изломов подтверждает наличие неблагоприятной строчечной (волокнисто-полосчатой) технологическое происхождение на структуры стадии стали, горячей имеющей пластической деформации. Следует отметить, что расположение волокна под углом ~90° к беговой дорожке является неблагоприятным и может оказывать отрицательное влияние на работоспособность подшипника. В результате проделанной работы была установлена связь между диффузионно-подвижным водородом и сжимающими остаточными напряжениями. Вопрос о том, что возникает раньше и способствует дальнейшему развитию дефектов, остается открытым. Объемный водород является дефектом металлургического характера. Содержание общего водорода повышено, но экспериментами было выявлено, что именно диффузионно-подвижный водород оказывает негативное влияние на процесс разрушения подшипника качения. Его содержание в три раза превышает содержание диффузионно-подвижного водорода в бездефектном подшипнике. Возникновение сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое связано с нарушением режимов термической обработки. 96

Полученные результаты позволяют заключить, что материал наружной обоймы подшипников в состоянии поставки имел повышенное содержание водорода. Причиной этого, вероятно, являлось нарушение технологии металлургического передела стали. Неудовлетворительное качество материала деталей подшипника, несовершенство технологии изготовления или сборки, а также несоблюдение рекомендуемых режимов и условий эксплуатации подшипников в узле вызывает ускорение усталостного выкрашивания металла деталей. 97

Рекомендации Сталь для колец подшипников и тел качения рекомендуется проводить по технологиям вакуумирования или вакуумной плавки для поддержания высокого уровня чистоты и однородности. Перед началом изготовления компонентов подшипников, все материалы должны подвергаться металлургической, химической и механической проверке. Рекомендуется наладить тщательный контроль термической обработки в печах при использовании современных вакуумных печей, имеющих совершенные термические циклы, благодаря современным возможностям управления. Термическую обработку деталей подшипников качения необходимо проводить на специализированном оборудовании, обеспечивающем точное поддержание температуры и исключающем обезуглероживание поверхности. Наличие предварительной ступени отжига при температуре порядка 500°С дает более равномерное распределение карбидов. Также для более равномерного распределения карбидов необходимо делать более длительную выдержку. Кроме того, рекомендуется проводить гомогенизацию в процессе нагрева для уменьшения неоднородности распределения карбидов. Не допускается нарушение режимов термической обработки. Температура по сечению и скорость охлаждения подшипника должны быть равномерными. В процессе ковки следует приложить бо́льшую деформацию, чтобы раздробить первичные карбиды. Чувствительность к водородному охрупчиванию зависит от режима термической обработки. Для снижения содержания водорода рекомендуется производить обезводораживающий отпуск. 98

Список использованных источников 1. Орлов М.Р., Григоренко В.Б., Морозова Л.В., Наприенко С.А. Исследование эксплуатационных разрушений подшипников методами оптической, растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа // Труды ВИАМ. 2016. №1 (37). С.62-79. 2. Авторское право SKF AB, Повреждения подшипников качения и их причины, Санкт-Петербург, 2002. 3. Решняк С.Е., Максимов А.Д. Анализ износа и причин выхода из строя подшипников качения высокоскоростных шпиндельных узлов, Известия МГТУ «МАМИ», 2014. № 1 (19), т.2. 4. Мордасов Д.М., Фатеев Ю.Г., преждевременного Зотов С.В. разрушения Исследование подшипников буксового причин узла // Вестник ТГТУ. 2015. Т. 21. № 4. С. 686-695. 5. Huang Z., Li G. Failure analysis of roller cone bit bearing based on mechanics and microstructure // Journal of Failure Analysis and Prevention. 2018. V. 18. P. 342-349. 6. Новиков С.А. Разрушение материалов при воздействии интенсивных ударных нагрузок // Соровский образовательный журнал. 1999. № 8. С. 116-121. 7. Яковлев Н.О., Седов О.В., Гулина И.В., Гриневич А.В. Фрактографическое исследование разрушения подшипниковой стали // Труды ВИАМ. 2020. № 2 (86). С. 91-100. 8. Мельников А.А., Дмитриева М.О. Исследование механизма разрушения рабочей поверхности крупногабаритных подшипников в процессе эксплуатации // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18. № 1. С. 184-191. 9. Спектор А.Г., Зельбет Б.П., Киселёва С. А. Структура и свойства подшипниковых сталей / М.: Металлургия, 1980. 264 с. 99

10. Гуляев А.П., Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с. 11. Коросташевский Р. В., Зайцев А. М. Авиационные подшипники качения / Под ред. Р. В. Коросташевского. - Москва : Оборонгиз, 1963. - 340 с. 12. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1980. - 493 с., ил. 13. Геллер Ю.А. Инструментальные стали, 4-е изд. М.: Металлургия, 1975. 584 с. 14. Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали, Теория металлургических электронный ресурс: процессов, Металлургиздат, 1962 г, https://markmet.ru/kniga-po-metallurgii/vliyanie- vodoroda-na-svoistva-stali 15. Братухин А.Г., Демченко О.Ф., Долженков Н.Н., Кривоногов Г.С. Высокопрочные коррозионно-стойкие стали современной авиации / Науч. ред. А.Г. Братухин. - М.: Изд-во МАИ, 2006. - 656 с.: ил. 16. Сырых Л.М., Кодес Е.С., Рябов Р.А., Гельд П.В. Методы определения газов в металлах и сплавах. - М.: МДНТП, 1971. С. 72-76. 17. Кодес Е. С., Рябов Р.А., Гельд П.В., Швецов Н.И., Бармин Н.И. Физика металлов и их соединений. Вып. 2. - Свердловск, УрГУ, 1974. С. 7-12. 18. Фаст Дж.Д. Взаимодействие металлов с газами, т.2. Кинетика и механизм реакций; Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1975. 19. Бокштейн С.З., Гинзбург С.С., Кишкин С.Т., Мороз Л.М. Электронномикроскопическая авторадиография в металловедении. - М.: Металлургия, 1978. 20. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. - М.: Металлургия, 1985. 100

21. Громов В. И., Курпякова Н. А., Коробова Е. Н., Седов О. В. Новая теплостойкая сталь дл авиационных подшипников // Труды ВИАМ. 2019. № 2 (74). С. 17-23. 22. Керамические подшипники, электронный ресурс: http://podshipnikcentr.ru/spravochnik/keramicheskie-podshipniki.html (06.12.2015) 23. Керамические подшипники: надежная работа в тяжелых условиях, электронный ресурс: http://evropodshipnikrm.ru/blog/keramicheskie- podshipniki-nadezhnaya-rabota-v-tyazhelyh-usloviyah/ 24. Критский В.Ю., Зубко А.И. Исследование возможности использования керамических авиационных подшипников скольжения нового поколения в конструкциях опор роторов газотурбинных двигателей. Научно-технический журнал "Двигатель". № 3 (87) 2013. 25. Увеличение срока службы подшипников с использованием стали NitroMax, электронный ресурс: https://www.skf.com/ru/products/bearings-units-housings/super-precisionbearings/SuPBpromoNitroMax.html 26. Черменский О.Н., Федотов Н.Н. Подшипники качения: Справочниккаталог. - М.: Машиностроение, 2003. 27. Спришевский А.М. Подшипники качения. М: Машиностроение. 1968. 632 с. 28. Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Буше И.А., Буяновский И.А. и др. Основы трибологии (трение, износ, смазка) М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778с. 29. Беркович М.С. Долговечность подшипников качения в условиях несоосности их колец // Вестник машиностроения. 1983. - №10. С.9-12. 30. Давиденков Н.Н. Механические свойства материалов и методы измерения деформаций. Наук. думка, Киев. Т. 2. 1981. – 655 с. 31. Музафарова С.-В.Р., Котов С.А. Экспериментальный анализ причин эксплуатационных повреждений 101 подшипников качения в

газотурбинных двигателях, Сборка в машиностроении, приборостроении, Том 19, 6 (215). 32. Морозова Л.В., Музафарова С.Р. К вопросу о повреждаемости подшипников качения в эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей. Климовские чтения - 2019, Перспективные направления развития авиадвигателестроения: сборник статей научно-технической конференции. - СПб.: Скифия-принт, 2019. С. 82-92. 33. Музафарова С.Р., Иванова Т.О., Севальнев Г.С. Исследование возможности факторов, влияющих на эксплуатационную стойкость подшипников качения в авиационных газотурбинных двигателях. Климовские чтения - 2018. Перспективные направления развития авиадвигателестроения: сборник статей научно-технической конференции. - СПб.: Скифия-принт, 2018. С. 393-398. 102

Приложение Исследуемые подшипники качения Подшипник № 1 Рисунок П. 1 - Внешний вид деталей подшипника № 1 Рисунок П. 2 - Внешние и внутренние поперечные трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 1 103

(а) (б) Рисунок П. 3 - Коррозионный износ (а) и следы от маркировки (б) полукольца внутренней обоймы Рисунок П. 4 - Зоны усталостного выкрашивания с микротрещинами на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 1 104

материал внешней обоймы (продольный шлиф) материал внутренних обойм материал внешней обоймы (поперечный шлиф) Рисунок П. 5 - Микроструктура материала деталей внутренней и внешней обоймы подшипника № 1 Рисунок П. 6 - Микроструктура материала деталей шарика с пониженной твердостью подшипника № 1 105

(а) (б) Рисунок П. 7 - Поперечные микротрещины на поверхности шлифов деталей внешней (а) и внутренней (б) обоймы подшипника № 1 106

Рисунок П. 8 - Поперечные микротрещины на поверхности шарика подшипника № 1 107

Подшипник № 2 Рисунок П. 9 - Внешний вид деталей подшипника № 2 Рисунок П. 10 - Выкрашивание, внешние поперечные трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 2 108

Рисунок П. 11 - Поверхность внутренней полуобоймы подшипника № 2 Рисунок П. 12 - Внешний вид шариков подшипника № 2 Рисунок П. 13 - Следы от врезания посторонних частиц и разрушение сепаратора подшипника № 2 109

Рисунок П. 14 - Трещины, обнаруженные при магнито-порошковом контроле материал внутренних обойм материал внешней обоймы (продольный шлиф) материал внешней обоймы (поперечный шлиф) Материал шарика Рисунок П. 15 - Микроструктура материала деталей подшипника № 2 110

Рисунок П. 16 - Трещины на беговой дорожке наружной обоймы (продольный шлиф) подшипника № 2 111

Подшипник № 3 Рисунок П. 17 - Внешний вид деталей подшипника № 3 Рисунок П. 18 - Выкрашивания и поперечные трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 3 112

Рисунок П. 19 - Следы проворачивания внешней обоймы подшипника № 3 Рисунок П. 20 - Поверхность внутренней полуобоймы подшипника № 3 Рисунок П. 21 - Внешний вид шариков подшипника № 3 Рисунок П. 22 - Следы от врезания посторонних частиц на сепараторе подшипника № 3 113

Рисунок П. 23 Выкрашивания на шарике Рисунок П. 24 - Выкрашивание на наружной обойме Рисунок П. 25 - Трещины, обнаруженные при магнито-порошковом контроле подшипника № 3 114

Рисунок П. 26 - Микроструктура материала наружной обоймы и трещины подшипника № 3 Рисунок П. 27 - Микроструктура внутренней полуобоймы подшипника № 3 Рисунок П. 28 - Микроструктура шарика по месту выкрашивания подшипника № 3 115

Подшипник № 4 Рисунок П. 29 - Внешний вид деталей подшипника № 4 Рисунок П. 30 - Поперечные трещины на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 4 116

(а) (б) (в) (г) Рисунок П. 31 - Зоны усталостного выкрашивания на беговой дорожке внешней обоймы (а, б, в) и шарика (г); (б) - микротрещина на беговой дорожке внешней обоймы подшипника № 4 117

материал внешней обоймы (продольный шлиф) материал внутренних обойм материал внешней обоймы (поперечный шлиф) материал шарика Рисунок П. 32 - Микроструктура материала деталей подшипника № 4 118

Образец 1 Образец 2 Рисунок П. 33 - Спектральный анализ подшипника №4 Таблица П. 1 Образец 1 Спектр Mg Al V Cr Fe W Спектр 1 2.29 Основа - - 20.49 5.04 Спектр 2 1.08 32.57 1.41 3.96 Основа 6.25 Таблица П. 2 Образец 2 Спектр Mg Al V Cr Fe Cu W Спектр 1 0.57 Основа - 0.83 11.65 0.64 1.03 Спектр 2 - - 1.33 4.63 Основа - 7.48 119

Рисунок П. 34 - Микроструктурный анализ материала детали подшипника внешней обоймы подшипника № 4 120

Подшипник № 5 (а) (б) (в) Рисунок П. 35 - Внешний вид деталей подшипника № 5 (а) (б) Рисунок П. 36 - Внешний вид деталей подшипника № 5 121

(а) (б) (в) Рисунок П. 37 - Характерный участок повреждения поверхности скольжения 122

Спектр C O V Cr Fe Ni Cu W Итог Спектр 1 21.27 3.15 1.15 3.50 62.14 - 1.40 7.39 100.00 Спектр 2 11.02 - 1.15 3.89 77.88 0.40 1.12 4.54 100.00 Спектр 3 14.35 3.31 11.88 4.16 52.19 - 1.16 12.95 100.00 Рисунок П. 38 - Анализируемый РСМА участок поверхности (а) (б) Рисунок П. 39 - Поврежденные («закатанные») при деформации участки поверхностного слоя 123

Внешняя обойма (х200) Значение твердости HV при нагрузке 100 г, от края вглубь шлифа: 1) 812 2) 832; 795; 789 3) 806; 757 4) 796; 796 Валик (х200) Значение твердости HV при нагрузке 100 г, от края вглубь шлифа: 985; 776; 785 Валик(х200) Значение твердости HV при нагрузке 100 г, от края вглубь шлифа: 789; 796 Рисунок П. 40 - Измерение микротвёрдости поврежденного поверхностного слоя 124

(а) (б) Рисунок П. 41 - Фрагмент неразъемного участка контакта «сепаратор (слева) – ролик (справа)» Подшипник № 6 (а) (б) (в) Рисунок П. 42 - Внешний вид деталей подшипника № 6 125

(а) (б) (в) (г) (д) Рисунок П. 43 - Состояние поверхностей сепаратора после наработки подшипника № 6 126

(а) (б) (в) (г) (д) (е) Рисунок П. 44 - Внешний вид роликов после наработки подшипника № 6 127

(а) (б) (в) (г) 128

(д) (е) (ж) (з) Рисунок П. 45 - Повреждение поверхности скольжения наружного кольца подшипника № 6 129

Подшипник № 7 Рисунок П. 46 - Внешний вид деталей подшипника № 7 Рисунок П. 47 - Выкрашивания на внешней обойме подшипника № 7 Рисунок П. 48 - Следы от ложного бринелирования за зоной с выкрашиванием 130

Рисунок П. 49 - Внешний вид внутренних полуколец подшипника № 7 Рисунок П. 50 - Внешний вид тел качения подшипника № 7 Рисунок П. 51 - Внешний вид сепаратора подшипника № 7 131

Подшипник № 8 (а) (б) (в) (г) Рисунок П. 52 - Наружное кольцо подшипника № 8. (а) – следы абразивного изнашивания на внешнем диаметре наружного кольца; (б) – следы вдавливания шариков (стрелки), выкрашивания; (в) – выкрашивание на дорожке качения; (г) – выкрашивания и трещины на внешнем диаметре наружного кольца Рисунок П. 53 - Выкрашивания на поверхности шарика подшипника № 8 Рисунок П. 54 - Поверхность сепаратора подшипника № 8 132

(а) (б) (в) (г) , (д) (е) Рисунок П. 55 - Дорожка качения наружного кольца подшипника № 8: (а) – выкрашивание; (б) – мелкиевыкрашивания, трещина; (в) – следы фреттинга на дорожке качения. Изображение во вторичных электронах; (г) – следы фреттинга на дорожке качения (там же). Изображение в режиме COMPO; (д) – развитие трещин по карбидам. Изображение во вторичных электронах; (е) – развитие трещин по карбидам. Изображение в режиме COMPO 133

(а) (б) (в) (г) Рисунок П. 56 - Результаты РСМА. Вид карбидов в режиме COMPO. (а), (в) – карбиды; (б), (г) – спектры характеристического рентгеновского излучения а б Рисунок П. 57 - Строение вскрытой трещины на дорожке качения наружного кольца подшипника № 8: (а) – развитие усталостной трещины от выкрашиваний на дорожке качения. Двойной стрелкой отмечена глубина дефекта; (б) – переходная зона между усталостным и однократным разрушением а б Рисунок П. 58 - Подповерхностные трещины, развивающиеся от дорожек качения наружных колец подшипников № 8 и № 9 134

Подшипник 9 а б в г Рисунок П. 59 - Наружное кольцо подшипника № 9: (а) – следы абразивного изнашивания на внешнем диаметре наружного кольца; (б) – выкрашивания на дорожке качения; (в), (г) – трещины и выкрашивания на дорожке качения Рисунок П. 60 - Выкрашивания на поверхности шарика подшипника № 9 Рисунок П. 61 - Состояние поверхности сепаратора подшипника № 9 135

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Светлана-Виктория Музафарова

При эксплуатации авиационной техники в условиях повышенных нагрузок и температур, а также коррозионно-активной среды, возникает проблема повреждений подшипников качения. Затронутая проблематика чрезвычайно актуальна и важна, поскольку интенсивность эксплуатации вертолетных двигателей в последние годы увеличилась в связи с освоением новых промышленных регионов, проведением спасательных операц...

почти 4 года назад

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв