Гигацикловая усталость зубчатого колеса турбокомпрессора

   Цель работы — выявление причин преждевременного разрушения зубьев колеса турбо­компрессора Cameron ТА9000 мощностью 1820 кВт после эксплуатационного нагружения до 1,3 • 10⁹ циклов.

   Выполнен анализ химического состава металла зубьев и методами ме­таллографии, микротвердости и оптической микроскопии исследована его микроструктура. Изучен микрорельеф поверхностей разрушения эксплуатационных изломов с помощью электронной сканирующей микроскопии. Химический анализ состава показал, что марка стали зубьев — DIN 31CrMoV9 — соответствует сведениям производителя. Визуаль­ный анализ представленных фрагментов выявил многочисленные трещины на поверхно­стях контакта зубьев. Обнаруженные на изломе очаги усталостного разрушения являются типичными для многоциклового, а также гигациклового усталостного разрушения. В последнем случае обнаруженный очаг имеет вид «рыбьего глаза», в центре которого располо­жена область структурной неоднородности с включениями и порами. Разрушение, вероят­но, развивалось от первого фрагмента зуба к пятому и сопровождалось увеличением числа очагов усталостного разрушения, которое, как известно, связано с повышением амплитуды напряжения. Металлографическое исследование показало наличие приповерхностного упрочнённого слоя толщиной 120 - 200 мкм с дефектной структурой, связанной с выделениями по границам зерен (предположительно карбидов (Fe, Сг)₃С), что могло быть следст­вием нарушения режимов термической обработки шестерни. В приповерхностном упроч­ненном слое происходило образование хрупких межзеренных трещин по поверхности кон­такта, развитие которых на всю глубину слоя стало причиной уменьшения прочности и несущей способности зубьев шестерни. Взаимодействие возникших трещин с продольными микротрещинами, зародившимися на дефектах некачественной механической обработки шестерни, привело к формированию очагов усталостных трещин, развитие которых вы­звало окончательное разрушение нескольких зубьев.

1. Бондаренко С. И. Характер и причины разрушения шестерён дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин / С. И. Бондаренко [и др.] // Вестник ХНАДУ. – 2011. – № 54. – С. 127 - 133.

2. Морозова Л. В. Исследование причин разрушения зубчатых колес в процессе эксплуатации / Л. В. Морозова, М. Р. Орлов // Авиацион­ные материалы и технологии. – 2015. – № S1. – С. 37 - 48. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-37-48

3. Morales-Espejel G. Е., Rycerz P., Kadiric A. Prediction of micropitting damage in gear teeth contacts considering the concurrent effects of surface fatigue and mild wear / Wear. 2018. Vol. 398 - 399. E 99 - 115. DOI: 10.1016/j.wear.2017.11.016

4. Fan Q., Zhou Q., Wu C., Guo M. Gear tooth surface damage diagnosis based on analyzing the vibration signal of an individual gear tooth / Adv. Mech. Eng. 2017. Vol. 9. N 6. E 168781401770435. DOI: 10.1177/1687814017704356

5. Cheng L., Chen L., Li S., Liang T. Fault analysis on bevel gear teeth surface damage of aeroengine / IOP Conf. Sen Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 274. E 012103. DOI: 10.1088/1757-899X/274/1/012103

6. Poursaeidi E., Sanaieei M., Bakhtyari H. Life estimate of a compressor blade through fractography / Int. J. Eng. 2013. Vol. 26. N 4. E 393 - 400. URL: https://www.researchgate.net/publication/269934158_Life_Estimate_of_a_Compressor_Blade_through_Fractography

7. Bates R. C, Clark W. G., Moon D. M. Correlation of fractographic features with fracture mechanics data / Electron Microfractography ASTM Special Technical Publication. 1969. N 453. P 192-214. DOI: 10.1520/STP47362S

8. Bohme S. A., Vinogradov A., Papuga J., Berto F. A novel predictive model for multiaxial fatigue in carburized bevel gears / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2021. Vol. 44. N 8. E 2033 - 2053. DOI: 10.1111/ffe.13475

9. Bohme S. A., Szanti G., Keski-Rahkonen J., et al. Tooth flank fracture — An applied fatigue study of case hardened bevel gears / Eng. Fail. Anal. 2022. Vol. 132. E 105911. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105911

10. Qin S., Zhang C, Zhang В., et al. Effect of carburizing process on high cycle fatigue behavior of 18CrNiMo7-6 steel / J. Mater. Res. Technol. 2022. Vol. 16. E 1136 - 1149. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.12.074

11. Cai S., Sun J., He Q., et. al. 16MnCr5 gear shaft fracture caused by inclusions and heat treatment process / Eng. Fail. Anal. 2021. Vol. 126. E 105458. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105458

12. Bathias C., Paris P. C. Gigacycle fatigue in mechanical practice. — New York: Marcel Dekker, 2005. — 304 p.

13. Ботвина Л. P. Гигацикловая усталость — новая проблема физики и механики разрушения / Л. Р. Ботвина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2004. – Т. 70. – № 4. – С. 41 - 51.

14. Мак-Ивили А. Дж. Анализ аварийных разрушений / А. Дж. Мак-Ивили ; Под ред. Л. Р. Ботвиной. — М.: Техносфера, 2010. — 416 с.

15. Yan Н., Wei P., Zhou P., et al. Experimental investigation of crack growth behaviors and mechanical properties degradation during gear bending fatigue / J. Mech. Sci. Technol. 2022. Vol. 36. N 3. E 1233 - 1242. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s12206-022-0214-7

16. Витязь П. А. Опыт и перспективы использования конструкционных сталей для азотированных зубчатых колес / П. А. Витязь [и др.] / Известия Нацио­нальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. – 2021. – Т. 66. – № 1. – С. 58 - 65. DOI: 10.29235/1561-8358-2021-66-1-58-65

17. Berns Н. Materials for surface layer treatments / Ferrous Materials. — Berlin—Heidelberg: Springer, 2008. E 215 - 248.

18. Лахтин Ю. M. Теория и технология азотирования / Ю. М. Лахтин [и др.] — М.: Металлургия, 1991. — 320 с.