WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 42 |
И.Д. ИБАТУЛЛИН КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Самара Самарский государственный технический университет 2008 1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» И.Д. ИБАТУЛЛИН КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Самара Самарский государственный технический университет 2008 2 УДК 539.538 БКК О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р – д-р техн. наук, проф. Д.Г. Г р о м а к о в с к и й Р е ц е н з е н т ы : д-р техн. наук, проф. Б.М. С и л а е в ;

канд.техн. наук, доц. А.Г. К о в ш о в Ибатуллин И.Д.

Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография / И.Д. Ибатуллин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. – 387 с.: ил.

ISBN Рассмотрен широкий круг вопросов, касающихся исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев при трении.

Описаны физические механизмы развития усталости и кинетика роста внутренней энергии в деформируемых материалах. Изложены существующие и предложены новые расчетные модели изнашивания, методики и технические средства для оценки их параметров. Представлены основы системы управления сроком службы ответственных узлов трения.

Монография ориентирована на студентов старших курсов и аспирантов машиностроительного профиля, изучающих трибологию, а также специалистовтрибологов, занимающихся проблемами разработки, диагностики, испытания и прогнозирования ресурса узлов трения машин.

УДК 539.538 БКК Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета ISBN © И.Д. Ибатуллин, 2008 © Самарский государственный технический университет, 2008 3 ПРЕДИСЛОВИЕ В связи с включением в программы обучения в вузах страны науки о трении – трибологии, появлением новой специальности – инженер-триболог и специализаций, связанных с обеспечением износостойкости узлов трения и восстановлением изношенных деталей, сложился дефицит информации о физике процессов, происходящих в поверхностных слоях, деформируемых трением, кинетике их усталостного разрушения, а также о методах экспериментальной диагностики состояния поверхностных слоев и основных принципах управления сроком службы ответственных узлов трения. Цель данной монографии – осветить проблему усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев трущихся деталей от общих теоретических положений до разработки прикладных методик испытания, инженерных расчетов и прогнозирования долговечности.

Монография предназначена для аспирантов, студентов старших курсов машиностроительного профиля, а также инженеров-трибологов и научных работников, занимающихся проблемами разработки, технического обслуживания, диагностики, испытания и прогнозирования ресурса узлов трения машин. Первые параграфы каждой главы, содержащие аналитический обзор, обобщение и систематизацию разработок, касающихся проблематики данной главы, помогут начинающим (студентам, аспирантам) ознакомиться с имеющимися достижениями и нерешенными проблемами исследования кинетики изнашивания поверхностей. Параграфы, содержащие описание новых подходов и разработок, могут представлять интерес для специалистов-трибологов в плане их обсуждения, практического использования и дальнейшего развития.

При освещении процессов, протекающих при деформации поверхностей, трения рассмотрены синергетические аспекты контактного взаимодействия и усталостного изнашивания материалов. Рассмотрена эволюция диссипативных структур и сложное взаимное влияние различных факторов в процессе развития усталости в тонких поверхностных слоях.

Материалы данной книги являются результатом исследований, выполняемых в научно-техническом центре «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин» и на кафедре «Технологии машиностроения» Самарского государственного технического университета. При подготовке данных материалов использовались результаты, полученные за последние несколько лет в ходе работ по федеральным и региональным научно-техническим программам и договорам с промышленными предприятиями.

Автор считает своим долгом выразить благодарность д.т.н., проф.

Д.Г. Громаковскому, д.т.н., проф. Л.И. Куксеновой, д.т.н., проф. Б.М.

Силаеву и к.т.н., доц. А.Г. Ковшову за обсуждение отдельных частей монографии и ценные замечания; проф. А.А. Торренсу за организацию и проведение совместных исследований в Дублинском университете Тринити Колледж (TCD); д.т.н., проф. В.А. Прилуцкому, к.т.н. С.Ю. Ганигину, Б.В. Гонченко, С.А. Яковлеву С.А. за совместную разработку конструкции склерометрического программно-аппаратурного комплекса; В.Е. Барынкину за разработку и исследование конечно-элементных моделей фрикционного контакта; д.т.н., проф. Р.М. Богомолову и А.С. Бурцеву А.С. за организацию и проведение испытаний в научно-исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш», к.т.н. Н.С. Нассифу за совместные экспериментальные исследования кинетики повреждаемости твердосплавных материалов.

Автор будет признателен за отзывы и пожелания, направленные по адресу: tribo@rambler.ru.

ВВЕДЕНИЕ В последние годы трибология приобретает все больший вес в ряду других технических дисциплин. Общепризнано, что узлы трения являются «слабым» и в то же время ответственным звеном практически любой современной машины. Долговечность трущихся соединений лимитирует срок службы машин, а их безотказность определяет технико-экономическую эффективность, а иногда и безопасность эксплуатации машин. Поэтому методам оценки фактического состояния деталей трущихся соединений и прогнозирования их ресурсных характеристик с целью предотвращения аварийных отказов ответственных узлов и механизмов традиционно в трибологии уделяется повышенное внимание.



Трибология как междисциплинарное направление требует от специалистов априорных знаний в области не только классических наук – механики, физики, химии, материаловедения и др., но также новых, интенсивно развивающихся научных направлений – физики прочности материалов, неравновесной термодинамики, синергетики и др.

Теоретический фундамент последних составляет базу для правильного понимания процессов повреждаемости, происходящих в зоне контакта при трении. Однако их изучению в общетехнических вузах часто уделяется недостаточно внимания. В специальной и учебной литературе по трибологии вопросы кинетики усталостной повреждаемости поверхностных слоев при трении не всегда освещены в достаточном для их полноценного понимания объеме. Монография призвана расширить кругозор читателей по вопросам прочности поверхностных слоев, диагностики состояния и прогнозирования изнашивания материалов, управления сроком службы ответственных элементов узлов трения, а также предложить новые перспективные подходы по дальнейшему развитию работ в этих направлениях.

Изнашивание материалов – результат взаимодействия множества сложных многомасштабных и многоэтапных процессов. В настоящее время известны экспериментальные данные о периодических изменениях ряда физико-механических свойств поверхностных слоёв при трении: микротвердости, плотности дислокаций, контактной жесткости, шероховатости, концентрации химических компонентов, остаточных напряжений и др. Несмотря на высокую научную ценность данных исследований, позволяющих глубже понять физические механизмы изнашивания, получить с их помощью исчерпывающее математическое описание кинетики деградации материала поверхностного слоя пока не удалось. Вопрос о долговечности поверхностей трения, находящихся в условиях сложного спектра разрушающих трибовоздействий, остается наиболее актуальным объектом изучения в трибологии. Классическая наука о прочности – сопротивление материалов, оперирующая традиционными представлениями о существовании некоторого предельного для каждого материала механического напряжения, не может дать на него ответ, поскольку в механических критериях фактор времени как таковой отсутствует. Кроме того, механический подход не позволяет оценить влияние на прочность материалов совокупности воздействий (химических, термических, хемомеханических, электрохимических, радиационных и др.), имеющих немеханическую природу, но способных существенно повлиять на износостойкость материалов. По тем же причинам неприменимой для прогнозирования разрушения является теория Гриффитса, в которой предельное состояние материала связывается с возникновением в его локальной области критической плотности энергии, достаточной для роста трещины. Отмеченные проблемы стимулировали поиск новых представлений о прочности материалов, среди которых наиболее плодотворным оказался кинетический подход, в котором разрушение рассматривалось не как мгновенная потеря несущей способности, а как следствие закономерного изменения физико-химических свойств материалов до потери их устойчивости, т. е. как процесс, имеющий определенную длительность.

Фундаментальные исследования кинетики повреждаемости и длительной прочности конструкционных материалов начались в середине прошлого века благодаря известным работам академика С.Н. Журкова [102-105], проводимым в Ленинградском физико-техническом институте, в которых были заложены основы новой термофлуктуационной теории прочности твердых тел. Им впервые была установлена однозначная зависимость долговечности материалов при ползучести от приложенной нагрузки и температуры, связь между которыми осуществлялась через активационные параметры разрушения – энергию активации и структурно-чувствительный коэффициент. С тех пор вопрос о прочности материалов стал неразрывно связан с фактором времени, а наряду с эмпирической оценкой долговечности материалов впервые появилась кинетическая температурно-временная расчетная модель, позволяющая прогнозировать их ресурс, для чего требовалось лишь оценить при специальных испытаниях активационные параметры разрушения материалов. За рубежом аналогичные работы проводились Дорном. Его школой был разработан ряд оригинальных методик оценки энергии активации пластической деформации материалов, построенных на основе анализа кинетики изменения скорости деформации материалов при ступенчатом изменении действующих нагрузок.

Термофлуктуационная теория прочности нашла развитие в работах В.Р. Регеля, А.И. Слуцкера, Э.И. Томашевского, В.А. Степанова, В.В. Федорова и др. ученых [205-207, 221-223, 242, 243]. Успехи новой теории способствовали ее быстрому проникновению во все отрасли народного хозяйства, связанные с необходимостью прогнозирования долговечности материалов под нагрузкой. Было показано, что уравнение С.Н. Журкова подходит для оценки долговечности не только металлических материалов, но также и полимеров, минералов, древесины при различных механизмах повреждаемости и видах напряженно-деформированного состояния материалов, что естественно привело к попыткам привязки уравнения долговечности С.Н. Журкова к оценке износостойкости поверхностных слоев с учетом специфики их состояния.





Попытки теоретического описания эмпирического уравнения С.Н. Журкова на основе фундаментальных научных принципов продолжаются по настоящее время [4-5]. Наряду с эмпирической оценкой активационных характеристик разрушения материалов длительное время проводились исследования кинетики повреждаемости материалов, основанные на физических методах исследований закономерностей изменения микроструктуры и эволюции дефектов кристаллической решетки вплоть до разрушения материалов. Такие работы проводились в ведущих научных центрах Российской академии наук ИМЕТ, ИМАШ, ЛФТИ и др. известными учеными В.С. Ивановой, Л.М. Рыбаковой, Л.И. Куксеновой, В.И. Владимировым и др. [48, 51, 119, 122, 208, 212]. Интересные результаты в этом направлении, свидетельствовавшие о наличии общих закономерностей эволюции диссипативных систем, Применительно к поверхностным слоям такие исследования проводились …Марченко, Д.Г. Громаковским, А.Г.

Ковшовым и др.были получены томскими учеными Н.А. Коневой, Д.В. Лычагиным, Л.И. Тришкиной, Э.В. Козловым и др. [135-139].

Теоретической основой физических исследований стала теория нобелевского лауреата И.Р. Пригожина [60, 201] об устойчивости и флуктуациях в открытых системах, находящихся вдали от равновесия. Введенные им понятия о диссипативных структурах и их свойствах прочно вошли в современное описание кинетики деградации материалов. На основе описания фундаментальных свойств диссипативных систем можно дать объяснение многим феноменам разрушения материалов, например, циклическому характеру разрушения поверхностных слоев при усталостном изнашивании. Синтезировать накопленный опыт исследования кинетики повреждаемости и разрушения материалов удалось на основе нового междисциплинарного направления – синергетики, основоположником которой является Г. Хакен [252].

В настоящее время исследованию кинетики повреждаемости и разрушения твердых тел посвящено множество работ [16, 34, 44, 55, 96, 100, 105, 107, 223, 242]. Анализ прочности и долговечности материала тонкого поверхностного слоя, деформируемого трением, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели изучение объемных свойств. Исследование активационных характеристик разрушения поверхностных слоев осложнено влиянием на их долговечность множества одновременно протекающих и конкурирующих синергетических процессов, в результате которых проявляется множество специфических поверхностных эффектов: хемомеханического, механохимического, эффектов Ребиндера и др., обусловленных взаимодействием поверхности со средой и их обменом между собой энергией и веществом. Для решения данной задачи важно найти общий теоретический фундамент для построения объективного критерия прочности поверхностных слоев, который позволил бы объединить столь разнородные процессы. Другой проблемой исследования кинетики повреждаемости поверхностных слоев являются малые размеры объекта исследования – толщина модифицированных трением поверхностных слоев зачастую не превышает нескольких микрометров, что затрудняет подготовку образцов для исследования.

Проблема обеспечения надежности узлов трения затрагивает все этапы их жизненного цикла: проектирование, производство и эксплуатацию. Соответственно, ее решение требует системного подхода, что нашло отражение в формировании нового направления в практике разработки и применения технических изделий – организации системы управления сроком службы (ресурсом), в которой основанием для вывода объекта из эксплуатации является не назначенный ресурс, а фактическое достижение им предельного состояния. В научном плане эта задача требует поиска корреляции между свойствами материала, условиями эксплуатации и ресурсом изделий, а её центральным звеном является создание корректных физических и расчетных моделей изнашивания, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований кинетики повреждаемости и разрушения поверхностных слоев.

Практика показывает, что модели изнашивания, в которых не заложена теоретическая база, основанная на фундаментальных законах термодинамики, физики прочности, механики деформируемого твердого тела и др., имеют весьма ограниченную область применения в инженерных расчетах. В качестве универсальной базы для описания изменения состояния поверхностного слоя можно принять синергетический подход и структурно-энергетическую теорию, в которых критическое состояние материала связано с достижением плотности внутренней энергии системы величины энергии активации разрушения, при котором диссипативная система переходит в точку бифуркации.

Согласно современным представлениям о разрушении твердых тел, энергию активации разрушения можно рассматривать как практическую характеристику прочности материалов. Этот подход представляется особенно уместным в трибологии, синтезирующей в себе представления фундаментальных наук о прочности материалов.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.