WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 42 |

- движущийся выступ неровности более твердого материала, вызывающий пластическую деформацию, сопровождаемую накоплением повреждений в материале поверхностного слоя контртела (при абразивном изнашивании), а также разрушение поверхностных пленок (при коррозионно-механическом изнашивании) и микрорезание;

- вспышка энергии при соударении выступов контактирующих поверхностей, вызывающая активацию механических и физико-химических процессов на локальных участках фактического касания;

- термические флуктуации атомов, совершаемые в поле механических напряжений и приводящие к разрывам межатомных связей и образованию микроповреждений, формирующих дефектную структуру в debris-слое (при усталостном изнашивании);

- кинетические фазовые переходы механизмов диссипации энергии, самоорганизующиеся в материале поверхностного слоя при достижении плотности повреждений критического значения. Они характеризуются резкой сменой диссипативных структур и способны вызвать одновременное растрескивание материала поверхностного слоя на микро- и мезоуровне;

- удары твердых частиц по поверхности, инициирующие ее эрозию (при эрозионном изнашивании).

Следовательно, разрушающий фактор может описываться как частота появления (следования) выступов неровностей (величина, обратная среднему шагу неровностей или интервалу времени между двумя контактами); частота появления термофлуктуационных актов разрушения (величина, обратная долговечности атомной связи); частота ударов (величина, обратная времени между двумя ударами); частота появления фазовых переходов (величина, обратная времени до появления точки бифуркации системы) и т. д.

Вероятность разрушения Р неявно присутствует во многих модер лях изнашивания как доля разрушения, приходящаяся на одно появление разрушающего фактора. Часто вероятность разрушения записывают как величину, обратную числу циклов нагружения (деформации) n, вызывающих появление частиц износа:

P = 1 n. (1.47) р Критическое число циклов нагружения часто рассчитывается по эмпирическому закону Мэнсона-Коффина [272, 273] (Д. Арчард, Д.М. Чаллен):

D n = (С ), (1.48) a где С и D – константы материала, – величина деформации сдвига.

а В работе [185] (А.В. Чичинадзе с сотр.) для определения числа циклов до разрушения приводятся аналогичные уравнения для случаев упругого и пластического контактов, которые соответственно имеют вид:

t• t— ђ р n = n =,, (1.49) где – константа, имеющая физический смысл прочности при однократном нагружении, – действующее напряжение, t – коэффициент, у характеризующий усталостные свойства материала, – относительное кр разрывное удлинение при однократном растяжении, – действующее относительное удлинение, t – коэффициент, определяющий усталостп ные свойства материалов в условиях малоцикловой усталости.

При кинетическом описании усталостного изнашивания аналогом параметра n является критическое число поврежденных межатомных связей, приводящих к потере устойчивости материала поверхностного слоя. В работе [64] автор исходил из предположения об одновременном протекании в поверхностном слое при трении двух конкурирующих процессов – усталостного накопления повреждений и восстановления разрушенных связей. Следовательно, вероятность усталостного разрушения должна записываться как произведение вероятностей этих процессов. С учетом исходной поврежденности материала эта вероятность может быть записана в виде P = 1 ( П ). (1.50) р кр р В частном случае параметр Р может принимать значение, равное р 1. При этом подразумевается, что однократное появление разрушающего фактора вызывает разрушение материала поверхностного слоя, что возможно, например, при абразивном изнашивании. Следовательно, появление разрушающего фактора при Р =1 должно рассматрир ваться как условие разрушения материала.

В приведенной общей схеме (1.44) произведение f·P есть матемар тическое ожидание частоты разрушения единичного объема за единицу времени (если принять в качестве количественной оценки Q активируемый объем материала поверхностного слоя V ), которая равна д величине, обратной математическому ожиданию длительности цикла разрушения, т. е.

t =. (1.51) р f P р Таким образом, показано, что количественная характеристика, частота появления разрушающих факторов и вероятность разрушения являются однозначно определяемыми параметрами для различных видов изнашивания.

Однако в настоящее время очевидно, что для адекватного понимания явления изнашивания необходим фундаментальный анализ с позиции физики прочности и пластичности металлов и сплавов.

1.6. РАЗВИТИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ 1.6.1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ Моделирование усталостного процесса постоянно вызывало трудности, связанные с нелинейной зависимостью скорости изнашивания от приложенных нагрузок, температуры и отсутствием четких представлений о взаимосвязи физических процессов, происходящих при этом на разных масштабных уровнях. Несмотря на существующее многообразие моделей, описывающих процесс усталостного изнашивания, единые подходы к анализу этого вида разрушения до сих пор отсутствуют. Поэтому при моделировании изнашивания с целью получения его количественных характеристик базовым является вопрос о выборе схемы расчетной модели, ее физическом обосновании и логико-математической интерпретации, а также о выборе параметров, общих для всех видов изнашивания, имеющих усталостный характер. Эта схема далее составлена на базе накопленных в трибологии теоретических обобщений и феноменологии усталостного разрушения поверхностей при трении.



Обоснование расчетной модели рассмотрим в составе логико-математической структуры, состоящей из следующих этапов.

1. Контактирование поверхностей при трении происходит на дискретных площадках, локализованных на вершинах неровностей (гребнях волн и выступах шероховатостей). На фактических площадках касания развиваются давления, близкие к значению твердости материала, независимо от величины приложенных нагрузок и геометрических характеристик контактирующих поверхностей. При относительном перемещении следующие друг за другом выступы неровностей, деформируясь (вминаясь), огибают выступы поверхности контртела и вызывают импульсный режим нагружения каждого микрообъема, локализованного в поверхностном слое (рис. 1.16, а). При этом каждый участок поверхности подвергается двум видам деформации: пластической – в зонах фактического контакта (в момент прохождения выступа неровности) и упругой – в области сжатия (перед движущимся выступом) и в области растяжения (за выступом) (рис. 1.16, б). Вследствие дальнодействия упругих полей сжатия и растяжения фронт упругих деформаций значительно превышает область фактического контакта, поэтому частота единичных актов упругих деформаций будет выше частоты пластической деформации. Изменение рельефа поверхности и деформация выступов при трении обуславливают непрерывную миграцию точек фактического касания по всей геометрической поверхности контакта случайным образом. Так что за достаточно длительный промежуток времени появление пятна фактического касания равновероятно в любой точке поверхности.

2. Во время фактического контакта происходит приращение пластической деформации материала поверхностного слоя. При этом часть затраченной энергии запасается в материале в виде энергии упругих искажений кристаллической решетки (дефектов) (рис. 1.16, в). Основным видом дефектов при трении являются дислокации, которые в неравновесных условиях самоорганизуются в диссипативные структуры (ячейки, блоки, клубки и т. д.), сменяющие друг друга с ростом плотности дислокаций в детерминированной последовательности. Процесс накопления повреждаемости в материале поверхностного слоя при трении приводит к повышению его внутренней энергии за счет роста связанной и свободной энергий, изменение которых можно описать термодинамическими уравнениями. Зоны фактического контакта рассматриваются как очаги зарождения новых фаз структурных перестроек, самоорганизующихся в материале поверхностного слоя. Развитие каждой новой фазы происходит до полного заполнения объема поверхностного слоя соответствующими диссипативными структурами.

pr u u u н tр t а t И в п hд tк t tц t б г Рис. 1.16. К описанию кинетической модели изнашивания. Эпюры:

действующих при трении напряжений на элементарном участке поверхности (а); неупругой деформации п материала поверхностного слоя (б); изменения внутренней энергии элементарного объема (в); изнашивания (г). На эпюрах обозначены: – давление в области ФПК, tк – время фактического контакта, tц – длительность цикла изнашивания, И – износ.

3. Накоплению дефектов (деформации) подвергается определенный слой (debris-слой), имеющий глубину h мезоскопических размеров.

Образование этого слоя является диссипативным самоорганизующимся процессом, который слабо зависит от исходной структуры материала и контролируется, помимо собственных характеристик материала, совокупностью эксплуатационных условий узла трения (нагрузками, температурой, средой и т. д.). При достижении внутренней энергией u величины энергии активации u диссипативного фазового перехода, ответственного за начало образования микро- и мезоскопических трещин, имеющих порядок размеров частиц износа, начинается фаза усталостного разрушения, которое проявляется как лавинообразное диспергирование материала поверхностного слоя в виде частиц износа на глубину h, охватывающее всю номинальную площадь контакта А (рис. 1.16, г).

а Поэтому объем разрушаемого материала определяется как V = А h. (1.52) д а 4. Общее время фактического контактирования поверхностей при трении t, необходимое для активации разрушения объема V, опрер д деляется параметрами микрогеометрии с учетом вероятностного характера взаимодействия шероховатостей. С учетом того, что вероятность реализации фактического контакта для каждого микрообъема составляет Р= А /А, а длительность контактирования равна t = tР, r a к где t – суммарное время контактирования (при t =t соответственно к р t= t ), общее время до активации усталостного разрушения t (длир р тельность цикла изнашивания) можно найти как t = t /Р = t А /А. (1.53) р р р a r 5. С учетом выражений (1.43, 1.44, 1.52) и требований размерности уравнение для расчета скорости усталостного изнашивания примет вид h A r J = V u - - g. (1.54) 0 э exp R T Как видно, уравнение (1.54) очень близко к расчетной модели изнашивания (1.39). Однако благодаря предложенному переходу от микроскопического масштаба изучаемых явлений к мезоскопическому и представлению о разрушении материала поверхностного слоя как о кинетическом фазовом переходе, затрагивающем весь активируемый debris-слой, стало возможным упрощение расчетной модели. Так, в полученной модели отсутствует необходимость оценки критического количества повреждений, числа фактических пятен касания и других трудноконтролируемых параметров.





Синергетический подход к моделированию изнашивания требует рассматривать активируемый слой как единую синергетическую систему, в которой преобладают коллективные процессы, протекающие одновременно. В работе [139] показано, что диссипативные структуры распространяются по всему объему деформируемого материала, вытесняя структуры предыдущей фазы, пока не заполнят его. Согласно теории, при достижении точки бифуркации разрушение диссипативной системы также должно носить коллективный характер. При трибологических испытаниях это проявляется в том, что диспергирование материала поверхностного слоя за один кинетический цикл изнашивания происходит на участках, превышающих размеры фактической площади контакта.

С целью использования полученной расчетной модели (1.54) в инженерной практике можно принять ряд допущений.

1. Давление в зоне фактического пятна касания, в котором реализуется пластический контакт, приблизительно равно твердости материала, р =N /А Нµ[14,84], где А – площадь фактического контакта, r э r r [мм2]; N – эквивалентная нагрузка, [кгс].

э 2. Эквивалентная нагрузка, действующая на поверхностях деталей при трении, составляет, согласно энергетической теории прочноNэ = FN + 3 F сти,, где F – нормальная, а F – касательная составляюN F = f FN щая действующей нагрузки, [3].

Принимая вышеприведенные положения, выразим площадь фактического контакта через нормальную нагрузку, коэффициент трения и твердость более мягкого материала рассчитываемой пары трения:

F (1+ 3 f ) N А =. (1.55) r H µ С учетом данного выражения запишем уравнение (1.54) в виде h F (1+ 3 f ) N J = V U -, [мм3/ч]. (1.56) H exp µ R T Из полученного выражения видно, что для выполнения инженерных расчетов на износ необходимо задать действующие значения внешних факторов: температуры и нагрузки Т,, F ; а также экспериN ментальным путем, после приработки поверхностей, оценить коэффициент трения f, толщину debris- слоя h и собственные характеристики изнашиваемого материала U,, Нµ.

При использовании следующих размерностей параметров модели:

h [мм]; N [кгс]; Нµ, [кгс/мм2]; [кг/м3]; U [кдж/моль]; [кдж·мм2/моль·кгс] выражение (1.56) будет иметь размерность [мм3/ч]. На основе расчетной модели (1.56) можно получить следующие вариации для оценки скорости линейного J и весового J изнашивания:

h m h (1+ 3 f ) J = h U -, [мм/ч]; (1.57) H exp µ R T 2 - h F (1+ 3 f ) 3600 N J = m U -, [кг/ч]. (1.58) H exp µ R T Для оценки достоверности полученных моделей изнашивания производили расчет скорости линейного изнашивания антифрикционного материала БрАЖН 10-4-4 в заданных условиях трения по формуле (1.57).

Для расчетов были приняты следующие исходные данные, соответствующие условиям работы бронзовой втулки шасси самолета ТУ-134:

- внешние факторы – T= 300 K, =0,15,0кг/мм2;

- режим трения – f=0,1, смазка – ЦИАТИМ-203;

- характеристики материала – Нµ=220кг/мм2, h=1,5·10-3мм, U = 85 кДж/моль, = 0,386 кДж·мм2/моль·кг;

- постоянные – =10-12 с, R= 0,008314 кДж/моль ·К.

Сопоставление расчет J, [мкм/час] 0,ных и экспериментальных результатов оценки скоро 0,сти изнашивания бронзы 0,БрАЖН 10-4-4 приведено на рис. 1.17. Как видно из 0,рисунка, кривая изнашивания, полученная из фор 0,мулы (1.57) (на рисунке обозначена серыми кру 10 20 30 40, МПа жочками), удовлетвориРис. 1.17. Результаты оценки зависимости скорости изнашивания БрАЖН 10-4-4 от тельно совпадает с данныдействующей нагрузки: – поле значений по ми, полученными экспеданным эксплуатации; – результаты стендовых испытаний; – расчет по формуле риментальным путем, что (1.38); – расчет по предложенной модели обосновывает возможность практического использования полученных моделей. Согласно [185], зависимость скорости усталостного изнашивания при упругом и пластическом контактах от удельной нагрузки имеет вид степенной функции Jрn, где n>1. Можно отметить, что форма кривой, рассчитанной по формуле (1.57), наиболее близка к данной зависимости.

Для повышения точности расчетного прогнозирования скорости изнашивания можно использовать метод, предложенный Ю.П. Самариным [214, 274], в котором устанавливается взаимосвязь между характеристиками реального объекта (узла трения) и его модели.

1.6.2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ Для возможности практического использования расчетных моделей изнашивания (1.56-1.58) кинетического типа необходимо выяснить физический смысл и методы оценки используемых параметров.

Полученное выражение, как видно из формулы, содержит константы (R, ), величины внешних факторов, влияющих на процесс изнашивания (Т, ), активационные характеристики материалов (U, ), а также геометрические характеристики разрушаемой зоны (А, h).

r Оценка констант в данной расчетной модели не вызывает значительных затруднений. Для всех материалов пар трения принимаем значение R=3,14·10-3 кДж/(моль·К) [53]. Согласно исследованиям [207, 221], величина постоянной времени составляет 10-13±1 [c] и сохраняет свое значение для всех материалов, т. е. является универсальной константой. Широкий разброс значений связан с необходимостью применения дальних экстраполяций при его вычислении.

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 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.