WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 42 |

Такой же порядок имеет период тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, поэтому постоянной времени был присвоен этот физический смысл. Предельность величины обуславливается также конечностью скорости распространения деформационной волны, вызывающей разрушение материала. В некоторых работах [123, 133], согласно указанному физическому описанию, величина (k ) h определяется аналитически по формуле = h T, где – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана. При расчетах на изнашивание наибольшее соответствие экспериментальных результатов теоретическим прогнозам [64, 101] чаще всего дает величина =10-12с. Однако постоянную времени константой можно назвать лишь условно. Её величина, как показали исследования В.В. Федорова [242], находится в сильной зависимости от гидростатических напряжений, которые неизбежно возникают в зоне контакта при трении. При этом значение может возрастать до 10-6 с. В работе [243, с.135] приводится выражение для расчетной оценки предэкспоненциального множителя, представляющее собой сложную зависимость от температуры, начальной плотности скрытой энергии, химического потенциала дефектов, шаровой части тензора напряжений и др. параметров.

При применении предложенной расчетной модели значения внешних факторов определяются следующим образом. Абсолютная температура Т находится экспериментально после этапа приработки поверхностей. Системный подход, использованный при моделировании изнашивания, при котором материал поверхностного слоя рассматривается как единая термодинамическая система, позволяет оценивать Т как среднюю температуру на поверхности трущихся тел.

Действующую нагрузку в контакте можно рассчитать аналитически как эквивалентное напряжение, отображающее энергию нормальных и касательных воздействий.

Площадь фактического касания А может оцениваться экспериr ментально после приработки поверхностей, а также расчетными методами [92]. Для приближенной оценки площади фактического касания можно использовать выражение (1.55). На современном этапе развития учения о площадях контакта определение величины А не r составляет принципиальной сложности.

hд Более сложной является оценка толщины debris-слоя. Полуэмпирический метод определения толщины разрушаемого слоя был предложен Дж. Т. Барвеллом. Согласно его исследованиям, если напряжения на контакте меньше 1/3 твердости более мягкого образца в паре, то толh = KLp h щина разрушаемого слоя равна, где р – среднее нормальное K L напряжение на контакте, – коэффициент, – путь трения. Объективhд ная трудность расчетного прогнозирования величины состоит в том, что дебрис-слой формируется в процессе трения за счет развития в поверхностном слое самоорганизующихся диссипативных структур, размеры которых до этапа приработки определить весьма сложно. Поэтому долгое время единственным надежным способом оценки этого параметра оставалось экспериментальное измерение толщины разрушаемого слоя при испытаниях на изнашивание. Для ускорения определения этого параметра в работе [64] использовался рентгеноструктурный анализ поверхностного слоя с оценкой изменения плотности дефектов по глубине.

Новое и перспективное направление в прогнозировании толщины дебрис-слоя, развиваемое в СамГТУ [20, 22], состоит в компьютерном моделировании контактного взаимодействия двух шероховатых поверхностей. Для этого используется программный комплекс ANSYS, позволяющий на основе конечно-элементного моделирования наглядно получать практически все существенные данные о распределении напряжений, деформаций и перемещений материала поверхностного слоя.

Анализ возможных путей описания реальных элементов пар трения их конечно-элементными моделями показал целесообразность использования метода последовательного приближения путем построения двухуровневых моделей. На первом уровне учитывается макрогеометрия поверхностей и определяется распределение в зоне контакта средних значений напряжений и деформаций материала поверхностных слоев. На втором уровне задаются параметры микрогеометрии поверхностей трения и оценивается область локализации диссипативной системы, в которой происходит рассеивание энергии за счет процесса пластической деформации поверхностных слоев.

Приведем пример использования ANSYS при конечно-элементном моделировании фрикционного контакта шероховатых поверхностей пары трения «втулка – цапфа» опоры бурового долота. Для этого решалась плоская задача в осесимметричной постановке. В качестве исходных данных были приняты следующие параметры: диаметр цапфы 50 мм; наружный диаметр втулки 54 мм; материал цапфы – легированная сталь с пределом текучести =т Па и тангенциальным модулем 31010 Па. Модуль Юнга 21011; материал втулки – бериллиевая бронза БрБ2 с пределом текучести Рис. 1.18. Эквивалентные напряжения по Мизесу в =290106 Па и тангенциальным модулем т контакте пары «втулка – цапфа» опоры бурового долота в виде элементного решения 5109 Па. Модуль Юнга 1,11011; средняя нагрузка, действующая на одну опору, Р 4000 кгс (4104 Н).

Модель первого уровня для данной пары изображена на рис. 1.18.

С её помощью определяем номинальную площадь контакта, средние и максимальные значения контактных напряжений и деформаций. В результате проведенного расчета было выявлено, что максимальные напряжения (40 МПа) локализуются в нижней части пары трения на секторе величиной 70°.

Основываясь на полученных данных, строим конечно-элементную модель исследуемой пары трения второго уровня, в которой описываются участки сопряженных материалов поверхностного слоя толщиной 10 мкм и базовой длиной 100 мкм, локализованные в наиболее напряженном секторе пары трения «втулка – цапфа» и имеющие характерную для данной пары микрогеометрию (рис. 1.19). Относительно малые размеры выбранных участков позволяют рассматривать среднюю линию контакта как прямолинейную. При моделировании задаются параметры микрогеометрии поверхностей трения и оценивается локализация диссипативной системы, в которой происходит рассеивание энергии за счет процесса пластической деформации. Характер модельной поверхности, отображающей реальный геометрический профиль цапфы и втулки, показан на рис. 1.19, а (шероховатость R =1), а поля напряжеz ний и деформаций в зоне контакта – соответственно на рис. 1.19, б, в.



hд 10 мкм а б в Рис. 1.19. Общий вид модельных поверхностей втулки и цапфы опоры бурового долота (а), распределение полей напряжений (б) и неупругих деформаций (в) в зоне контакта Особенностью модели второго уровня является то, что в ней решается обратная задача, когда по заданным параметрам микрогеометрии реальных поверхностей строится модельная конечно-элементная поверхность с требуемой шероховатостью. Для этого задается средняя линия профиля, в пределах которой строятся пять самых высоких вершин Rz и пять самых низких впадин, в среднем дающих заданное значение.

При этом на генерируемом профиле присутствуют и другие микроотклоRmax нения с учетом следующих дополнительных исходных параметров:

– расстояние между линией выступов и линией впадин; m – средняя линия профиля и S – средний шаг выступов.

Для возможности учета волнистости поверхностей в программе f ( х) = Аcos( t + ) средняя линия профиля описывается косинусоидой, А где – амплитуда колебаний; – частота колебаний; t – переменная;

0 f ( х) A 0 – начальная фаза. При 0 и функция вырождается в ровную линию.

Максимальное приближение полученной модели к реальной поверхности достигается тем, что точки модельной профилограммы строятся с учетом случайного распределения значений параметров микрогеометрии. Для этого исходные средние значения параметров Rz Rmax,, m и S подвергают тарированной осцилляции в заданном интервале значений при помощи генератора случайных чисел. При этом координату Х можно представить как шаг S, равный номинальному значению плюс-минус случайное число из интервала [- S1 = S 10; S2 = S 5 ], а к координате Y будет добавляться случайное число из промежутка [- Rz ;Rz ]. Таким образом, имеется возможность генерировать бесконечно большое число реализаций модельных поверхностей с заданными характеристики микрогеометрии. Это позволяет проводить необходимое для статистической обработки число оценок параметров контактного взаимодействия исследуемой пары трения.

После построения моделей шероховатых поверхностей на контакт прикладывается нагрузка, определенная с помощью модели первого уровня (40 МПа), в результате чего программа рассчитывает распределение напряжений и деформаций в поверхностных слоях с учетом дискретности фактического контакта. На рис. 1.19, в показана область поверхностного слоя бронзовой втулки, охваченная пластическими деформациями. Глубина этой области (обозначенная белой линией) определяет величину h, которая в данном примере равна h д д 2...3 мкм, что хорошо соответствует экспериментальным данным.

Основным препятствием к использованию кинетических расчетных моделей долгое время являлось отсутствие методик оценки активационных характеристик разрушения модифицированного материала поверхностного слоя: энергии активации U и структурно-чувствительного коэффициента. Большинство сведений об этих характеристиках в современной литературе относятся к материалу в объеме и разрушению материалов в условиях ползучести. В работах отечественных ученых [207, 221] для оценки энергии активации разрушения использовался метод испытаний на длительную прочность. На основе многочисленных экспериментов было установлено, что уравнение долговечности С.Н. Журкова позволяет рассчитать время до разрушения образца (разрыва, скола) независимо от схемы напряженного состояния (сжатие, растяжение, сдвиг или их комбинации) и природы материала. Было установлено, что энергия активации u зависит только от свойств материала, но не зависит от его структуры, степени упрочнения и наличия примесей. Величина энергии активации разрушения материала приблизительно равна энергии активации субл сублимации (испарения) атомов с поверхности тела u u 0 [кДж/моль] и является постоянной характеристикой прочности для данного материала. Структурно-чувствительный коэффициент – единственный параметр уравнения, отражающий структуру и степень предварительной деформации (наклепа) материала. Этот параметр, в отличие от энергии активации, не является константой.

Параллельные исследования активационных характеристик процессов ползучести и разрушения материалов проводились западной школой под руководством Дорна [132, 257]. В используемом ими кинетическом уравнении скорости ползучести отсутствовало разделение эффективной величины энергии активации u() на составляющие u и. Напряжение целиком ушло в предэкспоненциальный множитель, что, по справедливому мнению ряда исследователей, нарушает физический смысл напряжения как фактора, оказывающего влияние на величину потенциального барьера. Иной была и процедура исследований, описание которой представлено в обзоре. Исследование Дорна показало следующее:

- величина энергии активации не является константой, а в зависимости от температуры образца может принимать дискретный ряд устойчивых значений, что отражается «ступеньками» на ее температурной зависимости (см. рис.1.14);





- значение энергии активации определяется ведущим механизмом деформации материала. С повышением температуры каждый последующий механизм деформации имеет большее значение энергии активации;

- величина энергии активации не зависит от внешних приложенных напряжений;

- значение энергии активации при низких гомологических температурах зависит от структуры, состава материала и примесей (с повышением температуры это различие исчезает);

- энергия активации разрушения материалов равна энергии активации их высокотемпературной ползучести.

Из приведенных результатов, полученных двумя различными школами, занимающимися изучением кинетических параметров материалов, видно, что наряду с их общими и дополняющими друг друга выводами присутствуют и противоречивые заключения. Природа этих противоречий может быть объяснена разным методологическим подходом к оценке активационных характеристик.

В работе [207] было показано, что активационные параметры металлических материалов зависят от схемы напряженно-деформированного состояния. Наложенные касательные напряжения понижали величину энергии активации. Кроме того, установлено [151], что прочность материалов существенно зависит от состава внешней среды, однако количественные оценки активационных характеристик по результатам экспериментальных исследований с учетом влияния среды в настоящее время отсутствуют.

Из приведенного анализа вытекает, что имеющиеся данные оценки активационных параметров разрушения материалов недостаточны для проведения расчетов на износ, так как они не учитывали ряд существенных факторов: влияния среды, модификации и т. д. Методики их экспериментального определения и интерпретация их физического смысла также требуют дальнейшего совершенствования.

С учетом вышеизложенного в табл. 1.4 приводится связь параметров расчетной модели (1.57) с факторами, оказывающими влияние на процесс усталостного изнашивания материала поверхностного слоя. Из таблицы видно, что полученная модель учитывает все основные факторы, в том числе температуру, нормальную нагрузку, коэффициент трения, влияние среды, прочность и структуру изнашиваемого материала, самоорганизующиеся диссипативные процессы и другие характеристики.

Таблица 1.Взаимосвязь параметров модели с различными факторами, влияющими на процесс изнашивания Факторы изнашивания Чувствительные параметры модели Температура T, u, g Скорость трения Т, f Нагрузка, h, f, N g Состав внешней среды Степень упрочнения Нµ Шероховатость f, h, Структура поверхностного слоя, u 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Несмотря на большие достижения в области теоретического и экспериментального анализа повреждаемости и разрушения материалов, прочность конструкционных металлов и сплавов продолжает оставаться фундаментальным вопросом исследований физики и механики твердого тела и актуальной проблемой современного машиностроения.

Физика прочности рассматривает разрушение материалов как заключительную фазу закономерно развивающегося во времени многомасштабного и многоэтапного процесса повреждаемости, сопровождаемого, в общем случае, различными синергетическими эффектами [69, 120, 135, 260]. В этих работах показано, что фундаментальные термокинетические процессы, происходящие на атомарном [102, 207, 243], нано- и мезоскопическом [39, 137, 138-142] уровнях вносят необратимые изменения в кристаллическую решетку металлов задолго до появления внешних признаков разрушения (зародышевых микротрещин), различимых для традиционных неразрушающих методов контроля.

В трудах Я.И. Френкеля, С.Н. Журкова и др. [207] была показана фундаментальная роль кинетических термофлуктуационных актов, совершаемых на атомарном уровне, во всех химических, физических и механических процессах, происходящих внутри и на поверхности твердых тел2. Понятие о совместном действии колебательного и скачкообразного движения атомов и молекул как элементарном физическом механизме атомно-молекулярных перегруппировок легло в основу современной молекулярно-кинетической теории и термофлуктуационной концепции прочности материалов.

Однако изучение процессов лишь на атомарном уровне не позволяет адекватно описать все наблюдаемые явления на макроуровне.

Атомарный уровень, согласно эргодической гипотезе [53], каждое мгновение «забывает» исходное состояние, в то время как деформируемое твердое тело является сложной синергетической системой, проявляющей свойства саморегулирования, гомеостаза, самоорганизации, адаптивности и функциональности. Вопреки ожидаемому растущему хаосу, как показано в работах [120, 135, 137] Для обозначения фундаментального процесса флуктуирования внутренней энергии материалов на микроуровне В.Р. Регель и А.И. Слуцкер [206] ввели понятие «динамическая гетерогенность».

, в материалах, находящихся вдали от равновесия, происходит самоорганизация и эволюция дислокационных диссипативных субструктур, развивающаяся в строгой иерархической последовательности. Известно, что возле каждого очага разрушения, будь то вершина растущей трещины или деформируемый трением поверхностный слой, самопроизвольно формируется определенная, характерная только для данных условий диссипативная система. «Кирпичики» этой системы – диссипативные структуры являются объектами надатомарных нано- и мезоскопического масштабных уровней. Установлено, что их фундаментальными свойствами являются: время существования, пространственная локализация и фрактальная размерность [120].

Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 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.