WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 15 | 16 || 18 | 19 |   ...   | 42 |

А тр = u - g. (2.48) V аи dt Умножив числитель и знаменатель левой части (2.48) на, выражение можно записать в виде А W dt тр тр = = u - g, (2.49) dt V аи аи где W – мощность трения, кДж/с; – скорость абразивного изнатр аи шивания, моль/с; u - g – отнесенная к молю энергия активации пластической деформации поверхностного слоя. Таким образом, для оценки скорости и интенсивности абразивного изнашивания из (2.49) можно вывести следующие зависимости:

V W V µ Рv m тр m ск = =, [мм3/с]; (2.50) аи U (Т ) U (Т ) 0 1 V V аи аи J = = =, [мм3/кДж]. (2.51) аи U (T ) А µ РL 0 тр Первое выражение идентично зависимости, полученной В.В. Федоровым для абразивного изнашивания – шлифования. Второе совпадает с уравнением для оценки интенсивности абразивного изнашивания, предложенным В.Д. Кузнецовым.

Основной целью получения кинетических зависимостей (2.45), (2.46), (2.50) является их использование при прогнозировании ресурсных характеристик деталей машин. С учетом (2.45) технический ресурс деталей составит:

- при усталостном изнашивании 2 - V n k 1+ 3 f ± G U И И t И 0 n m дин н кр пр пр ц пр Т = = = exp = уи И И RT уи ц ц (2.52) И (U - U );

пр кр т= И U ц - при контактной усталости 2 U0 - Vmnдинkн 1+ 3 f ± G Uкр (Uкр - Uт2) n кр Ткфу = exp = = 0 ; (2.53) RT U2 U - при абразивном изнашивании И И А U (Т )кр кр n абр Т = =, (с). (2.54) с.абр W V абр тр м 2.5.4. ОЦЕНКА АКТИВАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Суть всех методов экспериментальной оценки величины энергии активации разрушения сводится к тому, что в изучаемом материале различными способами вызывают состояние неустойчивости, способной привести его к вынужденному разрушению, и оценивают при этом его энергетические характеристики. Экспериментальная оценка энергии активации разрушения материалов, как следует из энергетического условия прочности (2.30), может выполняться рядом способов. Традиционным является термокинетический метод, состоящий в оценке времени до разрушения образцов под нагрузкой при определенных и T. После этого экстраполируют зависимости lgt = f (1/T ), p в точке их пересечения находят ln и по найденным значениям рассчитывают эффективную энергию активации u( ) = u0 - - g, представляющей собой работу термических флуктуаций, затрачиваемую на разрушение материала:

t р U( ) = U - - G = 2,31RT lg. (2.55) ) Далее, экстраполируя зависимости U( = f ( ), полученные при = различных T, получают значение функции в точке, которое приравнивают к величине энергии активации разрушения материала u. Такой подход использовали В.Д. Регель, А.И. Слуцкер [207] и др.

Оценка энергии u0 может также выполняться за счет механической активации разрушения материала. Этот подход в настоящее время развивается в НТЦ «Надежность» СамГТУ [68, 74, 81, 85, 78]. Для этого запишем (2.55) в виде t р u (T ) = u - 2,31RT lg - g =. (2.56) 0 В правой части (2.56) стоит изотермически затраченная работа на пластическое оттеснение испытываемого материала. Эту работу можно представить как площадь под кривой «напряжение – деформация при любых видах неупругого воздействия на материал, в т. ч. при микропластических деформациях. Так, В.В. Федоров оценивал энергию активации разрушения материалов при усталости по площади, описываемой петлей упругого гистерезиса при циклических воздействиях. При высоких нагрузках основная работа по разрушению материала совершается t полем механических напряжений; поскольку, вклад термичер ских флуктуаций становится малым, хотя и не нулевым. Для определения активационных характеристик данным способом необходимо оцеu(T) нить значения на сухой поверхности при различных температурах.

(T ) (T ) Затем по углу наклона зависимости u = f найдем изменение эн (T) тропии поверхностного слоя s = uT :

u(T ) u (T ) = tg. (2.57) T T uT (T ) Из (2.56) можно выразить как t р u (T ) = - 2,31R lg, кДж/К. (2.58) T Приравнивая (2.57) и (2.58), находим постоянную времени 0 :

t d р a = = 0 UT ( T ) UT ( T ), с, (2.59) - 2,31R - 2,31R 10 v d vd где da – среднее межатомное расстояние, м; – скорость абсолютной деформации сдвига материала, м/с.

С учетом (2.56) структурно-чувствительный коэффициент можно определить как U(T ) =, мм3/моль. (2.60) Для оценки изменения внутренней энергии поверхностного слоя g за счет взаимодействия с внешней средой требуется нанести на поверхность граничный слой смазочного материала и повторно (T ) произвести оценку энергии активации u при различных темпера0 м турах. После этого для каждой температуры согласно (2.56) получим:

g = u (T ) - u (T ). (2.61) 0 м g В общем случае является нелинейной функцией температуры и свойств смазочного материала.

Для реализации описанного способа экспериментальной оценки энергии активации разрушения поверхностных слоев оказался эффективным известный метод склерометрии [68, 74, 81, 85, 115 и др.].

Следует отметить, что приведенные способы не охватывают все возможные варианты оценки активационных характеристик. Любой немеханический и нетермический разрушающий фактор (электромагнитный, радиационный, химический и т. д.), выраженный в удельных единицах энергии и представленный в модели как изменение потен g циала, позволит корректно произвести оценку активационных характеристик разрушения. Однако следует учитывать, что один и тот же материал в зависимости от внешних и внутренних факторов может иметь целый спектр активационных параметров, поэтому характер неустойчивости материала при исследованиях должен соответствовать эксплуатационному.



2.5.5. ОПТИМИЗАЦИЯ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ СЛОЖНЫХ ФОРМАХ ИЗНАШИВАНИЯ Одним из важнейших вопросов при обеспечении надежности узлов трения на этапе изготовления является обеспечение механических свойств материалов, оптимальных при заданных условиях эксплуатации. В целях повышения долговечности узлов трения, как правило, применяются те или иные методы упрочнения конструкционных материалов, приводящие к повышению их твердости. Однако известно, что между повышением твердости и ростом долговечности материалов в общем случае корреляция отсутствует, более того, высокая степень упрочнения часто способствует проявлению при эксплуатации аномальных форм усталостного разрушения. Причиной этому является уменьшение запаса пластичности материалов в процессе упрочняющих технологий, усугубляемое продолжением их охрупчивания при эксплуатации. Исчерпание пластичности является критическим состоянием материала, вызывающим его хрупкое разрушение. Таким образом, при обеспечении твердости и пластичности материала для решения проблемы обеспечения высокой долговечности важно оптимизировать значения каждого из параметров.

Критическое значение энергии активации пластической деформации является постоянной характеристикой материала, но ее исходным значением можно в определенной степени управлять технологическими мерами. Эксперименты показали, что в некотором диапазоне твердостей упрочнение вызывает почти линейный рост энергии активации пластической деформации. Однако, чтобы выбрать оптимальное значение этого параметра, необходимо учитывать кинетику роста энергии активации в результате накопления дефектов под действием ведущего механизма повреждаемости.

Как правило, при эксплуатации тяжелонагруженных узлов трения их детали подвергаются одновременно нескольким видам разрушающих воздействий, что зачастую выдвигает противоречивые требования к свойствам материалов. Так, повышение энергии активации пластической деформации уменьшает абразивный износ материалов, но способствует развитию фрикционной усталости. Такие условия характерны, например, при эксплуатации буровых долот, сельскохозяйственного оборудования и т. д. Аналогичная проблема возникает при эксплуатации тяжелонагруженных подшипников качения или железнодорожных колесных пар и рельсов, когда нормальное усталостное изнашивание конкурирует с процессом контактной усталости. Первый процесс сосредоточен в тонких поверхностных слоях толщиной несколько микрометров, второй – на относительно большой глубине, доходящей до нескольких миллиметров. Кинетика протекания данных видов повреждаемости в общем случае не одинакова, что требует различной исходной доли запаса пластичности.

В рассмотренных случаях долговечность материалов лимитируется наиболее активным видом изнашивания, а наибольшая долговечность материалов будет соответствовать некоторому оптимальному состоянию материала поверхностного слоя, при котором интенсивность повреждаемости материалов за счет конкурирующих механизмов будет приблизительно равной. В противном случае относительное повышение стойкости к одному виду повреждаемости неизбежно приведет к соответствующему общему снижению долговечности за счет другого, конкурирующего механизма разрушения. Поэтому критерий оптимальности для выбора исходных значений энергии активации пластической деформации деталей узлов трения можно сформулировать как равенство скоростей изнашивания поверхностных слоев при различных механизмах повреждаемости. Так, для трех видов изнашивания: абразивного, усталостного и контактной усталости, которые в общем случае имеют различную кинетику протекания (рис. 2.5), рассматриваемый критерий оптимальности можно записать в виде = =, (2.62) уи кфу аи где средние скорости изнашивания материалов соответственно при абразивном изнашивании, контактной усталости и нормальном усталостном изнашивании составляют:

И И И пр пр пр = tg = = tg = = tg =,,. (2.63) аи кфу уи Т Т Т аи кфу уи Из (2.62) и (2.63) получаем Т = Т = Т. (2.64) уи кфу аи С учетом (2.52-2.54) можно за писать соотношение И (u - u ) (u - u ) пр 0 т1 0 т = = И u u ц 1 Рис. 2.5. Характерные эпюры (2.65) различных видов изнашивания И А u пр n т =, (пунктиром обозначены средние - W V тр м скорости изнашивания) где u1 и u2 – скорости накопления энергии повреждаемости материала поверхностного слоя при нормальной усталости и контактной фрикционной усталости соответственно.

Используя полученное равенство, можно находить оптимальные значения энергии активации пластической деформации поверхностных слоев при совокупном влиянии двух разрушающих факторов.

Так, п ри совместном действии абразивного и усталостного видов изнашивания (рис. 2.6, а-г) оптимальное значение энергии активации u m можно определить из выражения u u = т Н u A кр 2 n. (2.66) 10 + W V тр m а б в г д е Рис. 2.6. Сложные виды изнашивания.

Совместное абразивное изнашивание и контактная усталость:

бериллиевой бронзы БрБ2 (а, б); наплавленного стеллита (в, г). Совместное действие фрикционной и контактной усталости ролика высокооборотного шарошечного долота (д, е) В случае совместного действия усталостного изнашивания и контактной фрикционной усталости (рис. 2,6, г, д) оптимальное значение энергии активации пластической деформации можно оценить из выражения И t u пр р u = u, (2.67) т h ц где Uкр – энергия активации разрушения материала, кДж/моль; tр – длительность одного кинетического цикла разрушения поверхностно hц Uго слоя, с; – толщина дебрис–слоя, м; – скорость накопления энергии повреждаемости в слое, подверженном контактной фрикционной усталости, кДж/с·моль.





2.5.6. ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Одним из критериев оценки прогностической способности кинетических моделей разрушения материалов является проверка их адекватности при выводе из них, в предельном случае, силовых критериев прочности, которые можно подвергнуть экспериментальной проверке. Именно такая проверка в начале прошлого века – на заре развития науки о прочности – показала, что теоретическая прочность не соответствует экспериментальным данным, показав несостоятельность представлений того времени об идеальном кристаллическом строении металлов, что обусловило бурное развитие теории дефектов. В настоящее время известно, что понятие предельных напряжений без учета фактора времени, в общем случае, не имеет смысла, поскольку закономерности повреждаемости материалов, деградирующих в процессе эксплуатации, не отвечают временной симметрии.

При этом большинство замедленных процессов повреждаемости (усталость, изнашивание, старение, ползучесть) приводят к разрушению материалов при вполне умеренных механических напряжениях, не превышающих предела упругости.

Решая условие разрушения (2.30) относительно напряжения, получим t u - TR ln - u - e + g 0 н упр. (2.68) * = - *V m Пренебрегая влиянием среды ( g =0), энергией упругих напряжеЕу ний ( =0) и начальной поврежденностью ( uн =0), получим силовой критерий в виде t u - TR ln, (2.69) * = * где – критическая амплитуда напряжений, вызывающая разрушение образца после наработки в течение времени t, u0 – энергия активации T разрушения материала, – абсолютная температура, – структурночувствительный коэффициент, 0 – период колебаний атомов.

Если нагружение происходит циклически, то в кинетических выражениях фактор времени следует выражать через число циклов наN гружения при помощи подстановки:

t = Nt, (2.70) где t – фактическая длительность нагружения за цикл. Так учитывается «скважность» нагружения. При симметричных циклах нагружения t1 равно половине периода нагружения Т, тогда NТ N t = =, (2.71) 2 2 f f где – частота нагружения, Гц.

Пример адекватности расчетной модели (2.69) проиллюстрирован рис. 2.7, содержащим результаты экспериментальной оценки (показаны точками) числа циклов до разрушения стальных образцов при стандартных усталостных испытаниях, а также расчетные (показаны сплошными линиями) усталостные кривые. Усталостные испытания выполнены А.Л. Берсудским [115]. Испытывались четыре вида круглых образцов с надрезом из стали 12Х: 1) после отжига и шлифования; 2) после шлифования и упрочнения гидродробью; 3) после шлифования, упрочнения обкаткой и нанесения медьсодержащего покрытия; 4) после упрочнения гидродробью и микрошариками. При расчетах использовались следующие экспериментальные данные: энергия uактивации разрушения =79 кДж/моль; средняя температура образf цов при испытаниях T = 333 К; частота нагружения =50 Гц; постоянная времени = 10-8 с; структурно-чувствительные коэффициенты = u0 Hµ для образцов 1…4 соответственно составляют: = 0,046, = 0,, = 0,031, = 0,03. С учетом выражений (2.69-2.71) получены 2 следующие зависимости для оценки критических напряжений (номера выражений соответствуют образцам):

1. = (79-0.008314*333*(log(N)-log(2*50*0.00000001)))/0.046 МПа;

2. = (79-0.008314*333*( log(N)-log(2*50*0.00000001)))/0.033 МПа; (2.72) 3. = (79-0.008314*333*( log(N)- log(2*50*0.00000001)))/0.031 МПа;

4. = (79-0.008314*333*( log(N)- log(2*50*0.00000001)))/0.03 МПа.

В случае атермического разрушения при t критерий вырождается в равенство u * =. (2.73) Последнее выражение можно считать приемлемым только при оценке максимальных напряжений, близких к истинной прочности на разрыв, когда разрушение происходит с предельной для данного материала скоростью, каковой считается скорость распространения звуковых волн. В работе [170] показано, что при эмпирической оценке структурно-чувствительного коэффициента расчетная прочность конструкционных материалов практически не отличается от реальной.

Рис. 2.7. Расчетные (линии) и экспериментальные (точки) зависимости числа циклов до разрушения от амплитуды переменных напряжений при усталостных испытаниях стальных образцов [115] 2.5.7. УЧЕТ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ В КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ Особый интерес в механике разрушения представляет фактор времени. С ним связан широкий круг задач по прогнозированию долговечности конструкционных материалов и управлению сроком службы изделий. В работе [206] было отмечено, что «установление закономерностей эволюции системы требует введения в уравнение механического состояния фактора времени». Исследованию взаимосвязи времени с параметрами прочности посвящено немало работ [38, 120, 170, 200, 201, 205-207]. Большинство из них связано с изучением длительной прочности материалов при ползучести, что обусловлено прикладной важностью данной проблемы. Разрушение при пластической деформации может протекать достаточно быстро, со скоростью распространения упругих волн и выше [258]. Во многих случаях это позволяет рассматривать пластическую деформацию практически как мгновенную. Однако даже при хрупких сколах скорость распространения трещины обусловлена кинетикой образования и разрушения пластического «шарнира» в области ее вершины и может изменяться на несколько порядков [193].

Pages:     | 1 |   ...   | 15 | 16 || 18 | 19 |   ...   | 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.