WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 42 |

Несмотря на то, что энергетические методы оценки параметров изнашивания применяются в трибологии более полувека, до сих пор экспериментальные исследования изменения запасенной энергии поверхностных слоев в процессе изнашивания практически не проводились – не было соответствующих методик и технических средств. Традиционные термокинетические методы оценки энергии активации разрушения материалов являются длительными, трудоемкими и не пригодными для исследования тонких, модифицированных трением поверхностных слоев, что стало серьезным препятствием для широкого применения в трибологии энергетических критериев прочности и расчетных моделей изнашивания кинетического типа. По той же причине отсутствуют систематизированные данные об активационных параметрах разрушения материалов при различных механизмах повреждаемости. Между тем при оценке износостойкости, эффективности ресурсоповышающих технологий обработки поверхностей, исследовании качества покрытий и определении их долговечности в поле действующих нагрузок и температур энергетические показатели могут быть более информативными по сравнению с силовыми и деформационными критериями. Поэтому важнейшей практической задачей для широкого внедрения кинетического подхода к описанию повреждаемости и разрушения материалов является разработка доступных методик оценки активационных параметров разрушения материалов.

Изучение активационных характеристик материала поверхностного слоя, модифицированного в процессе различных видов и режимов технологической обработки, позволит на новом уровне оценивать влияние внешних факторов на прочность трибоматериалов и продвинуть решение проблемы целенаправленного, теоретически обоснованного управления свойствами поверхностного слоя с целью обеспечения его ресурсных показателей и эксплуатационных характеристик.

Первая глава содержит описание физико-химических аспектов контактного взаимодействия поверхностей твердых тел при трении, механизмов диссипации механической энергии в зоне контакта, особенностей состояния материала поверхностного слоя в области фактических пятен касания и характерных эффектов и процессов, сопровождающих взаимодействие выступов шероховатых поверхностей при их относительном перемещении в контакте. Среди последних особое место занимают вопросы влияния среды на физико-химическое состояние материала поверхностного слоя и контактное взаимодействие твердых тел. По имеющимся в литературе данным приводится анализ и классификация известных расчетных моделей изнашивания.

Далее в этой главе выявляется общая структура моделей изнашивания. На основе анализа дискретного характера разрушения установлены и даны определения трем основным составляющим модели: количественной характеристике микрообъема вещества, накапливающего повреждения, частоте появления разрушающего фактора и вероятности разрушения материала за одно появление разрушающего фактора. Первая глава рекомендована всем читателям для углубленного изучения процессов, происходящих в области фрикционного контакта, и знакомства с существующей расчетной базой для определения характеристик изнашивания материалов.

Оценка изнашивания должна опираться на адекватные критерии повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя. В связи с этим во второй главе анализируется эволюция научных взглядов на природу прочности материалов. На основе накопленного трибологией опыта применения структурно-энергетического подхода, фундаментальных уравнений термодинамики и молекулярной физики разрабатывается авторская кинетическая модель повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя, а также даются рекомендации по ее практическому использованию. Первая глава рекомендована читателям, не имеющим базовых знаний о механизме усталостной деградации материалов, её цель – знакомство с кинетической моделью, адекватно отражающей постепенный рост внутренней энергии материала в процессе усталостной деградации, позволяющей на новом уровне подойти к проблеме диагностики фактического состояния и прогнозирования ресурса материала поверхностного слоя. Разработанная кинетическая модель является основой для последующей разработки расчетных моделей изнашивания во второй главе. Она учитывает влияние механических напряжений, температуры, напряженно-деформированного состояния материала, длительности нагружения, динамичности нагружения, состава окружающей среды и др.

факторов. Эвристическое значение полученной модели позволяет:

установить роль времени в термофлуктуационных актах повреждаемости материалов и разработать рекомендации по коррекции фактора времени в кинетических моделях; определить критические нагрузки, соответствующие различным режимам усталостных испытаний; обосновать расчетные модели для прогнозирования долговечности поверхностных слоев; предложить новые подходы к оценке их активационных параметров разрушения при механическом способе возбуждения точки бифуркации, а также дать физическую интерпретацию структурно-чувствительного коэффициента.

На основе анализа общей структуры моделей изнашивания и выражений для определения долговечности поверхностных слоев получены модели для инженерных расчетов скорости изнашивания материалов. Показано, что для выполнения таких расчетов достаточно оценить значения энергии активации U, микротвердости Hµ и толщины дебрис-слоя h. Для оценки последней предложено использовать конечно-элементное моделирование фрикционного контакта двух шероховатых поверхностей.

В третьей главе представлены результаты разработки новых методик и технических средств для экспрессной, неразрушающей оценки активационных параметров деформации и разрушения поверхностных слоев с использованием механического возбуждения пластической неустойчивости материала, при которой энергия активации разрушения представляется как удельная плотность механической энергии, затрачиваемой на оттеснение одного моля вещества поверхностного слоя.



Механическая активация поверхностного слоя наиболее эффективно реализуется при помощи известного метода склерометрии, т. е.

при пропахивании исследуемых поверхностей твердыми инденторами. Приведена история развития и основные проблемы данного метода. Методами конечно-элементного моделирования обоснован выбор в качестве индентора алмазной пирамиды Виккерса, которая позволяет выполнять склерометрирование в режиме пластического оттеснения материала поверхностного слоя, наиболее близком к условиям, реализуемым на фактических пятнах касания при трении. При этом оценку энергии активации пластической деформации материалов целесообразно выполнять либо при постоянной нагрузке на индентор, либо при постоянном заглублении индентора в поверхностный слой.

Первая методика рассматривается более подробно, как базовая. Для ее реализации разработано два стационарных лабораторных программно-аппаратурных комплекса: один комплекс создан на базе микротвердомера ПМТ-3, второй исполнен в виде трехмодульной установки, содержащей узлы для выполнения шлифов, склерометрирования и измерения параметров деформации материала поверхностного слоя. Для производственных условий создан ручной малогабаритный переносной склерометр с облегченной настройкой и тарировкой.

Разработанные методики и устройства позволяют оценивать энергию активации пластической деформации поверхностных слоев с учетом их структурной и физико-химической трибомодификации, влияния рабочей среды и др. факторов. Полнота описания методик испытаний и расчетов в данной главе достаточны для того, чтобы читатель мог использовать этот раздел как практическое руководство. В обзорной части главы читатель может ознакомиться с другими экспериментальными и аналитическими способами определения активационных характеристик разрушения материалов.

Четвертая глава демонстрирует читателю результаты практических исследований кинетики усталостной деградации материала поверхностного слоя при трении с наложенной вибрацией, при объемной усталости, вызванной вибрационными нагрузками, а также при контактной усталости, обусловленной циклическими ударными нагрузками.

Для исследования кинетики усталостного изнашивания была разработана машина трения с возвратно-поступательным перемещением образцов, содержащая узел для возбуждения в трущемся контакте нормальных гармонических вибраций, характерных для условий трения в машинах. Созданная установка и результаты испытаний использованы для проверки и совершенствования расчетной модели изнашивания кинетического типа.

На основе проведенных исследований показано, что усталостные процессы, независимо от способа возбуждения, имеют общие закономерности протекания. Изучение кинетики роста энергии активации пластической деформации материала поверхностного слоя в процессе усталостной деградации подтвердило адекватность энергетических критериев прочности поверхностных слоев.

В пятой главе на основе физической теории надежности разрабатываются научные основы создания комплексной системы управления сроком службы (УСС) элементов пар трения. Такая система охватывает все стадии жизненного цикла изделий и призвана установить взаимосвязь между свойствами и состоянием материалов, условиями эксплуатации и ресурсом деталей пар трения.

Для определения наиболее эффективных методов управления прочностными показателями поверхностных слоев приведены результаты исследования зависимости активационных характеристик от различных факторов, влияющих на процесс изнашивания материала поверхностного слоя: температуры, среды (смазочный материал), состояния материала поверхностного слоя (упрочнение, текстура, химическая модификация и т. д.).

Показано, что нанесение на исследуемую поверхность различных смазочных материалов способно существенно изменить ее прочностные характеристики, вызывая упрочняющий или пластифицирующий эффекты, ранее установленные академиком П.А. Ребиндером. Представлены результаты исследования комплексного влияния температуры и среды на величину энергии активации материала поверхностного слоя.

В главе показаны возможные алгоритмы контроля усталостной деградации материалов при эксплуатации пар трения. Отдельные разделы посвящены разработке методики энергетической оценки деструкции смазочных материалов, а также исследованию эффективности нового перспективного способа упрочнения материалов методом диффузионного молекулярного армирования. Изучение данной главы будет полезно специалистам, занятым разработкой узлов трения и эксплуатацией машин.

Приложения содержат справочную таблицу для перевода энергии активации из различных единиц измерения в принятую в данной монографии размерность кДж/моль, а также известные из литературы данные об активационных параметрах разрушения материалов при различных механизмах повреждаемости.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Современная трибология – интенсивно развивающееся междисциплинарное направление, востребованное практически во всех отраслях машиностроения. Охватывая и ассимилируя в себе достижения смежных технических наук, трибология перенимает и совершенствует терминологию [64, 146, 238]. В связи с этим целесообразно привести краткий обзор некоторых основных понятий.





Одними из базовых в трибологии являются термины трибосистема и модель трибосистемы. Анализ различных определений этих терминов показывает, что использование этих понятий различными авторами зачастую является произвольным, и поэтому необходимо уточнение их смыслового содержания. Наиболее распространены следующие определения [64]. Трибосистема машин, конструкций и приборов определяется как совокупность связанных между собой механизмов (узлов трения), выполняющих заданные функции посредством относительного перемещения частей, сопровождаемого трением. Модель трибосистемы описывается как некоторая логико-математическая структура, имеющая систему переменных, соответствующих элементам трибосистемы.

К числу важнейших подсистем относятся [64] кинематическая, прочностная, динамическая, тепловая и др., описывающие явления и процессы, протекающие в трибосистеме машин. Ввиду особой важности объективного описания процессов, происходящих в области фактического контакта при трении, для разработки модели трибосистемы приведем обзор основных сведений о физико-химических и механических аспектах контактного взаимодействия поверхностей твердых тел при трении.

1.1. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ ТРЕНИИ Выполнение машинами служебных операций сопровождается контактными взаимодействиями их элементов: контактными перемещениями (нормальными и тангенциальными) и контактными деформациями (упругими и пластическими). Наиболее сложные контактные взаимодействия поверхностей твердых тел друг с другом и со средой происходят при их относительном перемещении, что и является процессом трения, в результате которого часть полезной кинетической энергии преобразуется в немеханические виды энергии.

Диссипация механической энергии при трении обусловливает появление в зоне контакта ряда эффектов, имеющих различную природу и степень интенсивности. Вследствие этого узел трения может рассматриваться как генератор собственных и поглотитель внешних тепловых, акустических, химических, сорбционных, диффузионных, усталостных и других процессов.

Из литературы известно, что многие эффекты на поверхности трущихся твердых тел протекают с высокими скоростями и энергиями. Так, например, можно отметить феномены: микровзрыва при отделении частиц износа от поверхностей хрупких материалов; образования магма-плазмы при соударении выступов [168]; срезания, вырывания, сваривания и смятия выступов металлических поверхностей при грубых видах изнашивания. Эти и многие другие феномены показывают, что контактное взаимодействие поверхностей твердых тел зачастую протекает в экстремальных условиях.

Наличие на реальных поверхностях твердых тел неровностей различного масштаба: волнистости, микрошероховатости и субмикрошероховатости, высотные характеристики которых охватывают диапазон 0,001400,0 мкм [185], приводит к тому, что непосредственный контакт поверхностей осуществляется только на дискретных участках, через которые передается давление. Суммарная площадь этих точек составляет фактическую площадь касания А, которая на несколько порядков меньr ше контурной А и номинальной А площадей контакта [92]. Поэтому с а даже незначительные нагрузки, приложенные на контактирующие поверхности, приводят к появлению высоких локальных давлений.

Согласно исследованиям Ю.А. Ишлинского и др. [36, 238] среднее давление в области фактического пятна касания приблизительно составляет величину, равную твердости более мягкого материала p r HB, т. е. значительно превышает предел текучести. Высокие контактные нормальные и касательные нагрузки создают условия для n активации пластической деформации (течения) материала поверхностного слоя в локальных микрообъемах. В общем случае процесс деформации выступов поверхностей может быть обусловлен различными механизмами, действующими на микроуровне, а именно:

скольжением дислокаций, переползанием дислокаций, диффузией атомов по границам зерен (ползучесть Кобле), диффузией атомов в объеме (ползучесть Набарро G Херринга) [257]. Установлено, Теоретическая прочность А что при низких гомологиче 10-ских температурах (ниже В С 10-0,4Т ) или высокой интенсивпл ности пластической деформа Е 10-ции основным действующим D механизмом является скольже 10-ние дислокаций. При более вы 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.Гомологическая температура Т/Тпл соких температурах деформаРис. 1.1. Пример деформационной карты ция осуществляется преимущечистого никеля:

А – дислокационное скольжение без участия возврата;

ственно за счет ползучести. На В – дислокационная ползучесть (диффузия вдоль ядер дислокаций);

рис. 1.1 в качестве примера приС – дислокационная ползучесть (объемная диффузия);

D – диффузионная ползучесть Набарро-Херринга ведена типичная деформационЕ – диффузионная ползучесть Кобле ная карта Эшби [257] для чистого никеля, из которой видно, что для широкого диапазона температур при высоких сдвиговых нагрузках доминирующим механизмом деформации является скольжение дислокаций, соответствующее области А на карте. В работах [178, 251] обосновывается превалирующая роль дислокационного механизма в процессе пластической деформации. Подтверждением тому может служить высокая плотность дислокаций, обнаруженная при исследовании материала поверхностного слоя после его приработки, намного превышающая исходную [51, 133, 238]. Так, для меди эта величина может достигать 1015см-2.

Пластическая деформация выступов, в свою очередь, приводит к упрочнению материала поверхностного слоя и появлению текстуры.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.