WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 20 | 21 || 23 | 24 |   ...   | 42 |

Метод резонансной кривой (рис. 3.4, г), проанализированный Е.С. Сорокиным, предусматривает определение характеристик рассеяния энергии в материале по виду резонансной кривой; получаемая при этом величина относительной рассеянной энергии равна = 2 Zст Z0 max Zст, где – перемещение при статическом действии Z0max силы, – максимальная амплитуда перемещений при резонансе.

Данный метод, как и предыдущий, требует установления корреляционных зависимостей между получаемыми результатами и искомыми характеристиками. Начиная с 60-х годов [244] резонансные методы испытаний получили развитие в ультразвуковом способе оценки механических свойств поверхностных слоев, известном под названием UCI (Ultrasonic Contact Impedance). Данный способ реализован на базе микротвердомеров MicroDUR, выпускаемых фирмой Krautkramer.

Метод статической петли гистерезиса был исследован в трудах М.А. Воропаева, Фелтнера, Морроу и др. Он основан на оценке неупругости материала по петлям гистерезиса, откладываемым на плоскости «напряжение – неупругая деформация» при ступенчатом или монотонном повышении нагрузки. Такой способ получения петли гистерезиса позволяет добиться высокой точности ее прорисовки на диаграмме. Среди недостатков метода можно отметить его высокую трудоемкость и отличие условий нагружения при построении статической петли гистерезиса от условий нагружения при динамических испытаниях (на усталость, изнашивание и др.), что может привести к некорректности получаемых данных.

Метод динамической петли гистерезиса, как и в предыдущем случае, предполагает построение эллипсообразных петель гистерезиса (рис. 3.4, и), но уже при быстром изменении напряжений при заданных частотах или непосредственно в процессе усталостных испытаний. Данный метод отличают безынерционность, обоснованность используемых расчетных зависимостей, возможность исследования как энергетических, так и деформационных критериев усталостного разрушения материалов, возможность изучения всех особенностей процесса усталостной повреждаемости при различных частотах нагружения. Данный метод использовали в своих исследованиях Форрест, Топселл, Кавамото, Танака, Мартин, Бринн, Трощенко В.Т., Федоров В.В. и др. К его недостаткам можно отнести сильную зависимость точности получаемых данных от погрешностей датчиков напряжения и деформаций, которые начинают возрастать с увеличением частоты нагружения, и от неоднородности напряженного состояния, что ограничивает область применимости данного метода усталостными испытаниями преимущественно в условиях однородного напряженного состояния материалов. Чувствительность метода определяется чувствительностью аппаратуры и точностью замера формы петли гистерезиса. Точность измерений энергии, рассеянной в материале, методом динамической петли гистерезиса является приемлемой для большинства экспериментов.

При циклических деформациях энергия, накапливаемая в материале за цикл нагружения, характеризуется площадью петли динамического гистерезиса [243]. В.Т. Трощенко, разделив полную затрачиваемую за цикл энергию на опасную (накапливаемую в материале) и неопасную части, получил следующее выражение для оценки энергетического параметра повреждаемости материалов:

N* А A = А - A, (3.14) p б А б где А – полная энергия деформации, затрачиваемая за цикл нагружеАб ния, – «безопасная» энергия деформации за цикл при напряжениях, равных пределу усталости, – эмпирический коэффициент [243].

Данное выражение показало хорошее соответствие экспериментальным результатам при правильном подборе.

Более тщательно к оценке плотности энергии разрушения подошел В.В. Федоров, предложивший учитывать тепловой эффект деформации, составляющий весьма значительную долю от затраченной на разрушение материала энергии. В проведенных им усталостных испытаниях образцов [243] периодически фотографировались петли гистерезиса (рис.

D 3.4, и), площадь которых определялась графическим интегрированиD = kф ем (планиметрированием) или по формуле а р, где kф – коэфkф 1,фициент формы петли гистерезиса ( [231]...1,57 [228]), р – неупругая деформация рабочего участка образца. Затем строилась зависиN D мость от числа циклов нагружения. Суммарная величина необратимо затраченной энергии W оценивалась как площадь под этой крир вой. Удельная энергия Q, рассеянная при испытаниях в виде тепла, определялась по результатам оценки тепловых потоков. В результате изменение скрытой энергии в материале в процессе усталостных испытаний определялось как разница N u (, N) = D(, N) - Q(, N). (3.15) e a a a На основе дислокационно-энергетического анализа [121] показаАр но, что удельная работа разрушения материалов может быть представлена в виде суммы работ, затраченных на образование хрупких Ах Ав и вязких трещин. Зародыши хрупких трещин появляются в местах скопления дислокаций у различных препятствий (границ зерен, включений и т. д.). Элементарной вязкой трещиной можно считать ступеньку сдвига на поверхности, образованную за счет выхода (разрядки) дислокаций. В зависимости от вклада каждой составляющей, определяемого условиями деформирования, выделены области с разАр = Ав личным характером разрушения: вязким ( ), вязко-хрупким ( Ав > Ах Ав < Ах Ар = Ах ), хрупко-вязким ( ), хрупким ( ). Оценка вклада каждого вида дефектов в потерю устойчивости материала, выполненная В.С. Ивановой [121], показала, что вклад дислокаций примерно в два раза выше, чем вклад точечных дефектов.

Область применимости механического подхода ограничена изучением активационных характеристик деформации и разрушения материалов при пластической деформации. Однако выбор оптимальных температурно-скоростных условий пластической деформации не только важен для трибологии, но и является одной из важнейших задач для определения режимов обработки металлов и сплавов резанием и давлением. Кроме того, механический способ обладает рядом преимуществ.



- При определённых условиях (когда в выражении (2.30) первое слагаемое обращается в нуль) методика позволяет исключить из анализа фактор времени. При этом разрушение будет происходить атермически, что придает испытаниям экспрессный характер.

- Оценку активационных параметров деформации и разрушения поверхностного слоя можно выполнять в любом направлении и на любом выбранном участке поверхности исследуемого материала.

- Выбор метода и условий деформирования позволяет реализовать широкий спектр механизмов повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя, от микрорезания до усталости.

- Механическое воздействие, в частности пластическую деформацию, можно легко локализовать в весьма ограниченном объеме материала, соизмеримом с величиной зерна и меньше (вплоть до наноуровня). Это позволяет использовать механическую активацию для исследования тонких поверхностных слоев, модифицированных трением.

Отмеченное позволяет констатировать: механический способ активации разрушения и деформации отвечает требованиям объективности при воссоздании процессов, имеющих место при трении, и является оптимальным для изучения активационных характеристик материала поверхностного слоя.

Для механической активации деформации и разрушения материала поверхностного слоя традиционно применяются два основных метода: вдавливание (индентирование) и царапание (склерометрия) поверхности твердыми инденторами [52, 91, 115, 152, 166, 167, 190, 218, 226, 227, 244]. Основная область их применения – оценка микротвердости поверхностных слоев, например, по ГОСТ 23.221-84.

Принципиальное различие этих двух методов состоит в схеме приложения нагрузок: в первом случае нагружение происходит только в нормальном направлении, во втором – индентор воздействует на поверхностный слой в нормальном и касательном направлениях. Несмотря на то, что возможности метода индентирования за последние десятилетия существенно расширились [244], второй случай все же более близок к процессу деформации, происходящему при реальном трении. По сути, при царапании моделируется единичный контакт твердого выступа с более мягкой поверхностью. Поэтому данный метод является наиболее подходящим для изучения свойств поверхностных слоев, модифицированных трением.

Метод склерометрии заключается в том, что в исследуемую поверхность под воздействием нормальной нагрузки внедряют индентор. Затем, приложив тангенциальное усилие, осуществляют относительное перемещение индентора, в результате чего образуется пластический отпечаток в виде пропаханной борозды, размеры которой используются для оценки механических характеристик материала.

Инденторы изготавливаются из твердых материалов (быстрорежущие стали, твердые сплавы, монокристаллы сапфира, алмаза и др.), как правило, в виде пирамидальной или конической фигуры.

Царапание определяется как процесс образования углублений на поверхности в направлении скольжения под воздействием выступов твердого тела или частиц (ГОСТ 16429-70). Как показал анализ литературных источников, механизм образования царапины толкуется различным образом. Так, в работе [131] указывается, что характерной особенностью процесса царапания является микрорезание поверхностного слоя и образование стружки. Однако, исследования [282, 292] показали, что царапание может осуществляться в разных режимах: микрорезания, пластического оттеснения материала и образования выступа перед индентором. Влияние различных факторов на режимы царапания показаны на рис. 3.5.

Метод склерометрии широко известен и применяется в трибологии уже достаточно долгое время. Основы склерометрических испытаний материалов заложены в работах Г.Н. Полосаткина, В.Д. Кузнецова, Н.Н. Давиденкова, М.П. Марковца, М.М. Хрущева, М.А. Бабичева, Д.Б. Гогоберидзе, В.К. Григоровича, Н.М. Михина, П.С. Аукштакальниса, М.М. Тенебаума, Е.Н. Маслова, Ю.В. Димова, И.А. Лаврентьева, В.Г. Борисова, Ф.И. Измайлова, В.М. Матюнина, Мартенса, Д. Тейбора, О’Нейла, Бирбаума, Фауста, Таммана, Малатеста, Бернета, Риккерби, Комвопулоса, Цукидзое и др. [36, 52, 91, 147, 151, 166, 167].

Данный метод имеет многоцелевой характер, и поэтому в настоящее время он находит применение во многих странах при решении широкого спектра задач [17, 21, 24, 27, 67, 176, 185, 230, 274, 278, 279, 282, 292].

Кроме адекватности напряжен- Dp,° но-деформированного состояния 0,8 при царапании и контактном взаи- Микрорезание 0,модействии выступов трущихся по- верхностей, применение метода 0, Образование выступа склерометрии можно обосновать 0,следующим.

Пластическое оттеснение - Царапание позволяет произ 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 f вести деформацию материала поверхностного слоя на любой глубине, в зависимости от приложенной нормальной нагрузки.

- Высокие контактные нагрузки p Нµ при царапании обеспечиr вают условие, необходимое для оценки энергии активации механическим способом и производят активацию дислокационного механизма повреждения Рис. 3.5. Диаграмма режимов царапания:

поверхностного слоя.

D – степень внедрения твердого выступа;





р - Выбор направления царапа – угол атаки;

f – касательные напряжения ния позволяет выявить анина поверхности контакта зотропию свойств материала поверхностного слоя.

- Возможность осуществления повторных проходов индентора по одному участку поверхности позволяет оценить свойства изучаемого материала при накоплении повреждений в режиме малоцикловой усталости.

- Выбор формы и материала индентора, а также условий царапания позволяет реализовать различные механизмы повреждаемости поверхностного слоя.

При изучении модифицированного материала поверхностного слоя необходимо учитывать, что он включает структурные элементы различного масштаба: атомы, нуль- и одномерные дефекты – на микроуровне;

дислокационные ячейки, клубки, зерна – на мезоуровне; топографию и зеренную структуру – на макроуровне. Воздействие индентора вызывает появление механизмов пластической деформации на микро- и мезоуровнях. Объективность оценки активационных характеристик достигается при условии, что деформируемая область включает множество структурных элементов материала, что позволяет при выполнении эксперимента усреднить влияние всех действующих механизмов. Это соответствует структурно-феноменологическому подходу [11], при котором энергия активации может быть рассмотрена как полная энергия, затраченная на активацию совокупности всех механизмов повреждения, которые на мезо- и макроуровнях вызывают пластическую неустойчивость и оттеснение вещества поверхностного слоя количеством в один моль. При этом совокупность действующих механизмов полагается заранее неизвестной и представляется в виде «черного ящика». Оценке подлежат только входные параметры в виде затрачиваемой механической энергии и выходные в виде результирующего количества оттесненного вещества. Безусловно, такой метод оценки энергии активации не позволяет выявить ни количество действующих механизмов разрушения, ни их долю в общем процессе деформации, однако это и не является целью данной работы.

3.5. ОБЗОР СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Испытание конструкционных материалов методом царапания, известное как склерометрия, применяется в мировой практике более лет [218] и является одним из старейших способов оценки механических характеристик твердых тел. Первые упоминания о ранжировании минералов по прочности путем их царапания напильником относятся к середине XVII века. Идея классификации твердости металлов путем царапания поверхности эталонными материалами была выдвинута Реомюром в 1722 году. Позже эту идею блестяще воплотил австрийский минеролог Моос (1824 г.), впервые предложив 10-балльную шкалу, которая позволяла оценивать относительную твердость испытуемых материалов по способности царапаться эталонами. На нижней ступени этой шкалы в качестве эталона принят тальк, а на верхней – алмаз. Эта шкала до сих пор сохраняет свое значение в минералогии.

В начале XVIII века стали появляться первые склерометры. Впервые этот термин ввел в употребление Зеебек в 1833 г., назвав склерометром изобретенный им прибор для царапания [218]. Несмотря на то, что этимологически слово «склерометр» означает «измеритель твердости», в современном понимании склерометрами принято называть любые устройства, реализующие метод царапания, независимо от того, какие характеристики материала подлежат оценке: твердость, пластичность или иные механические параметры. Совершенствованием моделей склерометров занимались Шиллер (1927 г.), Койфман (1930 г.), Розенберг (1939 г.) и др.

До начала прошлого века склерометрия была единственным признанным способом оценки твердости материалов, однако в начале 40-х годов метод царапания был почти полностью вытеснен широко известными в настоящее время методами Роквелла, Бринелля, Виккерса и др., в которых твердость материалов оценивалась вдавливанием в них инденторов различной формы. Несмотря на это, испытания материалов методами индентирования и склерометрии далеко не равнозначны [218]. Как показал Н.Н. Давиденков с сотрудниками, метод царапания с точностью до 3% «…дает представление не только о твердости, но и об истинной прочности на разрыв, о временном сопротивлении, об относительном сужении в шейке и о пределе текучести».

На последнем совещании по склерометрии, проведенном в ИМАШ РАН в апреле 1966 г., М.М. Хрущев отмечает [218], что склерометрия имеет гораздо более важное методологическое значение, чем индентирование, и представляет собой «…ценный метод лабораторного исследования свойств твердых тел, в связи с чем целесообразно проведение систематических работ по развитию этого вида испытания, по созданию приборов для его применения и по разработке общей стандартизированной методики». М.М. Тененбаум [234] также пишет, что «…целесообразность дальнейшего развития метода царапания обосновывается возможностью получения новых характеристик механических свойств, не выявленных другими способами». Однако в то время нуждам инженерной практики, прочностные расчеты которой строились на предельных силовых критериях – пределе текучести, временном пределе и др., вполне удовлетворяли простые по конструкции твердомеры, работавшие по методу индентирования.

Склерометрии же, уступившей основные позиции методу вдавливания, было уготовано на протяжении более полувека оставаться «в тени» и лишь отчасти использоваться в качестве альтернативного, вспомогательного метода испытаний материалов при исследовании структуры, пластичности, анизотропии, удельной энергии деформации материалов, прочности покрытий и т. д.

Pages:     | 1 |   ...   | 20 | 21 || 23 | 24 |   ...   | 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.