WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 22 | 23 || 25 | 26 |   ...   | 42 |

В процессе реального трения материал поверхностного слоя претерпевает многократную пластическую деформацию [272, 292], что в конечном итоге приводит к исчерпанию запаса пластичности и охрупчиванию [275]. Исследования [110] показали, что при многократных проходах индентора по одной борозде объем материала, вытесняемого при каждом проходе (за исключением первого), на протяжении нескольких циклов деформирования является одинаковым. При первом проходе вытесняемый индентором объем всегда оказывается больше, чем при втором и последующих проходах. Этот факт объясняется разными способами образования борозды. Первая борозда образуется за счет оттеснения материала и образования «холмов» по бокам борозды, в то время как увеличение борозды при последующих проходах происходит путем повторной деформации этих холмов с оттеснением их наружу. Это проиллюстрировано на рис. 3.16, а-в, предоставленных А. Торренсом (Тринити Колледж), где показаны изменения профиля борозды при однократном и многократных проходах индентора (рисунки получены при помощи сканирующего интерферометра).

а б в Рис. 3.16. Профили борозд, полученных при однократном (а), пятикратном (б) и десятикратном (в) проходах индентора по поверхности медного образца При осуществлении многократных проходов индентора по исследуемой поверхности среднее значение объема, вытесняемого за один проход, можно определить как отношение полученного объема борозды к числу сделанных проходов. При этом количество активированного материала определяется как произведение среднего объема материала поверхностного слоя, вытесняемого за один проход индентора, на молярный объем материала. Объем борозды можно определить исходя из ее геометрических характеристик: ширины D и длины L (рис. 3.18).

Sр Нагрузка Vд S Направление движения Индентор Образец Царапина L 1-й проход 2-й проход а б Рис. 3.17. Схема царапания материала поверхностного слоя индентором Виккерса (а) и общий вид борозды (б):

L – длина царапины, S и S – ширина борозды после соответственно 1 p и P проходов индентора, V – активируемый объем материала поверхностного слоя д Примем (из геометрических соображений), что глубина внедрения индентора h связана с шириной царапины соотношением h вн вн 0,14·D, и используем для расчета площади поперечного сечения боS = 1/ 2 hвн D = 0,07 Dрозды формулу площади треугольника. Тогда выражение для расчета количества вытесненного материала с учетом размерности примет вид 2 (D - D ) L 0,n V =, [моль], (3.19) деф (P - 1) V м где P – число проходов индентора; D и D – ширина борозды соот1 n ветственно после 1 и P проходов индентора, [мкм].

С учетом выражений (3.16-3.19) формула для расчета энергии активации примет следующий вид:

14,286 V (P - 1) N f м u =, [кДж/моль]. (3.20) 2 D - D n Чтобы получить корректные значения энергии активации, при использовании полученного выражения необходимо обосновать выбор параметров P и N, а также оценить значения f, V, D и D.

м 1 n Более практичным является второй способ оценки энергии активации (рис. 3.18), при котором обеспечивается постоянная величина заглубления индентора h и, соответственно, постоянное, заданное количество вытесненного из поверхности материала.

S h=const Рис. 3.18. К способу оценки энергии активации при постоянном заглублении индентора:

– глубина борозды, S – площадь поперечного сечения борозды h Тогда с учетом геометрии алмазного индентора u0 можно оценить из выражения F 0,28F u = V V, кДж/моль. (3.21) 0 m m S h Для проведения склерометрических испытаний поверхностных слоев общепринятым индентором является алмазная пирамида Виккерса с межгранным углом при вершине 136°. Благодаря такой величине угла царапины образуются в режиме пластической деформации [292] без микрорезания поверхностного слоя; кроме того, материал индентора (алмаз) долговечен и позволяет исключить образование наростов при царапании поверхности. При этом получаемые отпечатки имеют правильную призматическую форму, что позволяет без труда производить расчет вытесненного объема. Следует отметить, что в данном способе не учитывается энергия, затрачиваемая на деформацию выступа и навалов, образующихся перед движущимся индентором. М.М. Хрущев [218] отмечает, что вопрос о том, воспринимают ли навалы нагрузку, передаваемую через царапающий индентор, и если воспринимают, то какую долю общей нагрузки, – еще не исследован. Однако, как показали исследования В.Н. Кащеева [131], эти навалы имеют большое количество трещин, надрывов, что обусловливает их малую твердость и прочность, поэтому погрешность, связанная с отсутствием их учета, по-видимому, будет небольшой.

3.7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИНДЕНТОРОМ ВИККЕРСА ПРИ СКЛЕРОМЕТРИРОВАНИИ Для обоснования методики склерометрической оценки активационных параметров разрушения поверхностных слоев необходимо доказать, что при пластическом оттеснении материала в процессе царапания деформируется преимущественно участок поверхностного слоя, находящийся непосредственно перед индентором. Сделать такой анализ аналитическими или численными методами – весьма непросто. Во многих работах [1, 2 и др.] отмечалось, что царапание – весьма сложный процесс, которому трудно дать корректное математическое описание. Однако современное развитие инженерных программных средств позволяет создавать и анализировать конечно-элементные модели реальных объектов. К таким программным пакетам относится ANSYS.

Далее, для обоснования разработанных методик показано, как на основе моделирования процессов внедрения и пропахивания упругопластического полупространства алмазным индентором Виккерса можно получить картину распределения полей напряжений, деформаций и перемещений материала поверхностного слоя в области контакта алмазной пирамиды с поверхностью модельного упругопластического материала.



Моделирование задачи и ее решение производились в среде ANSYS версии 8.0 с использованием модуля ANSYS Multiphysics.

В качестве модельного образца, на поверхности которого будет образована царапина, была выбрана прямоугольная пластина из конструкционной стали 09Г2С, имеющей следующие характеристики: модуль Юнга Е=21011 Па, коэффициент Пуассона = 0,27; пластические свойства модельной стали описываются кривой кинематического упрочнения (рис. 3.19). Материал индентора – алмаз – принимается как абсолютно жесткое тело, напряженно-деформированное состояние которого не учитывается. Глубина внедрения индентора = 3 мкм. Длина тангенциального перемещения индентора L = 300 мкм.

Тип конечных элементов PLANE 42. Форма индентора – стандартная пирамида Виккерса с межгранным при вершине углом = 136° и радиусом закругления вершины 0,2 мкм. Ответная поверхность условно принята идеально ровной.

Рис. 3.19. Кривая кинематического упрочнения для стали 09Г2С Моделированию подлежала следующая совокупность операций.

В поверхность модельного образца внедряется алмазная пирамида Виккерса (вершиной вниз) на заданную глубину (первый шаг). После внедрения индентору сообщается тангенциальное перемещение (ребром вперед) на заданное расстояние, в ходе которого на поверхности образуется пластический отпечаток – борозда (второй шаг). Выдавленный из борозды материал образует отвалы по сторонам царапины.

После этого происходит оценка напряженно-деформированного состояния материала поверхностного слоя после первого и второго шагов (внедрения и смещения соответственно).

На первом этапе была создана компьютерная геометрическая модель двух элементов: индентора и модельного образца. После построения геометрическая модель разбивалась на конечные элементы размером 2…4 мкм. С целью рационального расходования машинного времени и целесообразного снижения трудоемкости задачи сгущение сетки до 0,5 мкм моделировалось только в тонком поверхностном слое, несколько превышающем размеры борозды. Общий вид модели после разбиения на конечные элементы представлен на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Разбиение модельного образца на конечные элементы Модель образца жестко закреплена. После приложения соответствующих нагрузок и перемещений устанавливаются опции решателя. Для первого шага задаются 10 подшагов, для решения второго – 200 подшагов.

В результате моделирования внедрения алмазной пирамиды в упругопластическое полупространство были получены поля напряжений, перемещений и деформаций, представленные на рис. 3.21-3.23.

После первого шага (внедрения) наблюдаем максимальное напряжение в зоне контакта индентора с поверхностью, оно составляет МПа, максимальная деформация под вершиной индентора в этот момент составляет 34,8%.

Рис. 3.21. Поле напряжений в области Рис. 3.22. Поле деформаций (по Мизесу) внедренного индентора области внедренного индентора В результате моделирования тангенциального пропахивания алмазным индентором металлической поверхности на заданную глубину были получены поля напряжений, перемещений и деформаций, показанные на рис. 3.24-3.26. Для второго шага (пластического оттеснения борозды) максимальное напряжение в зоне контакта составило 530 МПа, максимальная деформация под вершиной индентора в этот момент достигала 34,8%.

Рис. 3.23. Поле напряжений в области Рис. 3.24. Поле деформаций (по Мизесу) борозды в области борозды На рисунках 3.26, а и 3.26, б показаны различные проекции полей перемещений материала по оси OY, иллюстрирующие образование боковых отвалов при перемещении индентора.

а б в г Рис. 3.25. Смещение узлов сетки при пластическом оттеснении борозды в различных проекциях (а, б, в, г) а б Рис. 3.26. Иллюстрация пластического оттеснения материала поверхностного слоя в боковые отвалы В результате исследования полученной конечно-элементной модели установлена правомерность принятого подхода к оценке пластически оттесненного объема при склерометрировании.

3.8. РАЗРАБОТКА СПОСОБА И МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ СКЛЕРОМЕТРИРОВАНИИ СТАТИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫМ ИНДЕНТОРОМ Для реализации склерометрической оценки состояния поверхностей в работах [78, 110, 227] предложено использовать стандартный микротвердомер Виккерса ПМТ-3 после незначительной модернизации.

Царапание исследуемых поверхностей на этом приборе осуществляется путем горизонтального перемещения столика с закрепленным образцом относительно неподвижного индентора, опущенного на поверхность образца (см. рис. 3.17). Нагружение индентора производится при помощи стандартных навесок массой 2...200 г. Размеры борозды определяются при помощи оптического микрометра. Для воспроизводства необходимого температурного режима испытаний был изготовлен электрический нагреватель, снабженный датчиком температуры и терморегулятором, обеспечивающим термостабилизацию образцов в диапазоне 20...200 °С. Для оценки энергии активации разрушения модернизация микротвердомера включала его оснащение датчиком касательных усилий для измерения силы сопротивления царапанию, а также специальной рукояткой к маховику горизонтального перемещения столика для обеспечения равномерности царапания.

Выбор микротвердомера ПМТ-3 в качестве склерометра обоснован тем, что прибор позволяет производить выбор места, глубины, направления и скорости царапания исследуемой поверхности без существенных ограничений, кроме того, имеется возможность создания возвратно-поступательного движения столика за счет вращения ручного маховика, что позволяет производить циклическое деформирование материала поверхностного слоя с произвольным числом повторных проходов индентора. В ряде случаев использование данного прибора как для оценки микротвердости, так и для определения активационных характеристик материалов является целесообразным.





Пример комплектации склерометрического комплекса для подобных исследований (разработка НТЦ «Надежность», 1997 г.) приведен на рис. 3.27. Комплекс содержит следующие основные узлы: 1 – склерометрическое устройство, созданное на базе микротвердомера ПМТ-3, оснащенного термостабилизирующим устройством, магнитным столиком, устройством фиксации образцов, а также тензометрическим датчиком сопротивления пластической деформации; 2 – оптический микрометр с видеокамерой, подсоединенной к окуляру; 3 – монитор для проецирования на экране изображения борозд при видимом увеличении 1000х; 4 – компьютер с программным обеспечением для обработки экспериментальных данных.

Рис. 3.27. Склерометрический комплекс, собранный на базе прибора ПМТ-3.8.1. ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ БОРОЗДЫ Ширину борозды на поверхности исследуемого материала можно оценить различными экспериментальными методами: измерением при помощи оптических приборов, путем снятия профилограммы поперек царапины, сканированием поверхности и др.

Первый способ может быть реализован на базе оптического микрометра ОМО (ГОСТ 7513-55), которым снабжены микротвердомеры типа ПМТ-3. При измерении ширины царапины образец необходимо установить таким образом, чтобы одна из неподвижных рисок на шкале микрометра легла вдоль одного края борозды, а подвижная риска – вдоль противоположного края. Увеличение микроскопа должно быть выбрано согласно требуемой точности измерения. Как показали эксперименты, для царапин глубиной в единицы и шириной в десятки микрон достаточную точность замеров можно получить при погрешности ±0,3...0,4 мкм/дел. Данный способ отличают малая трудоемкость, достаточная точность получаемых результатов, а также возможность игнорирования участков борозды со случайными дефектами поверхности, что особенно важно при исследовании приработанной поверхности. К недостаткам можно отнести субъективный характер измерений, при котором точность результата зависит от квалификации экспериментатора.

Для применения второго метода можно использовать стандартный профилограф-профилометр завода «Калибр» ВИ-1. При этом испытуемый образец необходимо расположить таким образом, чтобы игла профилографа проходила поперек царапины. Данные измерения являются объективными, а полученная профилограмма позволяет видеть форму борозды и оценивать геометрические характеристики для расчета ее фактической площади. Однако, учитывая малые размеры царапины, связанные с требованием оценки энергии активации в тонких модифицированных слоях материалов, а также необходимость снятия множества профилограмм с одной царапины для избежания случайных результатов, выполнение такого эксперимента довольно затруднительно. Кроме того, дополнительная погрешность при профилографировании царапин вносится за счет относительно большого радиуса скругления вершины иглы.

Исследования геометрии царапин, полученных при пластическом оттеснении индентором Виккерса неприработанной поверхности медного образца, проведены при помощи сканирующего интерферометра (см. рис. 3.16, а-в). Исследование проводилось в лаборатории департамента механики университета Тринити Колледж в Дублине. На снимках представлены: профиль борозды и микрошероховатость стенок царапины после однократного (рис. 3.16, а), пятикратного (рис. 3.16, б) и десятикратного (рис. 3.16, в) проходов индентора. Достоинством данного способа является высокая точность оценки геометрических характеристик царапины. К недостаткам относятся высокая стоимость аппаратуры, сложность ее обслуживания, необходимость специального персонала для проведения исследования. Сопоставление размеров ширины и глубины борозд показало, что их форма достаточно точно определяется формой индентора.

Подводя итог, можно отметить, что наиболее совершенными методами оценки объема активируемого вещества являются компьютеризированные методы анализа профиля борозды на исследуемой поверхности, выполняемые на специальной аппаратуре. Однако при отсутствии технического оснащения возможно также применение расчетного метода, основанного на данных оптических измерений.

3.8.2. ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ f Параметр в уравнении (3.20) является коэффициентом пропорF циональности между касательной силой и нормальной нагрузкой N, реализуемыми в зоне пластического контакта индентора с исследуемой поверхностью при склерометрировании. Величина этого коэффициента устанавливается из отношения f = = F N, (3.22) N где, – соответственно касательные и нормальные напряжения.

N Теория сплошных сред [3, 89] указывает на постоянство величины f при пластической деформации материала (по Мизесу f = 0,577, а из уравнения Треска-Сен-Венана f = 0,5). Однако эти выражения в данном случае неприменимы, так как материал поверхностного слоя не удовлетворяет требованиям однородности и изотропности, принятым в механике сплошных сред. В работе [9] предложено оценивать значение f с учетом анизотропии деформируемых материалов в виде 1- µ ij f =, (3.23) 1+ µ ij где µ – коэффициент поперечной деформации (показатель анизотропии) ij под углом 45° к главным осям i и j. При µ = 0,5 тело анизотропно.

Pages:     | 1 |   ...   | 22 | 23 || 25 | 26 |   ...   | 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.