WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 23 | 24 || 26 | 27 |   ...   | 42 |

ij В отличие от объемных тел, механические свойства поверхностных слоев существенно зависят от многих сложноучитываемых факторов, поэтому экспериментальный метод оценки коэффициента сопротивления пластической деформации f является предпочтительным. Для этого можно использовать тензометрический датчик силы царапания (рис. 3.28), привинчиваемый к подвешенному на двух плоскопараллельных пружинах стержню, вместо стандартной втулки для крепления индентора. Датчик представляет собой упругую пластину из пружинной стали 65Г, по обеим сторонам которой наклеены тензорезисторы по полумостовой схеме. Сигнал с тензорезисторов поступает на предварительный усилитель и далее на вход аналого-цифрового преобразователя LA-50USB, связанного с компьютером по порту USB. Обработка данных производится с помощью утилиты ADCLab (осциллограф-спектроанализатор). Тензопреобразователь при этом калибруется таким образом, чтобы коэффициент f отображался на экране в соотношении 1/1000мВ.

При испытаниях нагруженный индентор опускают на исследуемую поверхность и перемещением столика сообщают образцу возвратно-поступательное движение. При этом на экране компьютера происходит отображение эпюры действующей тангенциальной силы, текущие значения которой записываются в компьютерную базу данных с возможностью последующего воспроизведения и анализа. Результаты оценки коэффициента f для ряда конструкционных материалов в различных состояниях показаны на рис. 3.29.

Рис. 3.28. Тензометрический датчик силы царапания а б в г Рис. 3.29. Примеры эпюр коэффициента сопротивления пластической деформации (10-3) при реверсивном царапании материалов:

а – твердый сплав ВК-10; б – олово; в – серебро; г – сталь ШХ-Сопротивление пластической деформации материалов при царапании 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,Рис. 3.30. Значения коэффициента сопротивления пластической деформации для различных конструкционных материалов Эксперименты показали, что значения коэффициента f для большинства материалов находятся в пределах 0,15…0,25 (рис. 3.30).

3.8.3. ОЦЕНКА МОЛЯРНОГО ОБЪЕМА Молярный объем для чистых металлов рассчитывается по величине их атомной массы M и плотности, которые содержит справочник физических величин [247]. Выражение для расчета V имеет м вид M Vм = 103, [мм3/моль].

(3.24) Для сплавов молярный объем определяется исходя из процентного содержания примесей по формуле n V = (V C ), (3.25) м мi i i= где n – количество элементов в сплаве; V – молярный объем i-того мi элемента, рассчитываемый по (3.25); С – концентрация i-того элеменi та, % масс.

В процессе трения происходит текстурирование поверхностного слоя, что, однако, не вызывает изменения кристаллического строения материала. Дилатация при пластической деформации не превышает соf царап/f норм Коэффициент сопротивления пластической деформации, f Олово Серебро Стеллит ВКСталь 40Х (исходное Латунь ЛЧугун СЧ-состояние) Сталь ШХБронза БрБСталь Бронза БрБ(изношенная Сталь 40Х поверхность) Сталь 40 (без Твердый сплав выкрашивания) (выкрашивание) (выкрашивание) тых долей процента [90]. Вблизи свободной поверхности под действием вспышек температуры при контактировании шероховатостей происходят существенные изменения химического состава поверхностного слоя: обезуглероживание, образование нитридов и окислов и т. д. Поскольку этот слой имеет размеры порядка 0,23,0 нм [168], что значительно меньше толщины исследуемого слоя 0,13,0 мкм, можно считать, что при трении величины М и изменяются незначительно, а следовательно, при оценке энергии активации разрушения материала поверхностного слоя допустимо полагать, что модифицированное состояние не оказывает существенного влияния на величину V.

м Табличные значения величин [247] М и для ряда металлов и сплавов, их элементный состав, а также рассчитанные значения V м приведены в табл. 3.5.

Таблица 3. Молярный объем некоторых металлов и сплавов Материал Атомная масса Плотность, Молярный объем, 103 · кг/м3 мм3/моль Медь 63,564 8,96 Алюминий 26,982 2,6889 Железо 55,847 7,874 Титан 47,90 4,505 Никель 58,70 8,91 Магний 24,305 1,738 Хром 51,7,187,20 Сталь – 7,777,85 легированная Латунь – 8,28,85 Бронза – 7,59,1 3.8.4. ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОГО ЧИСЛА ПРОХОДОВ ИНДЕНТОРА В разработанной методике принято, что для оценки деформационных характеристик материала в режиме малоцикловой усталости число повторных проходов индентора по одной борозде должно быть не менее двух. Первый проход индентора служит только для создания базовой борозды, относительно которой рассчитывается объем материала, вытесненного при последующих проходах. Поэтому объем исходной борозды исключается из рассмотрения.

С увеличением числа проходов происходит рост объема борозды и площади упругого контакта граней индентора с поверхностью царапины. Если число проходов превысит определенное критическое значение Ркр, пластический характер контактирования сменится упругопластическим. Поэтому для обеспечения атермического режима пластической деформации поверхностного слоя при механическом воздействии число проходов индентора не должно превышать Ркр.

Таким образом, критерий выбора оптимального числа проходов индентора имеет вид 2 Р < P. (3.26) опт кр Величина Р для каждого материала требует экспериментальной кр оценки. На рис. 3.31 представлены зависимости объема материала поверхностного слоя, вытесняемого индентором V, от числа проходов P для приработанной поверхности образцов из стали 40Х и бронзы БрАЖН 10-4-4. Из приведенного графика видно, что величина V сохраняет свое значение при 26 проходах для бронзы и 2...8 – для стали.



V/L, 3 V/L, [мкм /мкм] [мкм3/мкм] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P а б Рис. 3.31. Изменение вытесняемого объема на участке царапины длиной L с увеличением числа проходов индентора:

а – бронза БрАЖН 10-4-4; б – сталь 40Х Результаты аналогичных испытаний для неприработанной поверхности меди, выполненных в университете Тринити Колледж в Дублине, представлены на рис. 3.32.

S, 70 V, мкммкм3 50 40 30 20 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 Число проходов индентора Число проходов индентора а б Рис. 3.32. Зависимость площади поперечного сечения царапин S (а) V и вытесняемого за один проход объема (б) от числа проходов при царапании индентором Виккерса поверхности медного образца (статическая нагрузка на индентор – 50 гс) На данных эпюрах показано, что для числа проходов Р в интервале P=26 площадь поперечного сечения борозды растет по закону, близкому к линейному (рис. 3.32, а). При дальнейшем увеличении числа проходов приращение объема борозды резко уменьшается (рис.

3.32, б), что свидетельствует об изменении характера контактного взаимодействия индентора с поверхностью. При этом борозда начинает деформироваться упругопластически, что вызывает накопление повреждений и развитие малоцикловой усталости в прилегающем слое. Это подтверждается скачками эпюры на 8-м и 12-м проходах, соответствующими отделению уставшего материала.

При выборе оптимального числа проходов желательно использовать значения, близкие к Р. Это дает возможность объективной оценки кр среднего количества активируемого материала. Многочисленные эксперименты показали, что для большинства металлов и сплавов диапазон оптимального числа проходов индентора находится в пределах 2...5.

3.8.5. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ИНДЕНТОР Величина статической нагрузки на индентор определяет глубину его внедрения. Для объективной оценки энергии активации величину нагрузки следует выбирать исходя из твердости материала и толщины модифицированного слоя h13 мкм [64]. Оптимальной является нагрузка, при которой глубина царапины не превышает вышеуказанную величину h. Поэтому выбор N осуществляется на основании эксперимента.

На основании результатов проведенных исследований можно рекомендовать значения N для различных материалов, приведенные в табл. 3.6.

Таблица 3.Оптимальные нагрузки на индентор Испытываемый Рекомендуемая Характерная глубина исматериал нагрузка, г следуемого слоя, мкм Пластичные антифрикци- 0,онные покрытия Цветные металлы Нецветные металлы, стали и сплавы 3.8.6. ОЦЕНКА СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА В гл. 2 был описан физический смысл коэффициента для макроскопических объемов как величины, пропорциональной степени относительной деформации материала поверхностного слоя. При царапании относительная деформация поверхностного слоя может достигать сотен и тысяч процентов. Боуден и Тейбор [36] обнаружили, что при царапании напряжения вблизи индентора включают большую долю гидростатического сжатия, в результате чего даже хрупкие материалы начинают деформироваться пластически при условии, что деформируемый объем меньше некоторого критического размера. П.В. Бриджмен [126] объясняет эффект повышения пластичности материалов с ростом давления возможностью «самозалечивания» разрывов под действием сжимающих напряжений. Поскольку пластичность поверхностных слоев зависит от множества физико-химических и механических факторов (термообработки, наклепа, смазки и т. д.), ее точная экспериментальная оценка для возможности расчета структурно-чувствительного коэффициента весьма затруднительна.

В приведенной методике оценки энергии активации, когда реализуется атермический механизм пластической деформации при механической активации материала поверхностного слоя, контактные давления близки по величине к значению твердости, поэтому при условии g=0 коэффициент можно определить непосредственно из выражения (2.60) как отношение U =. (3.27) H µ 3.8.7. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНОЙ ОЦЕНКИ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Методика испытания материалов включает следующие этапы [110]: подготовку образцов; выбор оптимальных режимов испытания образцов при трении (нагрузка, температура образцов, среда и т. д.);

выполнение операции склерометрии в заданном режиме; оценку деформационных характеристик царапин и расчет энергии активации U ; оценку микротвердости поверхности Нµ; расчет структурно-чувствительного коэффициента.

Подготовка образцов. Известно [2, 51, 55, 56, 96, 133, 139, 142, 141, 144, 147, 185], что через короткое время приработки в любой паре трения наблюдаются весьма существенное отличие свойств материала поверхностного слоя глубиной порядка нескольких микрометров от состояния материала после технологической обработки.

Для получения адекватных значений активационных параметров и их использования в расчетах на изнашивание материал и состояние поверхностного слоя, образуемого на испытуемом образце и на детали в реальных условиях, должны быть аналогичны.

С учетом того, что приработка материала в эксплуатации является трудоемким и дорогостоящим мероприятием, на этапе проектирования желательно использовать лабораторные методы получения образцов при помощи стандартных испытательных стендов, трибометров и машин трения. При этом должно быть соблюдено физическое подобие режима лабораторных испытаний и работы пары трения в эксплуатации.

В разработанном способе оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя вначале выполняется анализ режимов работы интересующей пары трения, на основе которого производят выбор: материала и вида его обработки; схемы установки для испытаний (палец – диск, плоскость – плоскость, шар – плоскость и т. д.);





условий трения (среда, вид смазки, давление, температура и т. д.);

вида нагружения (знакопеременный, знакопостоянный). После этого производят приработку образцов на соответствующих машинах трения при действии заданного рабочего режима. Испытания образца на выбранной машине трения в заданном режиме нагружения, смазки и т. п. продолжаются до завершения приработочного этапа и наступления установившегося процесса изнашивания.

Так как в процессе приработки испытуемого образца необратимой модификации подвергается только тонкий поверхностный слой, имеется возможность многократного использования одних и тех же образцов. Для этого после цикла проведенных испытаний нужно восстановить исходные характеристики материала поверхностного слоя за счет удаления модифицированного слоя. Это можно сделать механическим способом (шлифование и отжиг) или химическим травлением. Удаление с поверхности образца тонкого слоя не изменяет значительно его геометрические размеры. Поэтому такой способ исследований возможен и в том случае, когда испытания проводятся на поверхностях деталей машин.

Выбор оптимальных режимов исследования. Выбор и теоретическое обоснование оптимальных значений нагрузки N и числа проходов индентора P были рассмотрены выше. Согласно рекомендациям (табл. 3.6) и экспериментальным данным были выбраны следующие режимы испытаний. Число проходов индентора для металлов и сплавов P=2. Нагрузка на индентор составляет: 10 г – при исследовании материалов покрытий; 50 г – при исследовании модифицированного материала поверхностного слоя без покрытия. Относительно малое значение нагрузки при исследовании покрытий объясняется тем, что при нанесении царапин на покрытие необходимо исключить деформацию материала основы.

При длительной работе узла трения на поверхностях устанавливается определенная температура. Для многих машин, в частности транспортных средств, характерной является эксплуатация в нескольких режимах и при различных температурах внешней среды. Чтобы учесть эти факторы и оценить возможные изменения активационных характеристик на разных стадиях эксплуатации, необходимо проводить испытания образцов в некотором ожидаемом диапазоне изменения рабочих температур. В данной методике требуемая температура образцов задается и поддерживается при помощи электронагревательного устройства. Контроль над температурой обеспечивается датчиком (термопарой) и регулирующим устройством. Устройство позволяет работать в режиме непрерывного нагрева образцов со средней скоростью 3° в минуту, а также при фиксированной температуре.

Смазочный материал может повлиять на прочность материала поверхностного слоя [90, 225]. Поэтому перед выполнением царапин необходимо нанести на испытуемую поверхность граничный слой смазочного материала, в среде которого происходила приработка.

Для чистоты эксперимента перед каждым новым испытанием следует тщательно очищать индентор от следов смазочных материалов, оставшихся после предыдущих испытаний.

Выполнение царапин и расчет активационных параметров U и на лабораторном приборе типа ПМТ-3. На образец наносится тонкий слой смазочного материала. Подготовленный образец закрепляется на нагревательном устройстве, установленном на столике микротвердомера так, чтобы испытуемая поверхность расположилась под микроскопом. Причем образец следует сориентировать таким образом, чтобы при царапании направление движения индентора совпадало с направлением трения поверхности при приработке. После фокусировки микроскопа производится выбор участка для проведения исследований, затем столик поворачивается до упора против часовой стрелки вокруг вертикальной оси (при поднятом инденторе). При этом выбранный участок поверхности расположится под индентором.

После нагрева образца до требуемой температуры опускают индентор и наносят царапину, поворачивая маховик перемещения столика микротвердомера. Длина царапины определяется по нанесенной на корпусе шкале и должна составлять не менее 0,2 мм. Затем индентор поднимают, смещают столик с образцом в направлении, противоположном царапанию, на расстояние 0,1 мм, далее индентор снова опускают и наносят второй проход по имеющейся царапине на расстоянии 0,1 мм. При необходимости аналогичным образом делается требуемое число проходов индентора по одному и тому же участку исследуемой поверхности. Далее индентор поднимают и смещают столик с образцом в направлении царапания на 0,1...0,2 мм и повторяют склерометрирование не менее трех раз для возможности статистической обработки экспериментальных результатов.

Не изменяя расположения образца, при поднятом инденторе поворачивают столик микротвердомера так, чтобы исследуемый участок поверхности оказался под микроскопом. Совмещая риски оптического микрометра с краями полученной борозды, для каждого опыта производят замеры ширины исходной борозды D (узкой) и борозды после многократных проходов индентора D (широкой) (см. рис.

P 3.17). Определяют средние арифметические величины D и D по 1 P трем экспериментальным значениям. Производят оценку микротвердости поверхностного слоя Нµ по стандартной методике [61]. Затем по формулам (3.20) и (3.28) рассчитывают соответственно значения энергии активации U и структурно-чувствительного коэффициента.

Pages:     | 1 |   ...   | 23 | 24 || 26 | 27 |   ...   | 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.