WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 42 |

Ряд методов повышения износостойкости, таких как накатка роликом, упрочнение щеткой или дробью, основан на холодной пластической деформации, при которой происходит наклеп и текстурирование материала поверхностного слоя. Наклеп происходит также при механической обработке деталей узлов трения и, далее, во время их приработки. Следовательно, реальный материал поверхностного слоя всегда в определенной мере является наклепанным. Поэтому важно оценить степень влияния наклепа на прочность материала поверхностного слоя.

Испытания показали, что наклепанный материал имеет существенно более высокие значения энергии активации. Например, для стали 40Х в зависимости от степени наклепа значения энергии активации могут изменяться в диапазоне 42100 кДж/моль, для стали ШХ-15 – 73195 кДж/моль, для меди – 1045 кДж/моль, для бронзы БрАЖН10-4-4 – 2486 кДж/моль, т. е. более чем в два раза. Полученные результаты свидетельствуют о том, что исходная поврежденность материала повышает его прочность. Объяснение этому эффекту можно найти в теории синергетики, где указывается, что повышение плотности дислокаций вызывает появление более эффективных механизмов диссипации энергии и самоорганизацию диссипативных структур, препятствующих дальнейшему повреждению материала. Корреляция энергии активации и степени упрочнения поверхности показана на примере испытаний стальных роликов подшипников буровых долот (рис. 5.5).

Из рисунка видно, что корреляция имеет линейный характер. Тем не менее в литературных источниках указывается возможность развития микротрещин на значительной глубине упрочняемого материала поверхностного слоя, которое может привести к интенсивному усталостному изнашиванию. Поэтому для каждого материала существует оптимальная степень твердости наклепанного материала и дальнейшее упрочнение является нецелесообразным.

Испытания зубков буровых долот из твердого сплава ВК-(рис. 5.6) показали, что величины энергии активации U и микротвердости Нµ коррелируют лишь до Нµ1500кг/мм2, а в зависимости от режимов спекания диапазон изменения энергии активации для этого сплава может составить u =85155 кДж/моль. Эти результаты подтверждают значительное влияние пластичности на качество спекаемых материалов. Интересно, что аналогичная зависимость износостойкости материалов, подвергнутых термообработке, от твердости указана в работе [196].

Известно [50, 56, 120, 135, 137-139], что в ходе деформации материала диссипативные процессы протекают в определенной иерархической последовательности. Поэтому при изучении активационных характеристик особый интерес представляет сравнение значений энергии активации различных механизмов диссипации энергии. Это позволит установить место, занимаемое механизмом скольжения дислокаций в иерархии диссипативных процессов. Сравнительная оценка энергии активации различных механизмов для меди приведена в табл. 5.2 [178].

Таблица 5.Сравнение энергии активации различных процессов для меди Наименование Скольжение Образова- Образова- Образование Сублимапроцесса дислокаций ние ние порога при ция атома вакансии межузельно- переползании го атома дислокации Энергия активации, 1045 96192 336528 100 кДж/моль U0, кДж моль ВК- ШХ- Cт.40Х БрАЖН10-4- Л Cu Al+5%Mg Al 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Нµ,кг/ммРис. 5.4. Корреляция значений энергии активации U и микротвердости Нµ различных материалов U0, [кДж/моль] 500 600 700 800 900 Нµ, кг/ммРис. 5.5. Корреляция значений энергии активации и твердости стальных роликов подшипников буровых долот U, [кДж/моль] 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 Нµ, кг/ммРис. 5.6. Корреляция значений энергии активации и твердости зубков буровых долот Как видно, величина энергии активации пластической деформации ниже остальных значений. Сравнение значений энергии активации (табл. 5.3) пластической деформации с энергиями активации процессов сублимации и самодиффузии некоторых металлов, известных по литературным источникам [132, 207], показало аналогичный результат. Вероятно, именно благодаря низким значениям энергии активации пластическая деформация при равных условиях протекает гораздо быстрее других механизмов деформирования, таких как, например, диффузионная и дислокационная ползучесть. С другой стороны, энергия активации химического взаимодействия среды с материалом поверхностного слоя, установленная Т.Ф. Куинном [289], имеет еще более низкий порядок 10-1100 кДж/моль. Это обусловливает высокую скорость образования окислительных пленок на металлической поверхности и их низкую прочность.

Текстура материала поверхностного слоя проявляется в виде вытягивания зерен в направлении деформации и является основной причиной анизотропии механических свойств. Она может появиться при прессовании, штамповке заготовок, механической обработке деталей, а также в процессе трения.

Таблица 5.Сравнение активационных характеристик различных диссипативных процессов Активационные параметры процессов Материал пластической низкотемператур- высокотемпературной деформации ной ползучести ползучести и разрушения при ползучести U, U, кДж/моль U, 0 0 кДж/моль кДж/моль Медь 10 0,25 195 335 Алюминий 6 0,29 148 219 Алюминий 12 0,19 148 215 + 5%Mg БрАЖН 10-4-4 24 0,16 80 100 Для исследования влияния текстуры на прочность материала поверхностного слоя производили оценку энергии активации разрушения приработанной поверхности вдоль и поперек направления скольжения.



Результаты испытаний показали, что прочность материала поверхностного слоя при деформировании вдоль текстуры выше, чем при поперечном деформировании. Различие в значениях энергии активации после накатки поверхности роликом может составлять до 15%. Так, например, накатка поверхности стали 40Х приводит к следующим значениям U : вдоль текстуры 72 кДж/моль, а поперек – 64 кДж/моль. Влияние анизотропии наблюдалось также на отожженных, полированных стальных образцах, для которых энергия активации в зависимости от направления царапания менялась от 30 до 45 кДж/моль, т. е. на 70%.

Повышение прочности материала к напряжениям, приложенным вдоль текстуры, можно объяснить тем, что при трении оси главных напряжений металлических зерен вытягиваются вдоль направления скольжения. Это приводит к повышению механических свойств в этом направлении. Из работ [9, 90] также известно, что анизотропия материала может существенно повлиять на его долговечность, пластичность, а также коррозионную стойкость.

Другим методом повышения прочности материала является введение в него различных легирующих добавок и примесных атомов (твердорастворное упрочнение) [120]. Из табл. 5.3 видно, что энергия активации нелегированных материалов (медь, алюминий) значительно ниже, чем материалов, содержащих легирующие добавки (бронза, алюминиево-магниевый сплав).

Следует отметить, что прочность материалов при диффузионных механизмах деформации зависит от приведенных факторов несколько иначе [132, 207]. В частности, не обнаруживается значительного влияния примесей и степени упрочнения на величину энергии активации высокотемпературной ползучести материалов. Интерпретация полученных результатов может быть основана на том, что процесс дислокационного скольжения связан с определенными кристаллографическими направлениями. При этом локальные препятствия, такие как атом примеси, неподвижная дислокация, скопление дислокаций и т. д., будут играть роль «шероховатостей», повышающих локальный энергетический барьер для скольжения дислокаций и, следовательно, понижающих скорость этого процесса.

5.2.2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ Температура является одним из важнейших параметров состояния термодинамической системы, существенно влияющим на скорость кинетических процессов и прочность материалов. Для оценки влияния температуры на энергию активации разрушения материала поверхностно слоя проводились исследования, при которых образцы различных материалов закрепляли на нагревателе, задавали терморегулятором необходимую температуру и определяли значение u при температурах в диапазоне 20200 °С. Установлено, что с повышением температуры возможны два процесса, связанные с изменением энергии активации (рис. 5.7). Первый – разупрочнение предварительно наклепанных материалов, обусловленное процессом отпуска. При этом после определенной степени нагрева наблюдается достаточно резкое снижение энергии активации до значений, соответствующих отожженным материалам. Эпюра изменения энергии активации при последующих циклах «нагрев – охлаждение» повторяет зависимость u =f(Т) для отожженных материалов. Пример данного эффекта для стали ШХ-15, поверхность которой была наклепана шлифованием, проиллюстрирован рис. 5.7. Второй процесс проявляется в отожженных образцах, в которых при нагревании материалов (в исследованном диапазоне температур) энергия активации претерпевает незначительное монотонное повышение, что, вероятно, обусловлено повышением пластичности материалов и свидетельствует о неизменности диссипативного механизма. Незначительное влияние температуры на величину энергии активации при сохранении ведущего механизма деформации также было отмечено Д. Дорном [132].

Значительное влияние на процесс изнашивания оказывает среда, в качестве которой чаще всего выступает пленка смазочного материала. Известны различные эффекты, производимые смазочной средой на трущихся поверхностях, которые могут привести как к повышению стойкости материала к разрушению, так и к разупрочнению материала. Исследование влияния различных сред на величину энергии активации выполняли путем нанесения перед экспериментом тонкого слоя изучаемого смазочного материала на поверхность отожженного образца из стали 40Х. Испытания проводили при комнатной температуре. Из результатов испытаний, представленных на рис. 5.8, видно, что после нанесения смазочного слоя на металлическую поверхность энергия активации материала поверхностного слоя может существенно измениться и в сторону увеличения (ТАД-17И, Литол-24+ТДЭА), и в сторону уменьшения (Супер-Т, И-40 и др.).

Упрочняющее действие может быть обусловлено диффузией элементов внешней среды в материал поверхностного слоя, что приводит к торможению дислокаций, а также барьерным эффектом граничного слоя смазки, препятствующего выходу дислокаций наружу и способствующего упрочнению материала поверхностного слоя во время его деформирования [90]. Разупрочнение может происходить в результате действия эффектов Ребиндера. Подобное влияние смазочных материалов наблюдалось также на наклепанных образцах.

Присадки к смазочным материалам также способны существенно повлиять на прочность материала поверхностного слоя [110, 225, 264]. Результаты исследований энергии активации разрушения при нанесении на металлическую поверхность пленки смазочных материалов с различными присадками, представленные на рис. 5.8, показали, что введение присадок может изменить прочность материала поверхностного слоя в любом направлении.





U0, [кДж/моль ] 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Т, ° С - Медь;

- Сталь 40Х ; - Алюминий.

- Сталь ШХ-15; - Сталь ШХ-15 (наклеп) Рис. 5.7. Влияние температуры на энергию активации материала поверхностного слоя U, [кДж/моль] 6 5 4 3 2 1 Чистая Супер -Т Супер-Т ТАД-17И Эмульсия Литол-24 Литол-24 И- поверхность +Ст2 (СОЖ) +Ст1 +ТДЭА Рис. 5.8. Влияние различных сред на энергию активации разрушения материала поверхностного слоя стали 40Х.

Температура испытаний 20 °С 5.2.3. КОМПЛЕКСНОЕ ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ Значительный интерес представляет исследование одновременного влияния температуры и рабочей среды на прочность материала поверхностного слоя. Как было отмечено, при стандартных испытаниях на изнашивание, проводимых на лабораторном оборудовании (ЧШМ, ТТ-1), в ходе испытаний происходит саморазогрев смазочных материалов. При этом температура рабочей среды может повыситься относительно начальной (комнатной) на несколько десятков градусов.

Поэтому необходимо оценить, насколько оправдано подобное пренебрежение к изменению температуры.

Исследование температурной зависимости энергии активации материала поверхностного слоя с нанесенным на него слоем смазочного материала производили на отожженных образцах из стали 40Х. Энергия активации оценивалась при различных температурах в диапазоне 20200 °С. Результаты испытаний, представленные на рис. 5.9-5.11, показали, что в условиях контакта поверхности с рабочей средой изменение температуры оказывает значительное влияние на прочность материала поверхностного слоя. Причем при подобных исследованиях часто можно отметить, что зависимость имеет выраженный нелинейный характер. Даже небольшое изменение температуры (в пределах 20 °С) способно существенно повлиять на величину энергии активации разрушения материала поверхностного слоя. При исследованиях был обнаружен интересный эффект, заключающийся в том, что смазочные материалы, повышающие прочность материала при низких температурах, могут оказывать инверсное воздействие при повышенных температурах, и наоборот. В ряде случаев повышение энергии активации имеет место только в определенном диапазоне температур.

Добавление присадок к смазочным материалам производит изменение вида температурной зависимости энергии активации разрушения материала поверхностного слоя при наличии на нем граничного слоя смазки. Из полученных результатов (см. рис. 5.9-5.11) следует, что каждому смазочному материалу, в том числе и с присадками, соответствует свой оптимальный температурный диапазон, в котором энергия активации принимает максимальные значения. В каждом случае этот диапазон требует экспериментальной оценки, так как температурная зависимость энергии активации материала с нанесенным на его поверхность смазочным слоем не сохраняется при переходе к другому материалу (рис. 5.12).

Величина и знак остаточных напряжений неоднозначно влияют на долговечность и контактную выносливость поверхностных слоев [232].

В ряде опытов показано, что при наклепе волочением или прокаткой, создающем растягивающие остаточные напряжения, усталостная прочность возрастает. Имеются и обратные наблюдения, что делает в целом информацию противоречивой. Установлено, что макронапряжения почти полностью исчезают после пластической деформации 0,2...1,0% [232]. Исследование влияния остаточных напряжений на энергию активации пластической деформации показали, что сам факт появления этих напряжений почти не изменяет величину накопленной энергии, но зато существенно влияет на скорость ее роста, что обнаруживается при исследовании кинетики повреждаемости материалов.

Более однозначно расценивается влияние наклепа. Отмечается повышение сопротивления усталости с ростом степени наклепа независимо от способа его создания (растяжением, обкаткой и т. д.), в т. ч. и при деформации трением. Самые существенные изменения материала поверхностного слоя происходят в результате приработки поверхностей при трении. При этом происходит его комплексная структурная и физико-химическая модификация. Результаты исследования влияния приработки на энергию активации материала поверхностного слоя представлены в табл. 5.4. Работа проведена в лаборатории университета Тринити Колледж в Дублине.

U0, [кДж/моль] 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Т, ° С - И-12А, - И-12А+0,1ТДЭА, - И-12А+0,1ДАТ.

Рис. 5.9. Влияние температуры на энергию активации материала поверхностного слоя стали 40Х в среде индустриального масла И-12А, в т. ч. с различными присадками U0, [кДж/моль] 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Т, ° С - И-40А, - И-40А+0,1ПТII, - И-40А+0,1БII, - И-40А+0,1ПТIII, - И-12А+0,15ТДЭА.

Рис. 5.10. Влияние температуры на энергию активации материала поверхностного слоя стали 40Х в среде индустриального масла И-40А, в т. ч. с различными присадками Таблица 5.Влияние приработки и текстуры на активационные характеристики материала поверхностного слоя Активационные Материал характеристики Алюминиевый Медь Латунь Лсплав (+5% Mg) Энергия активации U :

– до приработки 41,38 48,05 54,– после приработки 45,01 88,80 84,Структурно-чувствительный коэффициент :

– до приработки 0,35 0,36 0,– после приработки 0,34 0,45 0, U, [кДж/моль] 5 4 3 2 1 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Т, ° С - И-40+ ДАТ, - Аспект модификатор, - Dura Lube.

Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 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.