WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 34 | 35 || 37 | 38 |   ...   | 42 |

5.3.3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Недостаток способа, описанного в п. 5.3.1, заключается в том, что в нем изучаемая область влияния смазочного материала на состояние поверхностного слоя ограничена лишь эффектом химической модификации, а получаемая характеристика – энергия активации деструкции смазочных материалов – не отражает влияния смазочного материала на поверхность при температурах ниже температуры химической модификации. Однако граничные пленки смазочных материалов при любых температурах эксплуатации узлов трения могут оказывать на металлические поверхности как упрочняющее воздействие (барьерный эффект граничных пленок для выхода дислокаций), так и разупрочняющее (хемомеханический эффект, эффекты Ребиндера и др.) [90]. Оба свойства широко применяются на практике: первое – для повышения износостойкости поверхностных слоев, второе – для облегчения приработки поверхностей и снижения сил резания при технологической обработке.

Важной технической задачей является оценка влияния граничных слоев смазочного материала на прочностные свойства металлических поверхностей в заданных условиях эксплуатации, поскольку посредством такого воздействия можно эффективно управлять ресурсом узлов трения на этапе эксплуатации. В способе, разработанном в НТЦ «Надежность» совместно с ОАО «Волгабурмаш» [225], эта задача решается за счет того, что оценивают энергию активации разрушения металлической поверхности до и после нанесения на нее пленки смазочного материала g и определяют разность полученных значений энергии активации.

Данные испытания смазочных материалов проводят с целью выбора смазки в диапазоне температур, соответствующих эксплуатационным, а вид и степень воздействия смазочных материалов на металлическую по g верхность определяют соответственно по знаку и модулю величины, g < 0 g > причем свидетельствует о разупрочняющем, – об упрочня g = ющем, а – о нейтральном воздействии испытуемого смазочного материала на металлическую поверхность.

Оценка разности значений энергий активации разрушения поверхностного слоя в сухом и смазанном состояниях в диапазоне эксплуатационных температур позволяет выявить действительное влияние смазочного материала на прочность поверхностного слоя при работе узла трения. Оценка характера влияния смазочного материала на g металлическую поверхность по знаку величины позволяет просто и однозначно контролировать упрочняющее, нейтральное или разу g прочняющее действие смазочного материала. Модуль величины позволяет сравнивать между собой степень воздействия различных смазочных материалов на металлическую поверхность. При этом па g раметр является интегральным, т. е. учитывающим комплексное влияние всех микромеханизмов, приводящих к данному эффекту.

g Описанное позволяет использовать величину в качестве критерия g = max при выборе противоизносных смазочных материалов ( ) и g = min смазочно-охлаждающих технологических средств ( ).

Способ выполняется следующим образом. Берут образцы из любых конструкционных металлов и сплавов, соответствующих материалам реальных узлов трения, для работы в которых предназначен исследуемый смазочный материал, и производят их приработку в условиях, близких к эксплуатационным, затем нагревают образец и термостабилизируют его при температуре, соответствующей области рабочего диапазона температур испытуемого смазочного материала, затем оценивают энергию активации разрушения сухой поверхности uсух.

Затем на поверхность металлического образца равномерно наносят пробу смазочного материала в виде тонкого граничного слоя и повторяют оценку энергии активации разрушения смазанной поверхности uсм. По знаку разности g = uсм - uсух (5.11) между энергией активации разрушения смазанной и сухой поверхностей определяют наличие при данной температуре упрочняющего ( g > 0 g 0 g < ), нейтрального ( ) или разупрочняющего ( ) действия смазочного материала на поверхность металла, а по модулю величи G ны определяют степень производимого эффекта.

Физическое обоснование заявляемого способа заключается в том, что повышение энергии активации разрушения поверхностного слоя, согласно кинетической теории прочности С.Н. Журкова, приводит к замедлению кинетических процессов разрушения; снижение энергии активации, напротив, способствует уменьшению прочности материала и облегчает процессы его деформации и разрушения.

Пример реализации способа показан на следующем примере.

Производили оптимизацию состава индустриального смазочного масла И-12А, легируя его двумя видами противоизносных присадок ТДЭА и ДАТ, вводимых в количестве 0,1% масс. При испытаниях образец из закаленной стали 40Х размещали на нагревательном устройстве, позволяющем производить термостабилизацию образца в диапазоне температур 20…200 °С. Нагревали образец до температуры, характерной для работы узлов трения двигателя внутреннего сгорания 80 °С, и производили оценку энергии активации разрушения поверхностного слоя сухой поверхности. После этого на металлическую поверхность нанесли несколько капель испытуемого смазочного материала до появления равномерного смазочного слоя и при той же температуре произвели повторную оценку энергии активации разрушения смазанной поверхности металлического образца. Затем по форму g ле (5.11) определили значение. Аналогичную процедуру проделывали для смазочных составов И-12А+0,1% ТДЭА и И-12А+0,1%ДАТ.

Результаты испытаний приведены на рис. 5.13. По результатам испытаний установлено, что при температуре 80 °С исследованные смазочные материалы оказали упрочняющее воздействие на металличе g > скую поверхность ( ), а максимальный эффект соответствует g = max составу И-12А+0,1%ДАТ ( ).



Данная методика может быть использована для прогнозирования триботехнических свойств смазочных материалов на стадии лабораторных испытаний.

g, кДж/моль И-12А И-12А+0,1% ТДЭА И-12А+0,1% ДАТ Рис. 5.13. Изменение энергии активации пластической деформации поверхностного слоя под действием граничной пленки смазочного материала 5.4. НЕКОТОРЫЕ ОСОБО ВАЖНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СРОКОМ СЛУЖБЫ УЗЛОВ ТРЕНИЯ МАШИН В целом проблема разработки системы УСС является сложной комплексной задачей. Для каждого конкретного объекта управления требуется предварительно провести большой объем работ, включающий выбор методик испытаний, контрольно-измерительной и диагностической аппаратуры, совокупности критериев и моделей объекта, сред компьютерного моделирования, а также внедрение системы мониторинга условий эксплуатации объекта и создание информационной системы, включающей необходимые базы данных для осуществления прогнозов, и др. мероприятия. Однако сложность подобной системы оправдана повышением надежности и безопасности подконтрольных объектов.

В табл. 5.1 приводится сокращенный перечень мероприятий, направленных на управление сроком службы объектов для различных этапов их жизненного цикла. Видно, что сфера, охватываемая этими мероприятиями, весьма широка. В данном разделе будут кратко отражены только некоторые ее аспекты, основанные на оригинальных разработках, выполненных в НТЦ «Надежность» СамГТУ, которые могут оказаться полезными при разработке систем УСС.

На этапе конструирования, как было отмечено в гл. 2, необходимо провести обоснованный выбор материалов и задать их прочностные свойства. В настоящее время эта задача на производстве часто решается долгим и дорогостоящим эмпирическим путем. Для элементов узлов трения, работающих в условиях сложного спектра разрушающих воздействий, для этих целей можно использовать методику, изложенную в гл. 1.

На этапе производства существенную роль в повышении долговечности играют упрочняющие технологии и испытания материалов. Далее будет рассмотрен один из новых и перспективных методов упрочняющей обработки поверхностных слоев, основанный на эффекте молекулярного армирования [231], впервые обнаруженного при оценке энергии активации деструкции смазочных материалов по методике, описанной в п. 5.2.4. Данную технологию по уровню происходящих процессов и масштабу упрочняемой зоны можно отнести к нанотехнологиям.

В плане испытаний материалов, как было отмечено выше, весьма актуальным является вопрос об их ускорении за счет форсирования разрушающих воздействий. Здесь необходим тщательный подход к выбору режимов испытаний с тем, чтобы обеспечить возможность однозначной интерпретации полученных результатов. Для этого требуется установить соответствие кинетики ускоренной и эксплуатационной повреждаемости материала. На практике реализовать эту задачу можно разными методами: экспериментальными, расчетно-экспериментальными и расчетными. Традиционным является первый, эмпирический путь. Однако более эффективными являются второй и третий методы, которые были описаны с позиций структурно-энергетического подхода соответственно в гл. 1 монографии.

Острая практическая необходимость явилась предпосылкой к тому, что самые существенные наработки по системам УСС связаны с этапом эксплуатации потенциально опасных объектов. Для существующих схем реализации систем УСС актуально повышение точности прогнозирования долговечности материалов за счет выбора адекватных критериев и методов оценки их повреждаемости. Полученные результаты позволили наметить новые подходы к диагностике фактического состояния материалов и прогнозированию их остаточного ресурса при использовании склерометрических методик и средств испытаний. Ниже будет изложен один из способов прогнозирования ресурсных характеристик материалов. За счет использования гипотезы о линейном накоплении повреждаемости и разработки соответствующего программного обеспечения была обеспечена доступность методики для использования в инженерной практике. Кроме того, будет представлен алгоритм возможной системы УСС ответственных элементов машин, в которой кроме величины износа учитывается и степень усталостной деградации материала.

5.4.1. РАЗРАБОТКА НОВОГО СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО АРМИРОВАНИЯ Известно [10, 241, 254 и др.], что применение методов упрочняющей обработки позволяет существенно повысить ресурс как вновь изготовленных, так и восстановленных деталей узлов трения машин, что стимулирует поиски новых, более эффективных, наукоемких и недорогих способов упрочнения конструкционных материалов. Неуклонная тенденция роста применения прецизионных механических устройств обусловила необходимость повышения прочности поверхностного слоя на очень небольшой глубине, принадлежащего к нано- и мезоскопическому масштабным уровням. Анализ данной проблемы показал, что современные требования к материалу поверхностных слоев деталей прецизионных механизмов сводятся к обеспечению высокой износостойкости, коррозионной стойкости и демпфирующей способности материала. Для этого в настоящее время промышленность все чаще обращается к нанотехнологиям – например, нанесению ультратонких, многослойных защитных покрытий. Известно [25, 30], что, управляя свойствами поверхностных слоев, можно эффективно повышать и объемную прочность материалов. Это объясняется тем, что развитие трещин происходит посредством микроскопических актов разрушения в области их вершин с образованием т. н. пластического шарнира, наблюдаемого даже у хрупких материалов. Таким образом, очаг разрушения при объемной усталости локализуется в поверхностном слое у вершины трещины, который подвергается тем же явлениям, что и поверхностный слой, расположенный снаружи. Поэтому методы обработки, снижающие поверхностную активность материалов, могут быть эффективными для предотвращения развития усталостных явлений в объеме. Еще одна причина необходимости поиска новых методов упрочнения – задача устранения общего недостатка существующих методов повышения прочности, заключающегося в том, что повышение прочности материалов приводит к их охрупчиванию, которое обусловлено ростом внутренней энергии поверхностных слоев при увеличении плотности микродефектов. Уменьшение пластичности снижает энергетические показатели прочности материалов: работу разрушения, ударную вязкость, энергию активации разрушения, стойкость материалов к ударным и вибрационным нагрузкам и т. п.





В данном разделе представлены разработки теоретических предпосылок и технологических основ нового способа упрочнения материалов методом диффузионного молекулярного армирования (ДМА) поверхностных слоев. Новый метод характеризуется повышением работоспособности материалов без снижения пластичности при одновременном повышении коррозионной стойкости поверхностного слоя. Приведены результаты проработки технологических основ нового метода упрочнения и оценка его эффективности на примере прецизионных подшипников качения. Полученные результаты и выводы могут быть использованы при разработке прецизионных узлов трения машин.

Описание метода ДМА С целью повышения износостойкости материалов автором в составе НТЦ «Надежность» СамГТУ был разработан новый способ [231], сущность которого состоит в том, что производимый при ХТО процесс насыщения атомами внедрения предлагается заменить процессом диффузионного насыщения поверхностного слоя радикалами в процессе механотермической обработки. В частности, можно использовать радикалы, образующиеся при деструкции смазочных материалов, которые, как известно, представляют собой цепочки химически связанных атомов, содержащие на конце незавершенную атомную связь (т. н. активные центры), что обусловливает их высокую прочность и химическую активность. Размеры радикалов превышают атомарные, поэтому их проникновение в кристаллическую решетку металлов путем обычной диффузии затруднительно, однако радикалы могут проникать вглубь поверхностного слоя через дефекты материала, расположенные по границам зерен или по ядрам выходящих на поверхность дислокаций. Миграция радикалов вглубь поверхностного слоя осуществляется за счет собственной избыточной свободной энергии радикалов, ядер дислокаций, границ зерен и протекает самопроизвольно согласно принципу минимума свободной энергии. Этот процесс можно интенсифицировать за счет механической активации материала при его холодной поверхностной пластической деформации. После взаимодействия дефектов поверхности с внешними радикалами происходит их пассивация за счет взаимной компенсации избыточной энергии.

Наблюдаемый эффект повышения прочности поверхностного слоя объясняется «армированием» материала поверхностного слоя цепочками атомов радикалов, прочность связей в которых до 5 раз превышает металлическую, а также барьерным действием внедренных радикалов на процесс образования и скольжения дислокаций, что препятствует накоплению дефектов и замедляет развитие усталости и разрушение материала. Впервые принцип молекулярного армирования был использован для упрочнения полимерных материалов. О таких наноармированных структурах М. Ратнер [203] пишет: «Представьте железобетон – обычный бетон, залитый в каркас из металлических прутьев, называемых арматурой. Если бетон заменить пластиком, а арматуру – прочными, устойчивыми, жесткими нанотрубками, получится наноструктурный композит с большим усилием на разрыв». В предлагаемой методике роль бетона играет металлическая матрица с выходящими наружу нанодефектами, а роль арматуры – прочные химически связанные цепочки атомов с нескомпенсированным зарядом. В данной методике используется один из основных принципов нанотехнологий – самосборка, который состоит в том, что молекулы всегда стремятся перейти на самый нижний из доступных для них уровень свободной энергии [203]. Если это можно сделать за счет взаимной компенсации свободных энергий дислокаций и радикалов, то это взаимодействие не только осуществится, но и будет происходить самопроизвольно, пока свободная энергия системы, обусловленная взаимодействием зарядов, естественным образом не примет минимально возможное значение. В данном примере для самосборки используется мультиполярное взаимодействие наноструктур – поверхностного дефекта и свободного радикала. Упрочненный слой при этом можно рассматривать как большой наноструктурный массив. Марк Ратнер [203] отмечает, что «самосборка почти наверняка станет предпочтительным методом создания больших наноструктурных массивов»; в этой же работе указывается, что самособирающиеся структуры можно использовать для придания поверхностям особых эксплуатационных свойств. Нетрудно усмотреть, что принцип самосборки является разновидностью более универсального синергетического принципа самоорганизации диссипативных структур, находящихся вдали от равновесия.

Pages:     | 1 |   ...   | 34 | 35 || 37 | 38 |   ...   | 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.