WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 42 |

Привлекательность феноменологического подхода для описания процесса разрушения при трении связана с достаточной простотой получения механических характеристик и возможностью описания износостойкости при помощи несложных эмпирических зависимостей вида = f( М, а ), i=1…n, (1.1) i где М – механическая характеристика, а – эмпирические коэффициенты.

i Первые эмпирические расчетные модели изнашивания опирались на идею об аналогии износостойкости с механической прочностью материалов. Подобные эмпирические модели разрабатывали М.М.

Хрущев, М.А. Бабичев, В. Тонн, К.Д. Стрэнг, Д.Т. Барвелл и др. [224, 255, 256, 271]. Механические модели являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей. В 1937 г.

Тонн предложил первую эмпирическую формулу для расчетов изнашивания при абразивном износе. Применяя аналогичный подход, М.М. Хрущев и М.А. Бабичев установили [255], что для технически чистых металлов и сталей в отожженном состоянии относительная износостойкость при абразивном изнашивании прямо пропорциональна микротвердости Hµ, и предложили следующее уравнение для оценки износостойкости материалов:

= b H, (1.2) µ где b – коэффициент пропорциональности, общий для всех указанных металлов и сталей.

Для сталей в состоянии после закалки и отпуска на различную твердость относительная износостойкость имеет также линейную зависимость от микротвердости:

= + b (H - H ), (1.3) 0 µ где и Н – соответственно относительная износостойкость и микро0 твердость данной стали в отожженном состоянии; b’ – коэффициент пропорциональности. Однако вид данной формулы оказался непригоден для оценки износостойкости механически наклепанных металлов и сталей. Это объясняется тем, что в процессе самого изнашивания перед разрушением материала наблюдается более высокий наклеп.

При изучении изнашивания металлов, сплавов и минералов о жестко закрепленное абразивное зерно для большого числа испытанных материалов установлено соотношение:

- 4 1, = 0,49 10 E, (1.4) где Е – модуль упругости.

Однако детальное изучение этой зависимости показало, что авторами было допущено отклонение, которое заключалось в несоблюдении постоянства влияния всех факторов на изнашивание материала, т. е. менялось соотношение значений твердости абразива и материала.

Исследование влияния соотношения твердости абразива и материала на износ позволило выявить функциональную связь H a =, (1.5) H µ где – коэффициент, Н – твердость абразивной частицы.

а Учет влияния свойств среды, размеров зерен абразивных частиц на массовый износ материалов приводит к выражению более сложного вида:

H p F S a u = f, (1.6) H E µ где u – массовый износ, f – коэффициент трения, p – удельная нагрузка, F – площадь контакта, S – путь трения, – плотность изнашиваемого материала, – коэффициент, показывающий влияние среднего размера зерна крупной фракции на величину износа материала, – коэффициент, показывающий влияние СОЖ на величину износа.

При условии, что в процессе изнашивания распределение поверхностных сил не меняется во времени, а время работы превышает начальный период разрыхления материала, выражение для расчета скорости изнашивания А.С. Проников представил в виде степенной функции [185]:

m n I = k v P, (1.7) ск где v – скорость скольжения; P – нагрузка; m, n – показатели степени.

cк Экспериментальные исследования зависимости износостойкости сталей от предела усталости при абразивном изнашивании показа-ли, что линейной зависимости между ними не существует. Данная связь имеет весьма сложный нелинейный характер. Это позволило авторам [83, 88] сделать предположение о том, что предел усталости не является основным критерием абразивной стойкости материалов и природа усталости не имеет полного соответствия механизму абразивного изнашивания.

Общие законы изнашивания, полученные при этом подходе, могут быть выражены следующим образом [273]:

– износ пропорционален нагрузке;

– износ обратно пропорционален твердости изнашиваемого материала.

Эмпирический поход не имеет эвристической ценности, так как многие процессы, протекающие на микро- и мезоуровнях, оказываются при этом завуалированы эмпирическими коэффициентами, для которых не был определен четкий физический смысл.

При использовании данных моделей не принимается во внимание пластичность материалов. Сопоставление износостойкости металлов и минералов, имеющих одинаковую величину твердости, но разную пластичность, приводит к разнице в результатах почти на порядок (износостойкость металлов выше в 11,4 раза) [224]. Эмпирические модели не находят развития в современной трибологии, однако из-за простоты полученных формул они до сих пор предлагаются к использованию, в частности, при изучении абразивного изнашивания бурильного инструмента. Эмпирический подход до сих пор имеет место при разработке современных методов расчетного прогнозирования износостойкости материалов. Так, например, в 1996 г. Г.М. Сорокин с сотрудниками [220] установили, что для сталей 45 и Д5 справедливо уравнение регрессии * И = 0,53 + 0,003HV - 1.35 f, (1.8) И HV связывающее их износостойкость с твердостью и нормирован* f ным коэффициентом сопротивления царапанию.

1.3.2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ПОДХОД Механический подход к моделированию изнашивания привел к созданию полуэмпирических выражений, которые на протяжении последней четверти века составляют основную расчетную базу для проведения оценок изнашивания. Это связано, во-первых, с достаточной простотой использования полученных зависимостей и, во-вторых, с возможностью качественного и количественного анализа процесса изнашивания. В основу этих моделей, построенных с учетом размерностей параметров на основе представлений об изнашивании как о механическом процессе, легли следующие предположения:



– износ пропорционален пути трения;

– износ пропорционален работе силы трения;

– износ полностью определяется физическими параметрами процесса и механическими свойствами материалов поверхностных слоев.

В механическом подходе поверхностный слой рассматривается как сплошное деформируемое твердое тело, отвечающее за диссипацию механической энергии трения, материал которого обладает структурными особенностями и физико-химическим состоянием, отличающими его от материала, локализованного в объеме, что выражается разными значениями их механических характеристик. Логика построения полуэмпирических расчетных моделей изнашивания основана на какой-либо теории или гипотезе изнашивания, в которых часто учитывались параметры процесса трения и механики контактного взаимодействия.

В Японии Общество инженеров-смазчиков приняло для расчетов изнашивания характеристику, предложенную Ланкастером, – удельный объемный износ:

cм V =, (1.9) NL кгс L где – путь скольжения. Было установлено, что величина может меняться в пределах 10-11...10-5.

При условии, что путь трения на истираемой поверхности одинаков и износ распределен равномерно, безразмерная запись параметров изнашивания может быть более удобной. В нашей стране использовалась следующая характеристика: безразмерная интенсивность изнашивания.

I =, (1.10) h p a pa где – номинальное давление. Связь интенсивности изнашивания с объемным, линейным и весовым износом определена формулами V h 1 G I = I = I = ; ;. (1.11) h h h A L L A L т тр тр т тр В работе [240] отмечается, что скорость изнашивания можно определить из соотношения h =, (1.12) N N где h – толщина разрушаемого слоя, – число циклов до разрушения, – частота возмущающих колебаний.

В.Д. Кузнецов [151] под интенсивностью изнашивания понимал величину износа детали или образца металла, приходящуюся на единицу работы трения:

V =, (1.13) f P L где V – износ материала твердого тела за опыт; f – коэффициент трения; P – нормальная нагрузка; L – путь трения.

Вследствие трудоемкости определения работы силы трения для расчета интенсивности изнашивания выражение (1.13) чаще используется в виде V = f =.

(1.14) P L Такой прием, хотя и упрощает испытания, ставит под сомнение объективность оценки показателя износа, так как коэффициент трения не является постоянной величиной, а зависит от ряда факторов:

материалов пары трения, режимов работы, среды и т. д. В других случаях интенсивность изнашивания определяется как величина износа на единицу обусловленного пути трения.

Развитие адгезионной теории изнашивания, в которой размеры частиц износа намного превышали атомарные и были соизмеримы с величиной фактических пятен контакта, обязано трудам американских ученых Ф.Т. Барвэлла, С.Д. Стренга (1952), Дж. Ф. Арчарда (1953), В. Нирста (1956) и др. Так, на основе анализа адгезионного изнашивания Арчард вывел классическое выражение для расчета разрушаемого при трении объема поверхностного слоя [267, 268] N W = k. (1.15) 3HB В уравнении Арчарда, которое позже было усовершенствовано Е.

Рабиновичем и Роу, коэффициент k – вероятность отделения частицы износа на пятне контакта – может изменяться в пределах 10-2...10-7. В ином представлении уравнение (1.9) имеет вид P L P L V = k = k, (1.16) 1 3 HВ HВ где k, k – коэффициенты изнашивания; L – длина пути трения;

1 НВ – твердость.

Аналитическое изучение абразивного изнашивания материала при скольжении по его поверхности коническим выступом привело к k = 2 tan( ) модели аналогичного вида, в которой.

Принимая во внимание малоцикловой характер разрушения материала поверхностного слоя, Чаллен предложил использовать для анализа разрушения эмпирическое уравнение Мэнсона-Коффина [270, 272, 281] и получил выражение для расчета коэффициента изнашивания 9 3r µ 9 3r µ k = =, (1.17) D 1- D n C t t где r – отношение пластической работы к полной работе трения; µ – коэффициент трения; n – число циклов до разрушения; С, D – константы материала; – приращение деформации за цикл нагружеt ния.

Д.Г. Эванс и Д.К. Ланкастер [276] предложили новый, более удобный вид уравнения изнашивания Д. Арчарда:

V = k P L, (1.18) где k – размерный коэффициент изнашивания, обычно записываемый в единицах [мм3/Нм].

Несмотря на столь широкое распространение данной модели, практика ее использования указала на определенные проблемы. Некоторые из них были упомянуты на последнем конгрессе по трибологии. В частности, до сих пор отсутствуют достаточно надежные способы оценки коэффициента изнашивания. Влияние на его значение различных комбинаций материалов, режимов работы, среды и т. д. часто приводит к большим расхождениям между результатами, полученными аналитическим путем, и экспериментальными данными. Кроме того, методы экспериментальной оценки коэффициента изнашивания на стандартном лабораторном оборудовании типа «палец – диск» или «палец – плоскость» часто дают результат, отражающий более условия, созданные в лаборатории, чем реальные условия при эксплуатации.

Близкая по структуре зависимость предложена В.М. Богдановым [32] для оценки интенсивности износа гребней колес и боковой поверхности головки рельса:

f J = K pV h, kp V где К – коэффициент износа; p – давление в зоне контакта; – скоf рость скольжения; – коэффициент трения; kp – плотность материала.





И.В. Крагельским [148] для расчета интенсивности усталостного изнашивания разработана расчетная модель, отражающая феноменологическое описание микрокартины разрушения поверхностного слоя:

A h ф J =, (1.19) ( + 1)n d A к где h* – максимальное абсолютное внедрение микронеровностей твердого тела; – параметр кривой опорной поверхности; n – число циклов до разрушения; d – диаметр пятна касания; А – площадь факф тического контакта; А – контурная площадь поверхности контакта.

к Метод оценки величины h* проиллюстрирован на рис. 1.5.

h = b hmax h* A Aф l Ак l а б Рис. 1.5. Схема контакта шероховатых поверхностей:

(а) кривая опорной поверхности определение деформируемого объема материала (б) [185] В данной модели количество изношенного материала ставится в зависимость от объема, вытесненного из поверхности материала при внедрении в нее твердых выступов контртела. Сложность практического применения данной модели объясняется тем, что определение значений А, h*,, и подстановка их в выражение (1.19) дает гроф моздкие и малопригодные для инженерных расчетов выражения, хотя и позволяет качественно определить влияние различных параметров на интенсивность изнашивания материалов.

Несмотря на указанные проблемы, эти модели до сих пор представляют интерес для многих исследователей, непрерывно развиваются новые методы оценок параметров этих моделей [273, 275, 281].

1.3.3. МЕТАЛЛОФИЗИЧЕСКИЙ ПОДХОД С физической точки зрения, поверхностные слои деталей пар трения представляют конденсированную среду, состоящую из соединенных между собой различными связями (ковалентными, ионными, металлическими и др.) атомов и молекул. В 1940 г. Хольм, рассматривая процессы атомарного взаимодействия поверхностей при трении на микроуровне, получил выражение для оценки изношенного объема W материала на единичном пути скольжения:

N W = z, (1.20) HB N где – нормальная нагрузка, z – вероятность удаления атома с поверхности при встрече его с атомом контртела.

Если ранние работы в области металлофизики опирались на представления об идеальной решетке, то в настоящее время основным объектом изучения являются различные виды несовершенств – дефектов кристаллической решетки [178]. Применительно к описанию изнашивания знания из данной области помогают установить на микроуровне свойства различных дефектов, природу их образования и миграции, возможность накопления и аннигиляции, характерные масштабы и т. д. Таким образом, в свете металлофизического аспекта под поверхностным слоем понимается несовершенное, анизотропное кристаллическое твердое тело.

Большой вклад в изучение структуры и свойств кристаллической решетки поверхностных слоев внесли В.С. Иванова, Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенова, Л.И. Бершадский, В.А. Ермишкин, В.И. Владимиров и др. [29, 208-212]. Металлографический и рентгеноструктурный анализы трущихся материалов показали, что процесс изнашивания сопровождается существенными изменениями структуры и свойств тонких поверхностных слоев на микроуровне. Выявлены доминирующие виды дефектов и диссипативные дислокационные субструктуры, самоорганизующиеся при трении на определенной глубине поверхностного слоя. При этом одно из лидирующих положений приобрела дислокационная теория усталостного разрушения материалов, развиваемая в трудах П.В. Назаренко, Р. Куртеля, Н.П. Су, Л.М. Рыбаковой, Б.Б. Павлика, Н.М. Алексеева [96, 154, 208, 210] и др. ученых.

Впервые общие представления о дислокациях были введены в 1934 г.

в работах Орована, Поляни, Тейлора, Френкеля, Конторовой [137].

Экспериментальное доказательство их существования было получено Ментером в 1956 г. методом просвечивающей электронной микроскопии. Этот метод до сих пор является единственным средством непосредственного наблюдения дислокаций [137]. Объективность дислокационной теории обусловлена тем, что в процессе повреждаемости происходит постепенный рост плотности дислокаций, максимальное значение которой в материале наблюдается непосредственно перед разрушением (до 1011...1012 см-2) [232]. В.И. Владимиров отметил [51], что разрушение материала поверхностного слоя наступает при достижении плотности дислокаций 0,551010см-2, что позволяет принять эту характеристику как внутренний параметр, контролирующий усталостное изнашивание. Имеются и другие работы, в которых отражается связь между поведением дефектов кристаллической решетки и свойствами материалов на макроуровне [64,160].

Дислокации играют ведущую роль в процессе пластической деформации материалов и образования зародышевых трещин, однако при этом нельзя не учитывать влияние других дефектов. Например, все кристаллические материалы обладают весьма высокой плотностью вакансий [198], доходящей в сильно наклепанных материалах до 1018...1019 атомов/см-3, а в деформированных трением поверхностных слоях – до 2,5·1021 атомов/см-3 [232]. Столь высокая плотность точечных дефектов обусловливает возможность чисто вакансионного механизма появления микропор, слияние которых может стать очагом трещины, а также центром адсорбции или окисления. Скорости движения вакансий не высоки, но вакансии способны объединяться в устойчивые комплексы (дивакансии, тривакансии и др.), подвижность которых может быть весьма высокой. Кроме того, вакансии вступают в активное взаимодействие с дислокациями, создавая вокруг них определенную атмосферу. По мере деформирования материалов помимо накопления дислокаций и вакансий в них происходят полигонизация, текстурирование, измельчение зерен и др. процессы.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.