WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 42 |

Отличием полученного выражения является наличие в эффективной величине энергии активации (числитель дроби) механической составляющей, выраженной вторым слагаемым. Однако физический смысл констант I и и в этом случае не ясен.

Пример иной организации кинетической модели изнашивания при фреттинге, параметры которой отражают связь механических и физико-химических свойств материала с характеристиками микрогеометрии контакта и параметрами внешних воздействий, представлен в работе [133]. Скорость линейного износа записывается как C k T L µ экв J =, (1.33) h А d в а где – предельное относительное удлинение; Сµ – атомная теплоемкость; – эквивалентная нагрузка; d – диаметр элементарного пятэкв на контакта; h – постоянная Планка; L – проскальзывание на контакте; – коэффициент теплового линейного расширения; – прев дел прочности; А – номинальная площадь контакта. Эквивалентная а нагрузка определяется из выражения = 3 = 3(q µ + 2 A f G), (1.34) экв r где – плотность материала; G – модуль сдвига; q – фактическое r давление в контакте; f, А – характеристики режима фреттинга, соответственно частота и среднегеометрическая амплитуда осцилляции в плоскостях контакта.

При этом механизм разрушения материала поверхностного слоя рассматривается как атермический, а его активационные параметры и скорость разрушения (частота активации локального объема) оцениваются аналитическим путем [102, 238]. При использовании приведенной расчетной модели изнашивания определенную сложность представляет оценка ее параметров для материала тонкого, модифицированного трением поверхностного слоя. Кроме того, учет влияния различных способов модифицирования поверхностей через коэффициент трения, предложенный в [133], не всегда оправдан, т. к. не существует надежной корреляции между фрикционными и противоизносными характеристиками материалов.

Принципиально новый подход к построению физической и расчетной моделей изнашивания в рамках кинетической теории был предложен Д.Г. Громаковским [64, 275]. В нем впервые непосредственно учитывались феномены: циклического разрушения материала поверхностного слоя металлических деталей узлов трения при усталостном изнашивании; влияния на процесс изнашивания динамической составляющей напряжения; локального характера контактирования поверхностей. Описание алгоритма построения модели содержится в [64], он содержит следующие этапы.

1. Контактирование осуществляется между твердыми поверхностями по дискретным, случайно расположенным площадкам фактического контакта, имеющим площадь А (рис. 1.6, а).

r 2. Накопление повреждений локализуется в микрообъемах материала, ограниченного площадью и глубиной h, на которой нахоr дится зона наибольшей концентрации дислокаций и других повреждений материала, т. н. debris-слой (рис. 1.6, б). Качественно микрообъем материала, лежащий выше этого слоя, характеризуется преобладанием разрыва межатомных связей над их релаксацией, что обуславливает необратимость его разрушения.

3. Разрушение каждого локализованного микрообъема материала при изнашивании имеет групповой характер и протекает за время охарактеризованного выше кинетического цикла «упрочнение разупрочнение разрушение» (рис. 1.6, в). При этом на первой стадии износ минимален, а накопление повреждений носит латентный характер. Длительность этой стадии обычно около 0,7 времени цикла. На второй стадии наблюдается быстрый рост отделения частиц износа. После удаления продуктов износа начинается новый цикл накопления повреждаемости и разрушения на новой совокупности выступающих неровностей.

V = A n h. (1.35) d r r 4. Для описания элементарного акта разрушения использованы представления кинетической термофлуктуационной концепции прочности, в которой долговечность единичной связи под нагрузкой определя([U0 ] [k ется формулой С.Н. Журкова: = - T]) [104, 102, 207, 221].

Va Ar a a а-а h Vкр a б в J, 10-W, м3/ч кДж 0,7Тц Ux критич.

2 Umax 110 130 150 Рr, МПа Тц t, ч.

г д е Рис. 1.6. К описанию кинетической модели изнашивания Д.Г. Громаковского:

а – образование активируемого микрообъема; б – частица износа;

в – накопление энергии повреждений в процессе трения; г – эпюры скорости изнашивания:

1 – в эксплуатации, 2 – при стендовых испытаниях, 3 – расчетные данные;

д – поле действующих нагрузок и изнашивание 5. Общее число связей, разрушающихся в каждом микрообъеме материала V за один кинетический цикл, оценивается гипотетически, d с помощью ряда принятых упрощений. Так, форма частиц износа (рис. 1.6, б) условно принята сферической. Такую же форму имеет элементарный активационный объем V. Число разрушаемых связей a определяется по количеству межузлий единичной кристаллической решетки N с учетом отношения локализованного микрообъема матеp риала V к объему среднестатистической частицы V и отношения поd кр верхности частицы среднестатистического размера S к поверхности Vкр одного активационного объема V.

a S V Vкр d = N (1.36) · p V S кр Vа 6. Общее время, необходимое для разрушения микрообъема материала V, определяется на основе гипотезы линейного суммирования d повреждаемости [243, 270] при уточнении количественной стороны по экспериментальным данным (рис. 1.6, в).

tц =, ч. (1.37) 7. Изнашивание в расчетной модели характеризуется средней скоростью диспергирования локализованного поверхностного микрообъема материала [м3/ч] за время цикла t.

ц J = V t. (1.38) v d ц С учетом требований размерности, соотношений (1.34-1.37), характеристики релаксации повреждений П, исходной повреждаемости р материала, а также диссипативности контакта (коэффициент поглощения – ) уравнение (1.38) было представлено в виде:



Ar nr h JV = U0 -. (1.39) Пр exp R T На рис. 1.6, г и 1.6, д приведены результаты расчета [64], данные стендовых испытаний и эксплуатации шлицшарнира основной стойки шасси самолета ТУ-134. Максимальная расчетная нагрузка в режиме пробега по взлетной полосе составляет 20,0 МПа, коэффициент динамичности – 1,7.

Приведенная расчетная модель может использоваться для оценки распределения величины износа по пятну контакта (рис. 1.6, д). Автор модели приводит методы ее адаптации при помощи различных поправок для случаев изнашивания с интенсивными окислительными превращениями на поверхностях, наличия гидродинамических эффектов при трении со смазочным материалом, теплового влияния, динамической компоненты действующего напряжения. Для поправочных коэффициентов и констант расчетной модели Д.Г. Громаковский приводит методики их аналитической и экспериментальной оценки [64, 87] и др.

Широкие возможности последней модели, связанные выполнением качественных и количественных оценок процесса усталостного изнашивания с учетом сопровождающих его реальных физических процессов, позволяют определить ее как физически обоснованную и наиболее развитую на современном этапе в теоретическом и практическом планах расчетную модель изнашивания. Однако основной трудностью при практическом применении модели по-прежнему остается экспериментальная оценка активационных характеристик U и модифицированных трением поверхностных слоев. Сложность составляют как процедура эксперимента (большие затраты времени при испытании материалов на длительную прочность), так и обоснование полученных результатов. Последнее связано с фактом существования спектра значений энергии активации для одного и того же материала в процессе его деформации при различных температурах [132]. Ограничением для использования термофлуктуационного подхода является переход к абразивному изнашиванию, когда преобладающим видом разрушения фрикционных связей является микрорезание.

С.Б. Ратнер объясняет это тем, что при превышении давления в зоне фактических пятен контакта определенной критической величины процесс изнашивания становится «безбарьерным» или, другими словами, не зависящим от температуры (атермическим).

1.3.6. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД Исследования в области кинетики деформации показали, что активационные параметры при переходе определенных значений температур способны скачком изменяться. Причем было установлено, что каждое изменение параметров соответствует смене доминирующего диссипативного механизма. Впервые этот эффект был обнаружен Дорном при исследовании ползучести металлов, когда для различных механизмов деформации был получен спектр значений энергии активации [132]. При трении было также установлено существование различных механизмов диссипации энергии [51]. Объяснение этому эффекту можно дать на основе теории синергетики, согласно которой деформируемый материал поверхностного слоя может рассматриваться как функциональная система [120], которая в условиях непрерывного притока энергии извне начинает проявлять признаки живой материи; обнаруживаются эффекты памяти, наследственности, самоорганизации, фазовых превращений, реакции системы на изменения внешних факторов и т. д. Синергетический подход, развиваемый в трудах Д. Кайзера, И.А. Одинга, Н.А. Буше, В.С. Ивановой, Л.М. Рыбаковой, Л.И. Куксеновой, И.Ж. Бунина, А.С. Баланкина, А.А. Оксогоева, А.Н. Назарова, И.И. Гарбара, Б.И. Костецкого, Л.И. Бершадского, Н.А. Коневой, Р.А. Мусина и др. [14-16, 39, 51, 55, 56, 96, 120, 122, 123, 128, 139-142, 174, 210, 212], при моделировании изнашивания может состоять в выборе критериев устойчивости системы и установлении критических значений параметров модели, в которых система достигает точки бифуркации – неустойчивости, предшествующей смене диссипативного механизма.

Одним из принципов составления модели поведения синергетической системы с учетом различных процессов, происходящих в ней на разных масштабных уровнях, является принцип мозаичной неравновесной термодинамики [120]. Этот принцип позволяет совмещать различные подходы к описанию механизмов и кинетики процесса изнашивания. Согласно данному принципу процесс изнашивания можно разделить на составляющие его механические, тепловые, химические, гидродинамические и др. элементарные процессы, затем построить для каждого мозаичного элемента свою модель, определенным образом соединить элементы и упростить обобщенную модель для случая установившегося режима трения.

В качестве примера подобного подхода можно привести аналитическое выражение для оценки интенсивности изнашивания с применением ключевых инвариантов, предложенное Ю.Н. Дроздовым [94, 97] в виде x y z I = K, (1.40) h( M ) M a см y ш y x KM где,,, – эмпирические величины, зависящие от физико-химических процессов; a, см, y, ш – обобщенные критерии (безразмерные комплексы), характеризующие соответственно напряженное состояние контакта, относительную толщину смазочного слоя, усталостную прочность трущихся поверхностей и влияние шероховатости. Выражение (1.40) составлено для случая, когда изнашивание обусловлено преимущественно механическим разрушением поверхности. При необходимости учета немеханических процессов в состав модели вводятся дополнительные критерии (термомеханический критерий, среднее число Пекле и др.), характеризующие эти процессы. В настоящее время в ИМАШ РАН ведутся работы по углублению полученных критериев с учетом синергетических дислокационных процессов, протекающих в деформируемых трением поверхностных слоях.





1.4. КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОГО ИЗНАШИВАНИЯ Проектирование узлов трения предполагает создание условий, предотвращающих при трении появление недопустимых, грубых форм изнашивания, обусловленных схватыванием, задирами и микрорезанием материала поверхностного слоя. Это достигается выбором оптимальных конструкторских и технологических решений, а также соответствующих конструкционных и смазочных материалов.

Большинство оставшихся видов изнашивания можно условно разделить на две группы. В первой основным механизмом повреждаемости является пластическая деформация поверхностного слоя (деформационное и абразивное изнашивание), во второй – его усталостное охрупчивание (фреттинг, фреттинг-коррозия, усталостное и окислительное изнашивание, контактная фрикционная усталость и др.). Особенность указанных двух групп – их конкурирующее влияние на долговечность пар трения. Какой вид изнашивания окажется ведущим в конкретных условиях эксплуатации, зависит от состояния материала.

Физическая причина этой конкуренции кроется в том, что при существующих технологиях упрочнения трибоматериалов изменение твердости, к сожалению, сопровождается уменьшением пластичности. При этом высокая пластичность в сочетании с малой твердостью активирует деформационные формы изнашивания, а высокая твердость в сочетании с малой пластичностью – усталостные. При этом отметим, что если усталостное изнашивание может протекать без деформационных явлений, то деформационные виды изнашивания всегда протекают на фоне усталостных процессов. Таким образом, усталость может рассматриваться как наиболее общая форма повреждаемости поверхностных слоев. Поэтому разработка физических и расчетных моделей усталостного изнашивания всегда вызывает большой научный и практический интерес.

С 1957 г. одной из самых весомых теорий, получившей всеобщее признание и давшей начало многочисленным исследованиям и моделированию изнашивания, является усталостная теория разрушения поверхностных слоев. Существенный вклад в её развитие внесли Розеану, К. Эндо, Фукуда, Х. Тогата, О. Такамиа, Г. Польцер, Дж. Холинг, Е. Финкин и др. Действие усталостного механизма повреждаемости материала поверхностного слоя в процессе контактного взаимодействия при трении активируется независимо от внешних условий и применяемых материалов. Усталостное изнашивание характеризуется существованием скрытого (латентного) периода, в течение которого отсутствует видимое разрушение материала поверхностного слоя, но происходит постепенное накопление дефектов [64]. При достижении определенной концентрации микроповреждений наступает фаза быстрого разрушения, когда «уставший» материал поверхностного слоя диспергируется в виде частиц износа.

Впервые на наличие тонкого дефектного, но сверхпластичного поверхностного слоя, сильно отличающегося от объемных свойств материала, усталость которого приводила к его отделению в виде частиц износа, указал в 1903 г. Бейльби [235]. Регулярные изменения параметров трения и изнашивания материалов наблюдались с первой половины прошлого века рядом исследователей. В 30-е годы прошлого века М.М. Хрущев, обнаружив периодические изменения коэффициента трения и интенсивности износа, признал это явление признаком нормальный работы узлов трения [100]. И.В. Крагельский с сотрудниками [147] обнаружили, что циклическое воздействие твердым выступом на поверхность вращающегося цилиндрического образца после определенного числа циклов вызывает лавинообразное диспергирование материала поверхностного слоя. Он объяснял усталостное изнашивание действием на материал знакопеременных упругих деформаций. Исследования японских ученых впервые показали наличие циклических изменений остаточных напряжений на поверхностях изнашиваемых материалов. Ими также была установлена аналогичная цикличность изменения относительной упругой деформации решетки поверхностей трения [224]. Е.А. Марченко [163, 164] обнаружила периодические изменения ширины дифракционных линий (220) -Fe, электросопротивления и микротвердости при трении цилиндра из стали ШХ-15 диаметром 3 мм по ровной поверхности. Периодический характер структурных измерений поверхностного слоя и локализация во времени процесса образования продуктов износа при трении были показаны в работах [2, 64, 163] и др. С 1975 г. А.Л. Жарин [100] и др. наблюдали циклические изменения интегральной характеристики состояния поверхностного слоя – работы выхода электронов (РВЭ). При этом отмечалось, что наличие периодов увеличения и уменьшения РВЭ с амплитудой 0,1эВ при трении широкого круга материалов при различных условиях испытаний является общим правилом, а их отсутствие – частным исключением. Данные о циклической регистрации скачкообразного роста количества частиц износа в смазочном масле, прокачиваемом через узел трения, были получены также Л.М. Логвиновым [159]. В результате экспериментальных исследований изнашивания различных конструкционных материалов (серого чугуна, сталей, титанового сплава ВТ-9, алюминиевой бронзы, никелевого сплава и др.) Ю.Н. Дроздовым, В.Г. Пинчуком, Д.Г. Громаковским, А.Г. Ковшовым, А. Бэллом было установлено существование устойчивых превращений в материале поверхностного слоя в виде кинетических циклов «накопление повреждений – разрушение». При испытаниях этот феномен проявляется в виде «ступенек» на кривой изнашивания (рис. 1.7, 1.8).

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 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.