WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 42 |

И, И,мкм И,мкм мкм 0 1 6 (12Х2Ш4АШ) 480 400 2 Hµ,МПа К,МПа 1 6 (ВКС-4),рад/с,рад/с, МПа 7 (12Х2Ш4АШ) 40 300 0,8 = An/An+Hµ,МПа 0,3 0, 200 5 500 24 RZ,мкм С,% 7 (ВКС-4) 0,1 130 140 150 160 170 180 t, ч 0 10 20 t, ч 0 30 60 t,ч а б в Рис. 1.7. Циклические изменения состояния материала поверхностного слоя при трении [64]:

а – СЧ 21-40; б – конструкционные стали; в – сплав ВТ-9; I – износ;

2 – контактная жесткость; 3 – физическое уширение рентгеновских интерференционных линий; 4 – микротвердость; 5 – шероховатость; 6 – износ двух марок стали;

7 – остаточные напряжения; 8 – износ титанового сплава ВТ-9; 9 – микротвердость на ВТ-9;

10 – физическое уширение интерференционных линий; 11 – демпфирующая способность;

12 – содержание -фазы Vа Va Jv I I I II II II III III III t1 t2 t, ч t1 t2 t, ч t1 t2 t, ч Время а б в Рис. 1.8. Кинетика коррозионно-механического изнашивания [269]:

а, в – накопление объемного износа при трении; б, в – кинетические циклы изнашивания;

I, II, III – различные стали марки 070МВ работе [100] отмечено, что привлечение концепции усталостного разрушения для объяснения закономерностей изнашивания имело решающее значение для раскрытия механизма разрушения поверхностей при трении. Особенно этому способствовало открытие помимо многоцикловой усталости других форм усталости: малоцикловой, контактной, фрикционной, ударно-абразивной и др. Было установлено [270, 272], что на процесс усталостного изнашивания наибольшее влияние оказывает именно процесс пластической деформации, протекающий при трении на вершинах выступов шероховатостей и приводящий к малоцикловому усталостному разрушению поверхностного слоя.

В настоящее время усталостная теория изнашивания получила всеобщее признание. Во многих работах [23, 46, 64, 96, 133, 163, 165, 269, 272, 275, 282] можно найти обоснование усталостного характера механических и коррозионно-механических видов изнашивания, различие между которыми состоит в числе циклов до разрушения материала и характере повреждаемости. Многими учеными поддерживается мнение о глубокой связи между объемными и поверхностными усталостными явлениями. Это мнение поддерживается результатами рентгеноструктурных исследований, при которых было показано, что дислокационные субструктуры, формирующиеся при трении, аналогичны тем, которые образуются при объемном деформировании материалов. Впервые на качественное и количественное сходство закономерностей объемной и фрикционной усталости (износостойкости при усталостном изнашивании) было указано Й. Кимурой, установившим одинаковое влияние изменения атмосферного давления на интенсивность изнашивания и объемную выносливость образцов из никеля и золота. В подтверждение данной гипотезы Е.Ф. Непомнящий показал, что зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды действующего напряжения при объемном нагружении и при трении описываются аналогичными степенными функциями, имеющими одинаковую степень. В других работах показано, что аналогия между усталостными и фрикционными процессами имеет место не только в плане феноменологических закономерностей разрушения, но и на уровне физических, химических, микроструктурных и др. изменений материалов. А.Л. Жарин [100] предлагает по результатам испытаний на трение и изнашивание определять объемные усталостные свойства материалов. При этом один цикл усталостного диспергирования поверхностного слоя приравнивается к классическому испытанию одного образца на усталостную прочность. При всей привлекательности данного подхода повторно отметим, что свойства поверхностного слоя, деформируемого трением, существенно отличаются от объемных, что может привести к значительным случайным погрешностям. Общность закономерностей объемного и поверхностного деформирования в своей работе также отмечал В.В. Федоров [243].

При изучении усталостной повреждаемости поверхностных слоев важно выяснить, где формируются очаги и какую область поверхностного слоя охватывает данный процесс. На этот счет существуют разные мнения. Согласно моделям И.В. Крагельского, Дж. Холинга, Е. Финкина, Д.Г. Громаковского и некоторых других ученых область локализации процесса усталости сосредоточена на вершинах неровностей контактирующих поверхностей (рис. 1.9, область I). Однако в работе [100] отмечено, что с позиций указанных усталостных теорий невозможно объяснить феномен циклического изменения интегральных параметров трения и изнашивания (линейного износа, момента трения, РВЭ и др.).

V r I т Рис. 1.9. Схема локализации усталостных процессов в поверхностном слое II при трении (а) и соответствующая эпюра напряженно-деформированного состояния (б):

III I – область атермического разрушения; II – область малоцикловой усталости;

III – область многоцикловой усталости;

r – напряжения на ФПК, НВ;

r m – предел текучести;

01 – предел усталости а б Неоднородность материала поверхностного слоя, неравномерность Рис.1.9. Схема локализации усталостных процессов в тепловых и силовых воздействий (вследствие дискретности контакта), поверхностном слое при трении (а) и соответствующая эпюра напряженно-деформированного состояния (б): I – область казалось бы, должны привести к образованию на поверхности множеатермического разрушения; II – область малоцикловой усталости; III – ственных очагов повреждаемости с различными фазами протекания область многоцикловой усталости; – r усталостного процесса, вследствие чего напряжения на ФПК, r НВ;

интегральные параметры по – предел текучести; – предел усталости.



т верхностей трения должны быть сглажены по времени и по площади поверхности. Однако фактически наблюдается синфазность процессов усталостной повреждаемости на всей поверхности трения и, как следствие, синхронное разрушение материала поверхностного слоя на всех участках фактического контакта. Данный факт может быть объяснен только с позиций подповерхностной локализации усталостных процессов (впервые такая возможность была указана Ё. Кимурой), при которой поверхность в зоне фактического касания, упруго и пластически деформируясь, транслирует механические напряжения в более глубокие слои, где под действием знакопеременных нагрузок будут накапливаться усталостные микроповреждения [100] (см. рис. 1.9, области II и III). Схожий для различных материалов характер поверхностного усталостного разрушения показан в табл. 1.3 на примере исследования топографии поверхностей трения: посеребренной бронзовой втулки; износостойкой наплавки на цапфе опоры скольжения бурового долота;

ролика опоры качения бурового долота; обоймы шарнира равных угловых скоростей (ШРУС) легкового автомобиля.

Как видно из рис. 1.9, можно выделить три характерные области, в которых сосредоточены основные процессы повреждаемости материала поверхностного слоя. На верхнем уровне (область I) расположены вершины неровностей, вступающие в непосредственное контактное взаимодействие с контрповерхностью. Высокие давления на фактических пятнах контакта HB обусловливает быстрое (за вреr мя одного касания) протекание атермических процессов повреждаемости, которые в зависимости от условий трения могут включать пластическое смятие (сдвиг и оттеснение) материала, микрорезание, схватывание и перенос вещества. Глубина данной области равна величине сближения нагруженных поверхностей за счет внедрения твердых выступов в контрповерхность и, как правило, не превышает долей микрометров. На среднем уровне (область II) сосредоточена область сдвиговых пластических деформаций поверхностного слоя.

Вследствие периодического прохождения выступов контртела над данной областью материал претерпевает знакопеременную циклическую упругопластическую деформацию, в результате чего происходит генерирование и накопление дислокаций. Таким образом, формируется debris-слой, ответственный за малоцикловое усталостное изнашивание материала, толщина которого, как правило, составляет единицы микрометров. В процессе эксплуатации периодические процессы образования и разрушения этого слоя могут происходить многократно. На нижнем уровне (область III) сосредоточена зона развития многоцикловой контактной усталости, развиваемой за счет переменных нагрузок, превышающих предел усталости трущегося материала.

Основным механизмом повреждаемости в этой области является упругий гистерезис, обусловленный микропластическими деформациями отдельных неблагоприятно расположенных зерен. Глубина залегания данной зоны может быть достаточно велика (10-3...10-4 м).

Поэтому начало усталостного выкрашивания материала на этой глубине приводит к выходу узла трения из строя.

Таблица 1.Изменение топографии поверхностей трения в фазе усталостного разрушения Материал Антифрикционное Износостойкая Ролик долота, Обойма шарнира покрытие наплавка Сталь равных угловых Ag+2%Sb Stellit 55СМ5ФА-ШД скоростей, подшипниковая сталь 1. Фаза образования микротрещин с точечными очагами выкрашивания 2. Фаза слияния микротрещин с образованием локальных участков выкрашивания Окончание табл. 1.Матери- Антифрикционное Износостойкая Ролик долота, Обойма шарнира ал покрытие наплавка Сталь равных угловых Ag+2%Sb Stellit 55СМ5ФА-ШД скоростей, подшипниковая сталь 3. Фаза интенсивного хрупкого разрушения поверхностного слоя 4. Фаза завершения усталостного разрушения с остаточными «островками» исходной поверхности 5. Образование новой поверхности трения, кгс/мм100 200 300 400 h, мкм Рис. 1.10. Изменение напряжения сдвига (по результатам В. Вутке) В. Вутке [235] на основе анализа распределения полей напряжений показал, что при переменном взаимодействии трения между изогнутыми поверхностями можно получить два максимума нагрузки (рис. 1.10): один, находящийся более глубоко (на расстоянии сотен микрометров) и обусловленный макроконтактом (область III), способен привести к усталостным сколам и выкрашиванию; второй находится на расстоянии нескольких микрометров (область II) от поверхности трения (в приповерхностной зоне). Критическая глубина поверхностного слоя, в котором начинают зарождаться частицы износа, зависит от полей напряжений и температур.

Накопление дефектов, сопровождающее усталостные процессы, нельзя рассматривать как исключительно деградационный процесс.

Исследования, проведенные в работах [51, 55, 56, 120, 122, 139], показали, что низкотемпературная деформация сопровождается самоорганизующимися перестройками дислокационных субструктур, отвечающих за диссипацию механической энергии. Смена диссипативных структур происходит в детерминированной последовательности в виде «размытых» кинетических фазовых переходов I рода. Схема изменения диссипативных структур носит общий характер для всех металлов и сплавов (рис. 1.11).

В работе [51] показано существование аналогичных диссипативных структур, образующихся и эволюционирующих в материале поверхностного слоя при трении. Внутренним параметром, определяющим фазу диссипативной структуры, является скалярная плотность дислокаций [139]. Кривая усталостного изнашивания, полученная для различных металлов [64, 133, 269], также имеет форму «размытого» скачка, что приводит к предположению о возможности существования взаимосвязи между кинетическими циклами изнашивания и кинетическими фазовыми переходами механизмов диссипации энергии, а также о возможности появления зародышевых микротрещин, вызывающих разупрочнение и разрушение материала поверхностного слоя в результате самоорганизации и эволюции диссипативных структур.





В иерархии диссипативных структур важным является вопрос о фазовом переходе, отвечающем за начало диспергирования поверхностного слоя в виде частиц износа. Как видно из рис. 1.11, диссипативные структуры можно условно разделить на три группы: неразориентированные однородные, разориентированные однородные и разориентированные неоднородные; после этой группы следует аморфизация материала [120], т. е. потеря упорядоченной структуры атомов. В каждой из указанных областей могут происходить один или несколько фазовых переходов [51]. В работе [139] указывается, что при переходе от неразориентированных субструктур к разориентированным резко увеличивается концентрация микро- и мезотрещин в деформируемом материале, тогда как на предыдущей стадии образование трещин носит случайный характер.

хаотическое распределение 2·109 скопления клубки сетчатая ячейки без 5· разориентировок А Б 1010 ячеисто-сетчатая с ячейки с разориентировками разориентировками 2· полосовая 4·1010 субструктура с непрерывными и дискретными разориентировками, см- аморфная Рис. 1.11. Схема иерархии диссипативных структур [139]:

А – однородные материалы; Б – неоднородные материалы Учитывая, что характерная толщина слоя, накапливающего повреждения при трении и подверженного диспергированию, имеет мезоскопические размеры, можно предположить, что зародышевые микротрещины, которые, по С.Н. Журкову, являются главной причиной разрушения материалов, появляются в результате кинетического фазового перехода в области разориентированных диссипативных структур, а значит, указанный процесс растрескивания при содействии касательных сил способен инициировать диспергирование «уставшего» материала поверхностного слоя.

В подтверждение приведенной гипотезы можно привести экспериментальные данные [133, 139]. В работе [51] указано, что начало диспергирования материала поверхностного слоя соответствует достижению критической плотности дислокаций 0,551010см-2. В этой области, согласно [139], преобладающими являются разориентированные дислокационные субструктуры, а основными механизмами деформации – дислокации и дисклинации. Наконец, результаты исследования изнашивания титанового сплава ВТ-9 [133], выполненные А.Г. Ковшовым, показали, что средняя плотность дислокаций в материале поверхностного слоя при разрушении составила 0,91010см-2.

Взаимосвязь процессов, протекающих на разных масштабных уровнях, схематично показана на рис. 1.12.

И, мкм Критическая область 10 tр 0 4 8 12 16 t, часы а хаос неразориен- разориен- тированные тированные б 109 1010 1011, см-в Рис. 1.12. Взаимосвязь процессов, происходящих на макро- (а), мезо- (б) и микроуровне (в) при усталостном изнашивании:

а – кривая изнашивания титанового сплава ВТ-9;

б – эволюция дислокационных субструктур; в – шкала плотности дислокаций По определению [120], диссипативные структуры – это высокоупорядоченные самоорганизующиеся образования в системах, далеких от равновесия, обладающие определенной формой и характерными пространственно-временными размерами. Диссипативные структуры могут перейти в устойчивое состояние только путем скачка (кинетического фазового перехода). Из данного определения следует, что принципиально возможно построить расчетную модель усталостного изнашивания на базе кинетической теории, в которой кинетическими единицами будут не элементы структуры материала (атомы и молекулы), а элементы организации дефектов – диссипативные структуры. Для этого необходимо найти способы определить их характеристики – пространственные (локализацию, объем) и временные (долговечность).

Переход при изучении кинетики разрушения материала поверхностного слоя от диссипативных структур атомного масштаба (вакансия, разрыв межатомной связи и т. д.) к структурам мезоскопического масштаба, в которых происходят синергетические процессы (самоорганизация и эволюция дислокационных субструктур), требует нового подхода к моделированию изнашивания и идентификации параметров модели. Согласно исследованиям [64, 139], размеры диссипативных структур (дислокационных ячеек, клубков, фрагментов и т. д.), в том числе и толщина активируемого слоя, не могут быть достаточно достоверно оценены до начала деформации материала. Они не зависят от исходной структуры (крупнозернистой, мелкозернистой) деформируемого материала и имеют определенную, характерную только для данных условий работы, величину [139]. Поэтому в работе [64] глубина debris-слоя определяется после этапа приработки поверхностей экспериментальным путем – методом рентгеноструктурного анализа [64]. В целом весь активируемый при трении debris-слой можно назвать диссипативной системой, состоящей из большого числа структурно-кинетических единиц, самоорганизующихся в поверхностном слое трущихся деталей. Этим затруднено его математическое описание и оправдан эмпирический подход к его оценке. В отличие от микроскопического масштаба рассматриваемой системы (в энергетических моделях) [168], мезоскопический масштаб, которому соответствуют характерные размеры debris-слоя, позволяет учесть не только коллективные процессы, происходящие внутри ячеек, блоков мозаики и т. д., но и более крупные по масштабу явления, такие как образование субграниц, ротация ячеек, блоков и др.

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 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.