CC BY
54
УДК 621.787:620.169
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗМАШИН НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ НАУЧНЫХ ОСНОВ УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
В.Я. Коршунов, доктор технических наук П.Н. Гончаров, аспирант Д.А. Новиков, аспирант
ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
Резюме. На основе термодинамического подхода к процессу разрушения твёрдых тел разработаны основы упрочняющих технологий для повышения долговечности деталей сельхозмашин.
Ключевые слова: долговечность, упрочнение, твёрдость, внутренняя энергия, энергия активации, дислокации, вакансии.
The resume. On the basis of the thermodynamic approach to process of destruction of firm bodies bases of strengthening technologies are developed for increase of durability of details of agricultural cars.
Keywords: durability, hardening, hardness, internal energy, energy of activation, a disposition, vacancy.
Введение. Важнейшей задачей сельскохозяйственного машиностроения в условиях рыночной экономики является производство продукции высокого качества и долговечности при минимальной её себестоимости.
Сравнительные полевые испытания зарубежных и отечественных сельскохозяйственных машин, проведённых Кубанским научно-исследовательским институтом в 1997-1998 г.г. показали, что средняя наработка на отказ комбайна Джон Дир CTS в 10 раз выше, чем отечественного комбайна Дон-1500Б. Наработка на отказ трактора Джон Дир мод.7810 оказалась выше отечественного трактора МТЗ-82 в 15 раз [1].
Низкие показатели долговечности отечественных комбайнов и тракторов увеличивают время их ремонта, снижают эффективность уборки сельскохозяйственной продукции, что в конечном итоге повышает её потери и себестоимость.
Материалы и методы. Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы сельскохозяйственных машин в значительной степени зависят от упрочнения (твёрдости) поверхностного слоя детали HVo, полученного в процессе её изготовления. Согласно современным представлениям, основанным на термодинамическом подходе к вопросу прочности и разрушения твёрдых тел, упрочнение металлов при различных технологических процессах обработки определяется уровнем накопленной упругой энергии дефектов Ueo. Полученные ранее В.К.Старковым [2], В.В.Фёдоровым [3] и другими специалистами зависимости по определению величины Ueo. и установлению её взаимосвязи с твёрдостью носили полуэмпирический характер или имели большое расхождение с экспериментальными данными. Таким образом, учитывая выше сказанное, можно сделать вывод, что данная научно-техническая проблема является актуальной и требует своего решения.
Следует отметить, что для решения существующей научно-технической проблемы необходимо использовать комплексный подход, который объединяет научные направления в различных областях знаний: физики твёрдого тела, механики деформирования, материаловедения, термодинамики, термокинетики, теплофизики и др.
На основе комплексного подход получена система функциональных уравнений упрочнения, разупрочнения и разрушения твёрдых тел в процессе пластической деформации [4].
HVi = f (Uei ) (1)
Uei = f (Ueo, Ti, Oi,Vd, nd, na,),
где HVi - твёрдость материала после обработки; Ueo,Uei - величина упругой энергии искажения атомной решётки материала после определённой термической обработки, легирования (начальный уровень) и степени деформации (упрочнения), с учётом процесса аннигиляции дефектов (разупрочнения) при деформировании; Ti, oi, Vd - температура, напряжение, скорость
деформирования; п - количество дислокаций возникающих в процессе пластической деформации; па - количество атомов в ядре дислокаций.
Уровень упрочнения материала и сопротивление его пластической деформации определяется запасённой его кристаллической решеткой дефектами, прежде всего дислокациями и вакансиями при наличии трансляционной моды деформации и дисклинациями при ротационной моде. Увеличение дислокаций и вакансий в деформируемом объёме приводит к увеличению упругой энергии деформирования в материале, а следовательно и твердости, а аннигиляция дислокаций и вакансий в процессе деформирования и остывания приводит к уменьшению упругой энергии и разупрочнению материала. Согласно энергетическому принципу, основанному на первом законе термодинамики - законе сохранения энергии, баланс энергии в процессе пластической деформации твёрдых тел равен:
с! о) dq сН 1 сН I п
& & & &
= 0. (2)
Согласно уравнению (2) скорость изменения внутренней энергии будет равна (точка дифференцирование по времени)
й = ф-4-й„.
При этом следует учитывать начальный уровень внутренней энергии Цо, накопленной материалом до деформирования, которая состоит из упругой энергии цео и тепловой составляющей Цто
й = ио+Аи = иео+ито+Аие1+Айт1 .
Большая часть работы деформирования СО превращается в тепло q и рассеивается в окружающей среде за счет теплообмена, незначительная её часть остаётся в твёрдом теле, повышая тепловую составляющую внутренней энергии Цт Меньшая часть накапливается в виде упругой энергии деформации Це1 за счет накопления различного рода дефектов и повреждений, а также расходуется на поворот субблоков и зерен на определенный угол в процессе деформации Цп. Начальный уровень внутренней энергии материала можно изменять термообработкой, легированием, упрочняющим деформированием, а также изменением температуры (плазматроном, лазерным лучём и т.д.).
В термодинамической теории прочности и разрушения твёрдых тел за интегральную меру повреждаемости и критерий разрушения принята плотность внутренней энергии и её критическое (предельное) значение Ц*, накапливаемоё в деформируемых микрообъёмах и согласно структурно - энергетической теории прочности твёрдых тел, предложенной В.С.Ивановой, равна энтальпии плавления в жидком состоянии. Условие разрушения записывается в виде:
Ц0+Ди=и*=Соп81 .
Величина начального уровня упругой энергии Цео, определяющей твердость материала ИУо до деформирования, зависит от вида термообработки и степени легирования. Статистическая обработка экспериментальных данных позволила получить зависимости для расчета величины начального уровня упругой энергии в микрообъёме (3) и твёрдом теле от твёрдости (4). Эти формулы взаимосвязаны. Ц» = 30-10"6 ИУо , (3)
Цео = 85- 10"5 ИУо . (4)
Результаты и их обсуждение. Разработанная методика по определению начального и критического уровней упругой (внутренней) энергии, а также твёрдости даёт возможность рассчитывать плотность упругой энергии в макро объёме обрабатываемой детали
Це = Цео+Лие1= Цео+ (ИУ - ИУо ) tqaнv , (5)
1аа„у =-=->
ЯК-ЯГ як-яг
где НУ* - критическая твёрдость обрабатываемого материала, которая определяется по формуле
'у^-1
НУ* = Вт к + С А,пг, (6)
где КУ - коэффициент, учитывающий скорость деформирования; оТ - физический предел текучести; А1 - процентное содержание остаточного аустенита в термообработанной стали; Су, пу - эмпирические коэффициенты.
нализ уравнения (6) показал, что критическая твёрдость материала в процессе пластической деформации достигается при напряжении равному значению овт, которое назовём максимальным пределом прочности.
С помощью уравнения (5) можно решать обратную задачу: определять по величине накопленной в объёме упругой энергии ие1 твёрдость НУ! упрочнённого материала в процессе термической и механической обработки (резание, шлифование, ППД)
НУ, =
и, иТ0 и А -
НУ,т НУ,-НУ, ^_
и,-иТ0-ие0 _ (7)
Из уравнения (7) видно, что для расчёта упрочнения (твёрдости) обрабатываемого материала необходимо знание величины накопленной упругой энергии Uei в процессе пластической деформации. Зависимость для определения накопленной материалом упругой энергии в процессе механической обработки, с учётом силового и температурного факторов, а также времени остывания получено в виде:
и,
и.
НУ,
V ■ ехр
ЛГ -
и к I Ъ-т,
и' = и-<а,. и" = и + (01
? ?
^=0,5-10-'■кат-тг<р/Ь-Уа-Ну
где и',и''- энергия активации образования и аннигиляции дефектов; Ш.ал - энергия активации аннигиляции дефектов в процессе остывания заготовки; к- постоянная Больцмана; Ь -постоянная Планка; Яу - газовая постоянная, пересчитанная на 1 мм3; Т1 - абсолютная температура; и - постоянная доля энергии образования и аннигиляции дефектов; ю1 - необратимая работа, затраченная на перемещение атомов в плоскости скольжения дислокаций под действием внешней силы; среднее напряжение сдвига, действующее в зоне резания; - среднее
значение коэффициента перенапряжения межатомных связей; Уа - атомный объём; N - число атомов в активируемом объёме; Ъ - время остывания заготовки после резания.
Выводы. Разработанные научные основы упрочняющих технологий позволяют прогнозировать рациональные режимы термической и механической обработки при изготовлении конкретной детали.
Список литературы. 1. Разработать рекомендации по функционированию МТС, т.ч. рациональному выбору номенклатуры, объёмов работ, состава МТП и других материально -технических ресурсов с привязкой к кубанской МТС: Отчёт о НИР (заключ.) / КубНИИТиМ; Руковод. работы А.Т. Табашников. - №ГР 0211058169; Инв. №4б - 98. -Новокубанск, 1998. - 40с. - Исполн. Нагиев В.В., Волошин С.А.
2. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов / В.К. Старков. - М.: Машиностроение, 1979. - 178 с.
3. ФедоровВ.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел/ В.В.Федоров. -Ташкент: Фан, 1985. - 167 с.
4. Коршунов В.Я. Повышение эксплуатационных свойств машин прогнозированием и технологическим обеспечением физико-механических параметров материалов на основе принципов синергетики / В.Я. Коршунов // Вестник машиностроения. - 2000. - №6. - С.48 - 53.
