Разработка концепции модели изнашивания и склерометрического способа оценки кинетических параметров разрушения поверхностей трения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК .539.4

РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ И СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОЦЕНКИ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

© 2011 Д.Г. Громаковский

Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 10.11.2011

Предложена концепция и модель оценки термофлуктуационных кинетических параметров повреждаемости металлических материалов - удельной энергии деформации, накапливаемой энергии повреждения и энергии активации пластической деформации. Для экспериментальной оценки этих параметров разработан программно-аппаратурный комплекс.

Ключевые слова: изнашивание, повреждаемость, удельная энергия деформации, накапливаемая энергия повреждаемости, энергия активации пластической деформации, поверхностный слой, индентор Виккерса.

1 Разработка физической концепции изнашивания опирается на идеях, впервые высказанных М.М. Хрущовым [1], И.В. Крагельским [2], Б.И. Костец-ким [3], И.Н. Дроздовым [4], а также рядом зарубежных ученых еще в 60.. ,70-е годы.

Так, в 1967 г. Т. Квин [5] предложил кинетическую модель изнашивания материалов при окислительном механизме разрушения поверхности, в которой время до разрушения окисной пленки под действием механических напряжений трения ограничено достижением пленкой критической толщины - ^. Механическое напряжение в модели представлено импульсами напряжений. Прирост массы окисла описан в виде параболической функции

Аш2 = Кр1 , (1)

где Кр - постоянная параболической аппроксимации скорости окисления. Ограничивая прирост массы окисла предельной толщиной пленки Аш =^р (р -плотность окисла), автор получил выражение связи критической толщины пленки со временем

= КрХ / р2, (2)

В формуле (2) время до разрушения пленки определено через постоянную параболической аппроксимации скорости окисления

2^2

t =

РГ к

(3)

Кр = Ac expl -

Uo_ RT

где Лс - постоянная; С/0 - энергия активации; Я и

Т - универсальная газовая постоянная и температура в уравнении Арениуса.

Разрушение вторичных структур в рассматриваемой модели происходит периодически, а регулятором скорости разрушения является скорость роста пленок до их критического значения. Отмеченную

особенность подтверждают наши эксперименты по изнашиванию конструкционных сталей: 38ХАШ, 12ХН4АШ, 12ХНЗА, ВКС-4 и др., чугунов СЧ-21-40, легированных ферроселикохромом, марганцем и др. Разрушение здесь носит периодический характер и проявляется в виде т.н. ступеней на кривых износа. Ступенчатые кривые износа в экспериментах получали при измерении износа на зафиксированных по координатам точках поверхностей при применении метода лунок-свидетелей.

Примеры ступенчатых кривых износа и циклических изменений состояния изнашиваемых поверхностей приведены на рис. 1, 2 и 3. Подобные данные были получены Fusoro R.L. (1970 г., 1982 г.), В.В. Федоровым (1979,1980 г.г.), Г. Пингуром (1982 г.), Ю.Н. Дроздовым, Е.А. Марченко и д.р. трибо-логами.

Интерпретация полученных нами результатов проведена на основе кинетических представлений о разрушении и в частности на базе ангармонической термофлуктуационной концепции прочности, развиваемой под влиянием работ академика С.Н. Жукова [6]. В этой модели описывающей долговечности единичной связи в ячейке твердого тела, рис. 4, представлен с помощью функции Больцмана.

Интерпретация полученных нами результатов проведена на основе кинетических представлений о разрушении и в частности на базе ангармонической термофлуктуационной концепции прочности, развиваемой под влиянием работ академика С.Н. Жукова

(4) [6].

т = t0 exp

U0

kT

(5)

Громаковский Дмитрий Григорьевич, д.т.н., профессор, директор НТЦ «Надежность». E-mail: [email protected]

Для макроскопического описания изнашивания в нашей работе была использована также структурная модель твердого тела, предложенная В.В. Федоровым [3]. В этой модели твердое тело, имеющее свободные поверхности, рассматривается как квазисплошная и неоднородная среда, в объемах которой статистически равномерно распределены структурные элементы, различные дефекты и повреждения.

Эти дефекты в зависимости от стадии развития по- вреждаемости могут быть либо источниками или 3.0

30 60

Время наработки, чао

б

Рис.1. Циклические изменения характеристик состояния поверхностей при фреттинге в среде реактивного топлива: а - изменения интенсивности изнашивания; б - величина остаточных напряжений на сталях 12Х2Н4АШ (кривая 1) и ВКС-4 (кривая 2).

2,4

1.6

0.8

I

90

б

30 60

Вреда заработки, чао

30 60

Времк наработки, час

Рис. 2. Изменение уровня микроискажений - а и размеров блочной структуры - б, при изнашивании стали ВКС - 4 при фреттинге в среде реактивного топлива.

а

а

Рис. 3. Изменение ширины АН линии ФРМ и плотности дислокаций р в материале поверхностного слоя образца (Иг) по мере испытания на износ: 1 и 3 - при нагрузке 84 кПа; 2- при нагрузке 168 кПа.

Рис. 4. Иллюстрация уравнения долговечности единичной связи академика С.Н. Журнова: - постоянная времени

(~ 10 с12); ио - энергия активации

пластической деформации; у - структурно-чувствительный коэффициент; К - постоянная Больцмана; а и Т - действующие направления информации.

стоками, либо оказывать блокирующее действие на движение дефектов и дислокаций. В нашей модели при описании частиц износа принято, что зародыши частиц износа представляет собой наиболее прочные участки микрообъема материала,

а разрыв связей происходит на их периферии. Частицы в модели имеют критический размер Ук , определенный как среднестатистический размер час-

тиц радиуса К по данным экспериментов. Форма Ук принята сферической, см. рис. 5.

Предполагается, что на поверхности частиц критического размера Укр равномерно расположены элементарные ячейки разрушения - активационные объемы материала Уа с радиусом г , тоже имеющие сферическую форму. Для отделения частицы критического размера необходимо разрушить около 0,7 числа связей, удерживающих частицу со стороны материала. Их количество определяется из соотношения радиусов К и г

Я = 0,7

0,55 0,55

= 0,7

4лК2 4лг2

К

7

= 0,7 . (6)

Рис. 5. Модель частицы критического объема.

Разрушение всего объема Vч потребует разрыва такого числа связей, которое определяется отноше-

, V

нием Я = Я . (7)

ГкР

Подобно механизму образования зародышей, механизм разрыва связей на участке поверхности потенциальной частицы можно представить частотой

разрыва т=1/г, где т = ехр

Ц 0

кТ

. Тогда для

образования частицы критического размера потре-

К 2

буется время ^ =т ■ Я = 0,7-- т , а весь дефор-

УкР г

мационный объем потребует на разрушение время

t = t ■Я

Определение времени на разрушение в нашей задаче дает искомое решение, т.к.

Лу=Удеф/Кд (8)

Виды преобразований уравнение износа было получено в виде:

Мг ■ Пг ■ к 3

7 =-р-;-—, мм /час, (9)

&Я

t0 ехр|

Ц -7°¥ ЯТ ,

где ААГ - площадь среднего пятна фактического контакта; пг - число пятна фактического контакта; к -

высота «ступени» на кривой износа (величина изнашивания за один кинетический цикл).

Для использования уравнения (9) необходима оценка кинетических параметров уравнения: иуд, и0, У, ^ Ни .

Эта задача решается в нашей разработке использованием склерометрического способа оценки характеристик материалов и разработанного в Сам-ГТУ склерометрического программно-аппаратного комплекса (рис. 6), схема - рис.7.

Рис. 6. Склерометрический программно-аппаратурный комплекс.

Рис. 7. Устройство склерометра.

Фотография приведена на рис. 6, а схема устройства на рис. 7, схема царапины на рис. 8.

При проведении испытаний индентор - 5 внедряют в поверхность на заданную глубину - Ь (например, Ь=3 мкм). Производят царапание, при котором автоматически измеряется величина деформационного усилия и длина царапины.

По параметрам царапания определяют кинетические параметры деформации.

а

1. Удельную энергию деформации, характеризующую пластичность материала иуд - отношение работы Адеф, затраченной на деформацию объёма материала Vдеф

Цд = Адеф/Удеф, кДж/мм3 (10)

Рис. 8. Фотография и схема царапины.

Напряжение, кН

Рис. 9. Методика оценки энергии активации пластической деформации - и0, Т1<Т2<Т3 .

3. Энергию активации пластической деформации - и0, кДж/моль.

Оценка и0 производиться при нулевом значении действующих напряжений с учётом влияния температуры - T путём аппроксимации значений U(T), как это показано на рис. 9.

4. Микротвёрдость Нц=и0/у . (11)

5. Кинетический структурно-чувствительный коэффициент - у, по результатам анализа системы

у=и(Т)/о, мм3/моль, (12)

где U(T) -энергия активации разрушения при действующей температуре.

По результатам оценки накопленной энергии повреждаемости возможно прогнозирование остаточного ресурса. Для оценки остаточного ресурса, вначале, путем усталостных испытаний разрушают образец исследуемого материала, рис. 10 и оценивают критический уровень накопления повреждаемости материалов - ие пред. вблизи очага усталостного разрушения, а значение предельной энергии повреждаемости - Uпред. наносят на график (рис. 11).

2. Накопленная энергия повреждаемости - ие(Ъ). ие(Ъ) - представляет собой идеф после наработки в течении времени - Ъ (в конкретных условиях нагру-жения, скорости, температуры и др.).

Затем, на контролируемой детали (образце), через заданные интервалы времени наработки, производят повторные склерометрирования, а результаты наносят на диагностический график рис.7. После ряда диагностических испытаний экстраполируют линию до пересечения с линией ие пред.. Пересечение этих линий отсекает на графике время исчерпания ресурса - Ъостат

Рис. 10. Оценка предельной энергии повреждаемости материала в зоне разрушения при усталостных испытаниях плоского образца.

\ разлома,

Рис. 11. Характерные результаты оценки величины энергии повреждаемости материала при усталостных испытаниях, начиная от края разлома образца.

Экстраполяция повреждаемости от разрушения показана на рис.12. Программа обработки данных на рис. 13.

Время наработки

Рис. 12. Пример прогнозирования остаточного ресурса: 1- участок графика накопления повреждаемости, построенный по экспериментальным данным; 2 - экстраполяция экспериментальных данных; Ъкр - время исчерпания остаточного ресурса; ^стат - остаточный ресурс.

Рис. 13. Программная реализация методики оценки остаточного ресурса материалов деталей машин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хрущев М.М. Повышение износостойкости сталей путем

поверхностных упрочнений за счет керамических химико-термических обработок нанесения покрытий и напла-вок.//Трение и износ. 2010г. №6.

2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы

расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 524с.

3. Костецкий Б.И. Износостойкость деталей машин. Москва-

Киев, Машгиз, 1950. 168с.

4. Дроздов Ю.Н., Наумова Н.М., Тананов М.А., Назарова Т.И.

Трибология в космосе.//Трение и смазка в машинах и механизмах. №3, 2009. -С.41.. .45.

5. T. Quimn. The mechanism of hot-spot temperatures on the unlubricated wear of stell. ASLTrans, 10,158(1967).

6. Журков С.Н., Санфирова Т.П. Температурно-временная зависимость прочности чистых металлов. Доклады АН СССР, 1955, 10, №2. с.237.240. 7. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент. Изд-во «ФАН», Узбекская ССР. 1985. 167с.

WORKING OUT OF THE CONCEPT OF MODEL OF WEAR PROCESS AND SCLEROMETRIC WAY OF THE ESTIMATION OF THE KINETIC PARAMETERS OF DESTRUCTION OF SURFACES OF THE FRICTION

© 2011 D.G. Gromakovsky

Samara State technical university

The concept and estimation model thermofluctuations kinetic parameters damageability metal materials - specific energy of deformation and the damageability, accumulated energy and energy of activation of plastic deformation. For an experimental estimation of these parameters it is developed programmno-a hardware complex.

Key words: wear process, damageability, specific energy of the deformation, accumulated energy of damageability, energy of activation of plastic deformation, blanket, indentor Vikkersa

Gromakovsky Dmitry Grigorevich, Dr.Sci.Tech., the professor, the director of scientific and technological center "Reliability". E-mail: [email protected]