Разработка методик и средств склерометрической оценки активационных параметров разрушения поверхностных слоев Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.42

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И СРЕДСТВ СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

© 2006 И.Д. Ибатуллин, Д.Г. Громаковский, В.Е. Барынкин Самар ский госу дар ственны й технич еский у нивер ситет

В статье описаны методики и технические средства для оценки активационных параметров разрушения поверхностных слоев при использовании метода склерометрии. Полученные результаты могут использоваться для экспериментальной оценки параметров кинетических моделей для расчетов скорости усталостного изнашивания.

В основе достоверного прогнозирования долговечности узлов трения машин лежит корректный выбор расчетной модели изнашивания. В настоящее время создано множество различных подходов к разработке таких моделей: от эмпирических, являющихся простейшими математическими аппроксимациями экспериментальных результатов, до кинетических - основанных на методах термодинамики и статистической физики. Широкое применение последних сдерживается отсутствием доступных средств и методов оценки активационных характеристик разрушения поверхностных слоев: энергии активации пластической деформации и0 и структурно-чувствительного коэффициента у. В данной статье рассмотрен ряд склерометрических устройств и методов идентификации параметров расчетных моделей изнашивания, разработанные в НТЦ

«Надежность» СамГТУ [1].

Склерометрия (микроцарапание) является одним из старейших и наиболее ценных методов испытаний механических свойств материалов, более чем на сто лет опередивший появление традиционных способов контроля прочностных характеристик. С появлением в начале XX века современных микротвердомеров склерометры, как средство механических испытаний, были почти полностью вытеснены. Однако в последнее время в России и за рубежом интерес к методу склерометрии, как способу исследования характеристик поверхностей трения, стал возрастать. Преимуществами метода склерометрии являются следующие: за счет выбора нагрузки на индентор возможна деформация материала поверхностного слоя на любой глубине: от нанометров до сотен мик-

рометров; выбором формы индентора можно реализовать различные механизмы повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: от микрорезания до усталостного выкрашивания; изменяя направления царапания можно исследовать анизотропию механических свойств текстурированных поверхностных слоев; вместе с тем склерометрия - неразрушающий и экспрессный метод исследования поверхностных слоев, совместимый с другими методами физических исследований. Для склерометрической оценки энергии активации пластической деформации материала поверхностного слоя разработано два способа, основанных на кинетической интерпретации энергетической модели повреждаемости и разрушения материалов [2].

Ап = 2,3 ЯТ 1п

+ +А? (!)

где Ли - мольное изменение внутренней энергии материала, кДж/ моль; Я - универ -сальная газовая постоянная, кДж/мольК; Т- абсолютная температура, К; I - текущее время от начала нагружения, с; т0 »10-12 -

период атомных колебаний, с; ¥т - моляр -ный объем, мм3/моль; о - напряжение, кгс/мм2; £ - средняя скорость пластической деформации, с-1; пд - динамический коэффициент; Лg - изменение свободной энер-гии под действием внешней среды, кДж/моль. Модель (1) позволяет рассчитать кинетику накопления внутренней энергии Ли материалов, обусловленную работой термических флуктуаций, механического напряжения и влиянием внешней среды.

Как видно из выражения со временем происходит непрерывный рост внутренней энергии. Разрушение, согласно этой модели, полученной в рамках структурноэнергетической теории прочности, наступает в момент достижения равенства Ли = и0.

В случае приложения высоких механических нагрузок, когда о ® НВ, механизм разрушения материалов, близок к атермиче-скому. При этом время до возникновения пластической неустойчивости приближается т®т0, следовательно первое слагаемое выражения (1) стремится к нулю и основной вклад в разрушение будет вносится вторым слагаемым, представляющим собой по сути удельную механическую энергию, затрачиваемую на активацию разрушения материала количеством в 1 моль.

Первый способ оценки энергии активации пластической деформации (рис. 1а) заключается в оттеснении материала поверхностного слоя индентором Виккерса и оценке количества выдавленного материала за один проход индентора и затраченной работы, по которым рассчитывается значение

и о:

14,286-Ут (Р-1)-N- /

0 Д2 - Д2

где Ут - молярный объем; Р- число проходов индентора; N и/- нормальная нагрузка и сопротивление пластической деформации.

Более практичным является второй способ оценки энергии активации (см. рис. 1б), при котором механизм деформирования поверхности обеспечивает постоянную величину заглубления индентора И и, соответственно, - постоянное, заданное количество вытесненного из поверхности материала. Тогда с учетом геометрии алмазного индентора и0 можно оценить из выражения:

0,28^

и 0 = — @---2—, кДж/моль

8 к

Как показали эксперименты, энергия активации пластической деформации является параметром, чувствительным к степени усталостной деградации материалов, независимо от механизмов, вызывающих усталость (трибовоздействия, термические и механические знакопеременные нагрузки, радиация, хемомеханические процессы и т.д.). Чувст-

вительность проявляется в постепенном повышении значения энергии активации с приростом в материале плотности упругих микроискажений кристаллической решетки (дефектов), которые неизбежно накапливаются в материале в процессе эксплуатации элементов машин и оборудования.

б

Рис. 1. Форма борозды: Ь - длина царапины, Д1, Др - ширина борозды после 1 и Р проходов индентора соответственно, Уд- активируемый объем материала поверхностного слоя (выделентемным цветом)

Для реализации первого способа оценки энергии активации был разработан программно-аппаратурный комплекс, показанный на рис. 2а.

Для реализации второго способа разработан и в настоящее время испытывается в ОАО «СПЗ» диагностический программно-аппаратурный модуль, изображенный на рис. 2 б.

В НТЦ «Надежность» СамГТУ совместно с ОАО «Волгабурмаш» была разработана еще одна конструкция переносного склерометра для контроля качества элементов машин и оборудования (рис.3). Склерометр позволяет деформировать исследуемый поверхностный слой на заданной глубине в режиме пластического пропахивания (без микрсрезания).

Конструкция склерометра обеспечивает фиксированное заглубление индентора независимо от отклонений формы поверхности, что позволяет использовать прибор

без специальной подготовки поверхности. С целью максимального упрощения пользования прибором его кинематика позволяет за одно действие оператора (нажатие на кнопку прибора) производить: плавное опускание индентора на поверхность, его внедрение на заданную величину, пропахивание поверхностного слоя и возврат

б

Рис. 2. Лабораторный (а) и переносной (б) варианты программно-аппаратурного диагностического комплекса. Описание основных узлов:

1 - блок подготовки шлифа; 2 - блок деформирования материала поверхностного слоя; 3 - оптико-электронный измерительный блок; 4 - блок сбора данных и

обра бот ки и нформ ац ии

в исходное положение. Склерометр оснащен: магнитной опорой, позволяющей производить базирование прибора на плоской, цилиндрической и конической поверхностях; тензометрическим датчиком сопротивления материала пропахиванию; микроконтрол-лерной системой сбора данных, выполняющей автоматизированную оценку энергии активации пластической деформации поверхностного слоя по определяемому значению сопротивления пластической деформа-

циии выполнять тарировку прибора. Полу -чаемые экспериментальные значения отображаются на дисплее. Прибор имеет следующие характеристики: глубина царапины 2...10 мкм; длина борозды - 0,5 мм; скорость пропахивания - 0,2...0,5 мм/с, в качестве индентора используется алмазная пир амидка Виккер са с межгр анным у глом пр и вершине 136°; габариты склерометрического модуля - 50x50x120 мм; вес - 0,8 кг; длительность испытаний с учетом подготовки поверхности - 2.3 минуты.

При лабораторной оценке микротвер -дости и активационных параметров разру-шения конструкционных материалов (по первому методу) сначала при помощи шлифовального узла комплекса выполняется подготовка поверхности путем удаления тонкого дефектного слоя, не отражающего объективное состояние материала в объеме. Затем на подготовленную поверхность, алмазным индентором деформирующего узла наносят ряд наколов (рис. 4а) для оценки микротвердости по Виккер -су, а также подвергают склерометрирова-нию (рис.4б). Изображения полученных отпечатков при помощи электроннооптического узла передаются в персональный компьютер и сохраняются в базе данных. Далее полученные изображения обрабатываются при помощи программы ВМР (рис.4). Программа позволяет произвести оценку микротвердости по Виккерсу и рассчитать значение энергии активации пластической деформации и0. Все расчеты выполняются с одновременной статистической обработкой результатов по критерию Стьюдента при трех возможных уровнях доверительной вероятности 0,95; 0,9 и 0,99.

В настоящее время область применимости методики оценки энергии активации пластической деформации весьма обширна. Самыми важными приложениями склерометрических приборов и методик являются: прогнозирование долговечности узлов трения по критерию усталостного охрупчивания, создание ускоренных методов испытаний материалов, экспериментальное исследование кинетики повреждаемости и разрушения поверхностных слоев деталей пар трения, оценка пластифицирующего или охрупчивающего действия граничных

слоев смазочных материалов на поверхностные слои металлов и сплавов, оптимизация технологических методов обработки деталей пар трения, регламентирование механических свойств поверхностных слоев и др.

б

Рис. 3. Ручной склерометрический модуль (а) и поле деформаций (б) в области оттесненной борозды

Для автоматизации прогнозирования выработанного и остаточного ресурса материалов поверхностных слоев деталей узлов трения, а также формирования базы данных была разработана программа Resource (см. рис. 4 в).

Программа позволяет накапливать экспериментальные данные по каждому объекту испытаний и при помощи экстраполяции методом наименьших квадратов прогнозировать достижение накопленной энергии повреждаемости критического порога усталостного охрупчивания материала. Одновременно просчитываются два вида аппроксимации - линейная и нелинейная (второго порядка), для каждой вычисляется среднее квадратическое отклонение резуль-татов и для последующей оценки ресурсных характеристик выбирается аппроксимация с наименьшей погрешностью. Результат вы-

числений может быть представлен в процентах от наработки, в единицах времени или в циклах нар аботки.

Рис. 4. Иллюстрация программного обеспечения . а, б - применение программы BMP для автоматизированной оценки микротвердости и энергии активации пластической деформации, в - применение программы Resource для про -гнозирования остаточного ресурса по результатам оценки накопления повреждаемости в конструкционных мат ериалах

Ґ исх \

d= 100

1 -

u 0 - иГ

и/ - и

,%

где и0 - текущее значение энергии активации пластической деформации, и0исх - исходное значение энергии активации, и0кр -критическое значение энергии активации.

(3 = (100 / [100 - ^]) • (эксп - (эксп = (рес - (эксп, час

, где X эксп - длительность эксплуатации исследуемого элемента, X рес - ожидаемый общий ресурс испытываемого элемента, включающий время его эксплуатации. Ве-

в

личина [100 -8] характеризует текущую степень деградации материала (выработанный ресурс) в %.

Таким образом, используя склерометрические методы оценки накопления повреждаемости в поверхностных слоях испытание деталей пар трения можно свести к следу ю щей по следов ат ель ности опер аци й. Вначале для каждого материала исследуемой пары трения создается база данных по исходным и критическим значениям энергии активации. Затем, при испытаниях или во время эксплуатации узла трения через определенные промежутки времени по росту энергии активации пластической деформации оценивают накопление повреждаемости материалов. Далее, на базе полученных экспериментальных данных осуществляют прогнозирование технического ресурса до наступления усталостного разрушения материала поверхностного слоя. На основе применения данной методики можно организовать систему управления сроком службы ответственных элементов машин, этим существенно повышая надежность их эксплуатации.

Время наработки I в условии разрушения материала поверхностного слоя (1) можно интерпретировать как псевдоразрушающий фактор, опосредованный термофлуктуа-ционным механизмом повреждаемости поверхностного слоя. Если ввести коэффициент ускорения испытаний в виде ку = ^ ^ри ,

где ^рэ - время до разрушения при эксплуатационных режимах, ^ри - время до разрушения при ускоренных испытаниях. То из модели повреждаемости можно вывести условие для выбора режимов ускоренных испытаний в виде

1п куЯТэТи - и0Ти - У0эТи - и 0Тэ + Г0иТэ = 0 ,

где Тэ и Ти - абсолютные температуры при эксплуатации и ускоренных испытаниях соответственно, оэ и ои - эквивалентные напряжения при эксплуатации и ускоренных испытаниях соответственно, у - структурночувствительный коэффициент. Из вышеприведенного выражения можно получить соотношения для выбора температуры и нагрузки для частных случаев, соответствующих различным способам форсирования испытаний:

- за счет температурного фактора

Т.. =-

Тэ и0

у(Яэ

1п ку ЯТэ - и 0 - уа

У =

- за счет механических напряжении 2и0 - Я 1п ку

у

+ а

Расчетные модели для оценки скорости изнашивания материалов зависят от того, какой из разрушающих факторов вносит больший вклад в достижение неустойчивости поверхностного слоя при достижении условия разрушения (1).

Рассмотрим два полярных слу -чая.Первый соответствует усталостным формам изнашивания, при которых механические усилия в зоне фактического контакта не могут самостоятельно вызвать неустойчивость материала и рост повреждаемости происходит за счет совместного действия упругих напряжений и термических флуктуаций. Усталостное изнашивание происходит циклически, с характерными для выбранного режима трения длительностью цикла ? и количеством разрушаемого материала Иц. При трении каждый локальный участок поверхностного слоя циклически контактирует с контр поверхностью. Эта длительность за один кинетический цикл изнашивания, с учетом вероятности фактического контакта, в среднем составляет I Аг/Ап » I о/НВ . При усталостном изнашивании формиру-ются две области накопления повреждаемости: первая сосредоточена в тонком поверхностном слое - т.н. debris-слое; вторая - распространяется на значительно большую глубину и отвечает за кинетику развития контактной фрикционной усталости. Исходя из этого, скорость усталостного изнашивания можно оценить следующим об-р азом:

у = И

/ Уи *

* ц

И

Ица

НВ

а

НВт0 ехр

(и — ау —

ау-А g

ЯТ

Данное выражение аналогично расчетной модели изнашивания Д.Г. Грома-ковского и показало удовлетворительное совпадение с результатами экспериментальных испытаний на усталостное изна-

0

шивание бронзовых, стальных и чугунных образцов при возвратно-поступательном движении. Характерной особенностью этой и других кинетических расчетных зависимостей для оценки скорости изнашивания материалов является наличие в их структуре фактора Больцмана, который указывает на долю работы разрушения, совершенной энергией термических флуктуаций. Однако возможно представление ууи в ином виде

у

уи

Ици 0

и0кр - и0н

Данное выражение учитывает циклический рост энергии активации пластической деформации поверхностного слоя от начального и0н до критического и0кр значения со

скоростью и 0, зависящей от многих внешних и внутренних факторов, которые требуют в каждом конкретном случае эмпирической оценки. Полученные выражения справедливы и для изнашивания при контактной фрикционной усталости. При этом в них достаточно изменить значения Иц, и0 на

величины, соответствующие области, подвергаемой данному виду усталости, а также вместо фактических давлений в зоне пятен касания от необходимо взять контурные напряжения ое.

Второй случай соответствует абразив -ному изнашиванию, когда механические напряжения практически сразу вызывают пластическую неустойчивость поверхностного слоя, а скорость разрушения поверхностного слоя контролируется, в основном, не кинетикой термофлуктуационных процессов, а скоростью относительного перемещения деталей при трении. Для этого случая условие разрушения можно записать в виде

оу = и0 - ^ . Левая часть данного выражения имеет физический смысл удельной механической работы сил трения Атр, необходимой для пластического оттеснения с поверхности объема вещества ¥аи количест-

А

вом в один моль, т.е.

V,

■и0 -Аg . Умно-

жив числитель и знаменатель дроби в левой части на данное выражение можно записать в виде

Атр Ж ^тр .

— -----=— =и0-Аg,

(НУ у 0

аи і аи

где Жтр - мощность трения, кДж/с; уаи -скорость абразивного изнашивания, моль/с; и0 -Аg - отнесенная к молю энергия активации пластической деформации поверхностного слоя. Таким образом, для оценки скорости и интенсивности абразивного изнашивания, можно вывести следующие зависимости

У № У иРу

т тр у т Н* у с

уа

и

,(Т) и (Т)

■, [мм /с]

1

УУ

[мм /кДж].

и 0 (Т) Атр р

Первое выражение идентично зависимости для оценки скорости объемного изнашивания полученной В. В. Федоровым для абразивного изнашивания - шлифования.

В настоящее время сформировались следующие области применения нового программно-аппаратурного комплекса для оценки кинетических характеристик разрушения материалов методом склерометр ии.

1. Оценка микротвердости, энергии активации пластической деформации, накопленной энергии повреждаемости и структурно-чувствительного коэффициента подшипниковых материалов.

2. Диагностика находящихся в эксплуатации машин и оборудования с целью оценки остаточного ресурса по критерию исчерпания пластичности при изнашивании и у сталости.

3. Неразрушающий контроль качества и оптимизация технологических режимов при всех видах механических, химикотермических и термических обработок поверхностей деталей подшипников.

4. Выбор конструктивных и смазочных материалов для подшипников качения.

Список литературы

1. Патент РФ №2166745. Способ оценки энергии активации разрушения поверхностных слоев, деформированных трением //Громаковский Д.Г. и др.

2. Ибатуллин И. Д. Применение энергетического критерия прочности при анализе

кинетики усталостного разрушения поверхностных слоев //«Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин»: Межвуз. сб. науч. тр./Под ред. Н.Б. Демкина, Тверь: ТГТУ, 2006.-с.152-159.

3. Журков С.Н. К вопросу о физической основе прочности//Физика твердого тела. Т .22. Вып. 11, -с.3344-3349.

4. Иванова В.С., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. -383 с.

5. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент: Изд. ФАН, Уз. ССР, 1979. -168 с.

6. Громаковский Д.Г., Ибатуллин И.Д., Прилуцкий В.А., Дынников А.В., Овчинников И.Н., Бакиров М .Б. Новый способ оценки пластичности конструктивных материалов и прогнозирование ресурсных характеристик деталей машин и конструкций // Тяжелое машиностроение, №10, М.: Машиностроение, 2004. - с. 13-17.

DEVELOPMENT OF TECHNIQUES AND MEANS OF ESTIMATING THE ACTIVATION PARAMETERS OF DESTRUCTION OF SURFACE LAYERS BY SCRATCHING METHOD

© 2006 I.D. Ibatullin, D.G. Gromakovsky, V.E. Barynkin

Samara State Technical University

In the article results of development of methods and apparatus for estimating the activation parameters of destruction of surface layers are described. Techniques are based on activating the plastic instability of a surface layer by the scratching method. The received results can be used for an experimental estimation of parameters of kinetic model for calculation of speed of fatigue wearing.