Новые методы и приборы для экспрессной оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Новые методы и приборы для экспрессной оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Ибатуллин Ильдар Дугласович

Тольятти - 2010

Работа выполнена в НТЦ "Надежность технологических, энергетических и транспортных машин" и на кафедре "Технология машиностроения" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".

Научный консультант: д.т.н., профессор Д.Г. Громаковский.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.ф. -м.н., профессор В.П. Алехин,

д.ф. -м.н., профессор Д.Л. Мерсон,

д.ф. -м.н., в.н.с. И.В. Шишковский.

Ведущая организация: ООО "НПО СПЕЦПОКРЫТИЕ", г. Самара.

Защита диссертации состоится "29" апреля 2010 г. в 14.00 часов в зале заседаний ученого совета (Г-208) на заседании диссертационного совета Д 212.264.03 при Тольяттинском государственном университете по адресу: Россия, Самарская область, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольяттинского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: Россия, 445667, Самарская область, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14, Тольяттинский государственный университет, диссертационный совет Д 212.264.03. Факс (8482) 54-64-44.

Автореферат разослан: "____"____________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.264.03, кандидат педагогических наук Пивнева С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что долговечность пар трения лимитирует срок службы, а безотказность - определяет технико-экономическую эффективность и безопасность эксплуатации машин. Поэтому методам оценки фактического состояния деталей трущихся соединений и прогнозирования их ресурсных характеристик с целью предотвращения аварийных отказов в настоящее время уделяется большое внимание. Среди различных механизмов повреждаемости поверхностей при трении наиболее важным является изучение процесса усталости, который лежит в основе большинства видов изнашивания материалов. Несмотря на большое количество работ, посвященных описанию физических механизмов и расчетных моделей усталостной повреждаемости поверхностных слоев, выполненных И.В. Крагельским, Е.А. Марченко, Л.И. Бершадским, Л.М. Рыбаковой, Л.И. Куксеновой, Д.Г. Громаковским и др. учеными, эти исследования продолжают оставаться актуальными. Открытыми являются вопросы: о выборе физических параметров, контролирующих кинетику усталостной повреждаемости; о кинетике изменения этих параметров в процессе усталостной деградации; об оценке влияния на долговечность материалов совокупности силовых, химических, термических воздействий; о методах и технических средствах для диагностики фактического состояния поверхностных слоев и др.

В последние годы развивается кинетический подход к моделированию усталостного изнашивания, основанный на теории абсолютных скоростей химических реакций Аррениуса, молекулярно-кинетической теории Я.И. Френкеля и термофлуктуационной концепции прочности академика С.Н. Журкова. Указанные теории основаны на применении фактора Больцмана, в котором основным параметром, определяющим скорость кинетических процессов, является энергия активации разрушения. Однако для исследования энергетических параметров разрушения тонких поверхностных слоев отсутствуют простые в применении методики и приборы, что является серьезным препятствием для применения в инженерных расчетах на изнашивание моделей кинетического типа.

Проблема обеспечения надежности узлов трения затрагивает все этапы их жизненного цикла и ее решение требует комплексного подхода, который может быть реализован при организации системы управления сроком службы узлов трения. Для этого, в свою очередь, необходимо создание методов диагностики и прогнозирования ресурса материалов пар трения.

Диссертационная работа посвящена разработке новых методов и приборов для оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев и созданию расчетных моделей для прогнозирования усталостного изнашивания поверхностей деталей из конструкционных металлов и сплавов.

Тема диссертационной работы поддерживалась грантами, полученными по научно-технической программе "Интеграция академической и вузовской науки" (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999-2001г.г.); научно-технической программе "Научно-инновационное сотрудничество Минобразования РФ и Министерства РФ по атомной энергетике" (МИФИ, 2000-2001г.г.); федеральной целевой программе "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы" (СамГТУ, 2004 г.); внутривузовской программе "Развитие научного потенциала университета" (СамГТУ, 2005 г.); региональной научно-технической программе: "Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области в 2006 году" (СНИЦ "Перспектива", 2006г.); региональной научно-технической программе "Ориентированные фундаментальные исследования" (РФФИ, 2007, 2008, 2009 гг.); аналитической ведомственной целевой программе "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)".

Объект исследований. Поверхностные слои конструкционных металлов и сплавов, модифицированные в результате процессов трения, усталости и взаимодействия с внешней средой.

Предмет исследований. Критерии повреждаемости, модели, методики и приборы для оценки энергетических параметров усталостного разрушения поверхностных слоев, необходимые для прогнозирования ресурса материалов.

Цель диссертационной работы. Разработка моделей повреждаемости поверхностных слоев при усталостном механизме изнашивания, создание новых приборов и методик экспериментальной оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев и разработка на их основе метода прогнозирования остаточного ресурса материалов пар трения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи.

1. На основе применения структурно-энергетической теории разработать кинетическую модель, описывающую закономерность роста внутренней энергии в материале поверхностного слоя в процессе усталостной повреждаемости с учетом влияния совокупности внешних и внутренних факторов и показать области ее возможного применения.

2. На основе анализа и обобщения расчетных моделей усталостного изнашивания, синергетического подхода к интерпретации физических механизмов усталостного разрушения поверхностей при трении разработать расчетную модель для оценки скорости усталостного изнашивания металлов и сплавов и предложить новые методы оценки ее параметров.

3. Разработать новые, экспрессные методики экспериментальной оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев, основанные на методе склерометрии и создать программно-аппаратурные комплексы для реализации данных методик.

4. Исследовать влияние внешних и внутренних факторов на энергетическое состояние поверхностных слоев. Оценить чувствительность склерометрического метода определения энергетических параметров деформации поверхностных слоев и разработать методику экспериментальной оценки влияния среды на состояние поверхностных слоев.

5. Провести комплексные экспериментальные исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя при различных видах усталости. Выявить закономерности изменения энергетического состояния поверхностных слоев и обосновать применимость энергетического подхода к задачам диагностики состояния материалов и прогнозирования их ресурса.

6. На основе энергетических критериев прочности разработать новую методику и программное обеспечение для прогнозирования остаточного ресурса материала поверхностного слоя при усталостной повреждаемости ответственных узлов трения.

Методы исследований. Проведенные в работе исследования базируются на применении основных положений и математического аппарата термодинамики, статистической физики, синергетики, физической теории надежности, механики разрушения, сопротивления материалов, трибологии, термофлуктуационной концепции прочности твердых тел, теории вероятности и математической статистики. Для компьютерных исследований использовались лицензионные программные продукты Delphy 7.0 и ANSYS 8.0.

Экспериментальная часть работы содержит исследования: энергетических характеристик деформации и разрушения поверхностных слоев (патент РФ №2166745 от 2001.05.10); энергии активации деструкции смазочных материалов (патент РФ №2119165 от 1997.23.01); ресурсных характеристик материалов (патент РФ №2277232 от 2006.18.01); микротвердости по Виккерсу; скорости изнашивания материалов на возвратно-поступательной машине трения; кинетики контактной усталости твердых сплавов при циклическом ударном нагружении.

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам Научно-технического центра "Надежность технологических, энергетических и транспортных машин", кафедры "Технология машиностроения", лаборатории "Наноструктурированные покрытия" ГОУ ВПО СамГТУ, научно-исследовательской лаборатории ОАО "Волгабурмаш" за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.

Достоверность результатов. Достоверность изложенных в работе результатов и адекватность разработанных моделей обеспечиваются строгостью использованного математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных, удовлетворительной корреляцией результатов расчетов и данных, полученных при испытаниях.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Кинетическая расчетная модель накопления внутренней энергии при усталостной повреждаемости материалов и энергетический критерий разрушения, учитывающие взаимодействие поверхностных слоев с внешней средой.

2. Расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания конструкционных материалов.

3. Новые методики: склерометрической оценки энергетических параметров деформации и разрушения тонких поверхностных слоев; исследования влияния граничных слоев смазочного материала на энергетическое состояние поверхностей; прогнозирования остаточного ресурса материалов при усталостной повреждаемости.

4. Лабораторные и переносные склерометрические программно-аппаратурные комплексы для диагностики состояния и прогнозирования остаточного ресурса поверхностных слоев.

5. Результаты экспериментальных исследований кинетики повреждаемости и разрушения конструкционных материалов при трех видах усталости (усталостном изнашивании, контактной усталости и объемной усталости).

6. Результаты экспериментальных исследований влияния различных внешних и внутренних факторов на энергетическое состояние поверхностных слоев.

Научная новизна работы, заключается в следующих положениях:

· Разработана новая кинетическая модель накопления внутренней энергии в деформируемом материале поверхностного слоя с учетом влияния среды. Показан физический смысл и вклад параметров модели в общее энергетическое состояние материала.

· Предложены две методики склерометрической безобразцовой, экспрессной оценки мольной энергии пластической деформации и разрушения поверхностных слоев. Показано, что при пластическом оттеснении материала поверхностного слоя индентором Виккерса возможна оценка кинетических параметров - энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента - термофлуктуационного уравнения долговечности твердых тел.

· Впервые приведена классификация и показана общая структура расчетных моделей изнашивания, а также разработана кинетическая расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания материалов с учетом влияния среды и наложенных вибраций.

· Исследована кинетика усталостного разрушения поверхностных слоев при усталостном изнашивании, контактной и объемной усталости. Показано, что склерометрическая оценка накопленной энергии позволяет оценивать степень усталостной повреждаемости поверхностей.

· Предложен новый метод прогнозирования остаточного ресурса поверхностных слоев, который может быть использован для управления сроком службы ответственных элементов узлов трения машин.

Практическая ценность:

· Разработаны склерометрические лабораторные и переносные программно-аппаратурные диагностические комплексы, позволяющие произвести экспрессную, неразрушающую оценку мольной энергии пластической деформации и разрушения поверхностных слоев, модифицированных трением. Устройства содержат автоматизированную систему сбора данных и обеспечивают возможность диагностики состояния поверхностных слоев и прогнозирования их остаточного ресурса.

· Найдены значения энергетических параметров разрушения ряда конструкционных материалов.

· Разработано программное обеспечение для автоматизированной оценки энергетических характеристик и механических свойств поверхностных слоев при их склерометрировании.

· Разработана методика оценки влияния смазочных материалов на энергетические характеристики поверхностных слоев.

Реализация результатов. Методики склерометрических испытаний материалов внедрены в Научно-техническом центре "Надежность технологических, энергетических и транспортных машин" СамГТУ, Научно-исследовательской лаборатории (НИЛ ДППИиР) ОАО "Волгабурмаш", лаборатории "Наноструктурированные материалы и покрытия" СамГТУ.

Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда трибологических дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях, что позволило улучшить методическое обеспечение кафедры "Технология машиностроения" и добиться более глубокого понимания студентами физических механизмов усталостной повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя.

Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, семинарах и симпозиумах, в том числе: Российском симпозиуме по трибологии "Актуальные проблемы трибологии", г. Самара, СамГТУ, 1994г.; 2-nd International conference on synthetic lubricants and functional fluids, AIM-Centro Italiano di tribologia Milano, EMW In, 1995г.; международной научно-технической конференции "Надежность механических систем", г. Самара, СамГТУ, 1995г.; VI Всероссийской конференции "Контактная гидродинамика", г. Самара, СГАУ, 1996г.; XXVI Международном совещании по динамике и прочности двигателей, посвященном 85-летию со дня рождения Генерального конструктора академика Н.Д. Кузнецова, г. Самара, СГАУ, 1996г.; Международной научно-технической конференции "Концепция развития производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики", г. Оренбург, ОГУ, 1997 г.; Симпозиуме, посвященного итогам Международного конгресса по трибологии в Лондоне "Обеспечение надежности узлов трения машин и механизмов", г. Самара, НИИ ПНМС СамГТУ, 1998 г.; VIII Межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи", г. Самара, СамГТУ, 1998г.; IV Международной научно-практической конференции "Проблемы развития автомобилестроения в России", г. Тольятти, АО "АВТОВАЗ", 1998г.; Международной конференции "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте", СамГТУ, Самара, 1999 г.; Межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы университетского образования", СамГТУ, Самара, 2000 г.; Международной научно-технической конф., посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова, г. Самара, СГАУ, 2001 г.; 9 Международной научно-технической конференции "Организация и технология ремонта машин, механизмов, оборудования", г. Киев, УИЦ "Наука, Техника, Технология", 2001 г.; Научно-технической конференции "Научно-инновационное сотрудничество", г. Москва, МИФИ, 2002 г.; Научно-методической конференции "Компьютерные технологии обучения: концепции, опыт, проблемы", г. Самара, СамГТУ, 1997 г.; Семинаре "Вопросы создания новых методик исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации", г. Димитровград, ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 2002 г.; VII-th International Symposium "INTERTRIBO 2002", Slovak Republic, Stara Lesna, House of Technology, 2002; Международной конференции "Ашировские чтения", г. Самара, СамГТУ, 2002 г.; Семинаре "Акустико-эмиссионный метод диагностики на железнодорожном транспорте", Санкт-Петербург, Некоммерческое партнерство "Объединение разработчиков и производителей наукоемкой продукции для железных дорог", 2003 г.; Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин", г. Самара, СамГТУ, 2003 г.; Международной научной конференции "Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические", посвященной 75-летию РГУПС, г. Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения, 2004 г.; Первой научно-практической конференции "Колесо", г. Похвистнево, Куйбышевская железная дорога, 2004 г.; II-ой Всероссийской научно-практической конференции "Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта", Российская академия транспорта, Самара, 2005г.; международной научно-технической конференции "ELPIT-2005", ТГУ, Тольятти 2005г.; Пятой юбилейной Промышленной конференции с международным участием и блиц- выставки, г. Славское, 2005 г.; Международной инновационно-ориентированой конференции молодых ученых и студентов "МИКМУС", г. Москва, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005, 2006, 2008, 2009 гг.; Международной научно-практической школы-конференции "Славянтрибо-7а", г. Рыбинск, РГАТА, 2006 г.; Международной научно-технической конференции "Физика прочности и пластичности материалов", г. Самара, СамГТУ, 2006 г.; Международной научно-технической конференции "Развитие двигателестроения в России", г. Самара, СГАУ, 2006 г.; международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы трибологии", г. Самара, СамГТУ, 2007 г.; Международной научно-технической конференции "Проблемы качества машин и их конкурентоспособности", г. Брянск, БГТУ, 2007 г.; V Международном симпозиуме "Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах" (ФФС-2008), Республика Беларусь, г. Минск; региональной научно-технический семинар "Актуальные проблемы трибологии", г. Самара, СамГТУ, 2008 г.; VIII Международной конференции "Трибология и надежность", г. Санкт Перетбург, ПГУПС, 2008 г.; II Международном научном семинаре "Техника и технологии трибологических исследований", Иваново, ИвГУ, 2009; в полном объеме диссертационная работа была заслушана на Семинаре им. М.М. Хрущева, г. Москва, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2007 г. и на семинаре в Лаборатории элементарных процессов разрушения в Физико-техническом институте им. А.В. Иоффе РАН, 2008 г.

Защищаемые диагностические приборы были представлены: на выставке научно-технических работ научной сессии МИФИ (Москва, 2002 г.); в ВК "ЭКСПО-ВОЛГА EMG", промышленный салон (Самара, 2004 г.); в ВК "ЭКСПО-ВОЛГА EMG", промышленный салон (Самара, 2005 г.); на третьей ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов Приволжского федерального округа "Российским инновациям - Российский капитал" (Самара, 2005г.); на VIII Межрегиональной специализированной выставке "Ресурсосбережение и экология 2005" (Пенза, 2005г, получен диплом выставки); в ВК "ЭКСПО-ВОЛГА EMG", "Expo-Tool. Мир инструмента" (Самара, 2006); в ВК "ЭКСПО-ВОЛГА EMG", "Деревообработка" (Самара, 2006 г.); в ВК "ЭКСПО-ВОЛГА EMG", промышленный салон (Самара, 2006 г).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 74 опубликованных работах, 39 из них включены в автореферат. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 15 статей. В других изданиях (журналах, сборниках, трудах конференций) опубликовано 25 работ. Опубликована одна монография. Патентами РФ защищены 8 технических решений.

Объем и структура работы. Диссертация написана на русском языке и состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 452 страницы, включая 116 рисунков и 31 таблицу. Перечень литературы включает 292 наименования. Семь приложений размещены на 72 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации. Изложено содержание работы по главам с кратким описанием полученных результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников по проблемам: физики контактного взаимодействия трущихся поверхностей, разработки критериев усталостного разрушения и расчетных моделей изнашивания, создания методов и технических средств для исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев, а также разработки систем управления сроком службы пар трения.

Приведено описание физико-химических аспектов контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при трении с учетом влияния поверхностных эффектов на состояние материала поверхностного слоя, не учитываемых ранее при расчетах на изнашивание.

Приводится литературный обзор и классификация существующих теорий и расчетных моделей изнашивания материалов. Показано, что при моделировании изнашивания наиболее перспективным является кинетический подход, основанный на термофлуктуационной концепции прочности материалов, развиваемой С.Н. Журковым, В.А. Петровым, А.В. Савицким, Т.П. Санфировой, И.И. Новаком, Г.М. Бартеневым, В.Р. Регелем, А.И. Слуцкером, В.А. Степановым, В.В. Шпейзманом и др. Первыми трудами, посвященными кинетическому подходу к описанию изнашивания материалов были работы С.Б. Ратнера, Ю.Н. Дроздова, Д.Г. Громаковского, А.Г. Ковшова, Э.В. Рыжова, В. Вутке, Е.Г. Лурье.

Одна из научных проблем, стоящая на пути практического использования расчетных моделей изнашивания кинетического типа, заключается в отсутствии приемлемых в инженерной практике методик и технического оснащения для оценки энергетических параметров деформации и разрушения тибомодифицированных поверхностных слоев - энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента. В обзоре существующих методов оценки этих параметров (калориметрических, термокинетических, механических и др.) рассмотрены экспериментальные и аналитические методы определения активационных характеристик разрушения материалов, анализ которых показал, что они не применимы к изучению кинетики усталостной повреждаемости поверхностных слоев. В качестве альтернативы предложен склерометрический метод механической активации пластической неустойчивости поверхностного слоя, реализуемый путем микропропахивания поверхности твердыми инденторами. Приведена история развития и основные проблемы данного метода. Отмечен основополагающий вклад в развитие склерометрических испытаний материалов отечественных и зарубежных ученых: Г.Д. Полосаткина, В.Д. Кузнецова, М.М. Хрущева, Д. Тейбора, М.М. Тененбаума, В.М. Матюнина, В.В. Запорожца и др.

Приводится обзор по проблемам разработки системы управления сроком службы ответственных узлов трения машин, призванной обеспечить максимальную надежность трибосопряжений. В целом анализ выявил следующие проблемы, сдерживающие реализацию системы управления сроком службы при создании и эксплуатации ответственных узлов трения:

- в настоящее время недостает надежных методик определения остаточного ресурса деталей узлов трения, а также надежных баз знаний, необходимых для предупреждения их усталостного разрушения.

- недостаточно изучены физические механизмы и закономерности усталостной повреждаемости материалов пар трения.

- отсутствуют многофакторные критерии предельного состояния материалов.

Заканчивается обзор выводами, полученными по результатам изучения текущего состояния поставленного в диссертации вопроса, сводкой основных проблем, формулировкой цели и постановкой задач исследований.

Во второй главе приведены результаты разработки кинетической модели, отражающей изменение внутренней энергии материала поверхностного слоя под действием усталости, а также приведены рекомендации по практическому использованию данной модели.

В работе развиваются представления о поверхностном слое как о синергетической системе, фундаментальными свойствами которой являются способность к саморегулированию, самоорганизации и адаптивности. Усталостное разрушение материала поверхностного слоя рассматривается как заключительная фаза, закономерно развивающегося во времени многомасштабного и многоэтапного процесса повреждаемости, сопровождаемого самоорганизацией и эволюцией дислокационных диссипативных субструктур, развивающихся в строгой иерархической последовательности. В свете синергетики, развиваемой в трудах Д. Кайзера, И.А. Одинга, Н.А. Буше, В.С. Ивановой, Л.И. Куксеновой, Л.М. Рыбаковой, И.Ж. Бунина, А.С. Баланкина, А.А. Оксогоева, А.Н. Назарова, И.И. Гарбара, Н.А. Коневой и др., разрушение при усталостном изнашивании рассматривается как диссипативный фазовый переход от стадии накопления микроповреждений к стадии развития микро- и мезотрещин, вызывающих лавинообразное диспергирование поверхностного слоя.

В качестве теоретической основы разработки кинетической модели принята структурно-энергетическая теория, связывающая накопление повреждаемости и разрушение материала с его состоянием в энергетическом фазовом пространстве, компоненты которого показаны на рис. 1. При этом в качестве параметра, интегрально отражающего изменение состояния системы в энергетическом фазовом пространстве под действием отклоняющих сил любой природы, принята внутренняя энергия материала поверхностного слоя. Однако теоретико-экспериментальных исследований энергетических изменений в поверхностных слоях, деформируемых трением, проводилось очень мало, что является существенным "пробелом" в физическом познании процесса усталостного изнашивания.

Сумма начальной и накопленной энергии (см. рис. 1) определяет положение ФТ системы. Эффективный потенциальный барьер , отделяющий ФТ от ТБ и характеризующий способность материала к накоплению дефектов при пластической деформации, представляет собой энергетическое выражение остаточного ресурса материала.

В основу энергетического описания усталостной повреждаемости заложены следующие представления. Основу необратимых процессов на макроуровне составляют элементарные термофлуктуационные кинетические акты атомно-молекулярных перегруппировок, в результате которых часть энергии рассеивается в виде тепла, а некоторая доля энергии запасается в деформируемом материале в форме энергии упругих искажений кристаллической решетки. Появление каждого дефекта вносит элементарный вклад в приращение внутренней энергии материала. Когда запасенная энергия достигает определенного критического значения происходит разрушение и диспергирование тонкого поверхностного слоя в виде частиц износа. Периодические циклы накопления повреждений - разрушение поверхностного слоя постепенно приводят к макроизносу детали вплоть до предельного состояния. В данном описании усталость есть процесс роста внутренней энергии за счет накопления повреждаемости, а усталостное разрушение - результат достижения этой энергией критической величины.

Рассматривая физически бесконечно малый объем твердого тела как открытую термодинамическую систему, находящуюся при установившихся внешних условиях в состоянии локального равновесия, условие разрушения материала может быть записано как

,

где и - соответственно изменение внутренней энергии системы и ее энергия разрушения, отнесенные к молю вещества.

Рис. 1. Схемы кинетических переходов а) на макроуровне при разрушении локального микрообъема материала в момент достижения точки бифуркации б) на микроуровне при элементарном перемещении атома под действием термической флуктуации в поле механических напряжений: ФТ - фазовая точа в энергетическом фазовом пространстве, ТР - точка равновесия, ТБ - точка бифуркации, - начальная энергия, запасенная при технологической обработке материала, - накопленная энергия повреждаемости

С учетом уравнения Гиббса для оценки изменения внутренней энергии материала, Больцмановской интерпретации энтропии, известных из теории сопротивления материалов выражений для оценки энергий упругих и пластических деформаций было выведено энергетическое условие разрушения:

, (1)

где - универсальная газовая постоянная, 0,008314кДж/К·моль; - абсолютная температура, К; - критический уровень внутренней энергии, кДж/моль; - изменение свободной энергии поверхностного слоя под влиянием внешней среды, кДж/моль; - текущая длительность наработки, с;- постоянная времени, с; -средняя скорость деформации, с^-1; - энергия исходной поврежденности материала; - эквивалентное напряжение, МПа. В левой части равенства (1) находится кинетическая модель роста запасенной энергии в деформируемом поверхностном слое.

При комбинированном статическом и динамическом воздействии, а также наличии концентраторов напряжений с учетом коэффициента динамичности эквивалентное напряжение в выражении (1) представляется как произведение:

,

где - статическое напряжение, а - коэффициент перенапряжений. Изменение во времени действующего напряжения и частичный переход энергии деформирования в тепло учитываются коэффициентами формы и аккумулирования энергии .

Первый коэффициент определяется отношением

,

где - фактическая необратимо затраченная работа. Второй коэффициент показывает долю запасаемой энергии, относительно всей затраченной работы (по В.В. Федорову).

В общем случае изменение внутренней энергии системы происходит под действием комплексного влияния различных термодинамических сил: тепловых, механических, химических, диффузионных, электромагнитных и др. В диссертационной работе в явном виде рассматриваются только первые две силы, остальные учтены переменной , имеющей размерность энергии и характеризующей вклад немеханических обратимых сил в преодолении энергетического барьера .

В момент достижения равенства (1) длительность приложения нагрузки становится эквивалентной времени до разрушения (долговечности) поверхностного слоя, а пластическая деформация становится критической для данного состояния материала:

,

отсюда, выразив время, получим уравнение долговечности:

, с (2)

где - молярный объем, (мм ³/моль).

Если в выражении (2) пренебречь влиянием взаимодействия материалов со средой , приравнять критический уровень внутренней энергии величине энергии активации разрушения материала поверхностного слоя , а также принять равенство:

,

то в результате получим известное эмпирическое уравнение С.Н. Журкова для оценки долговечности твердых тел:

.

Выражение (2) раскрывает физический смысл коэффициента , как параметра, характеризующего пластичность материала. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных о росте внутренней энергии в процессе усталостной повреждаемости материалов показали их хорошее соответствие.

В качестве иллюстрации эвристической ценности предложенной кинетической модели повреждаемости на её основе были разработаны методики выбора режимов ускоренных испытаний материалов на усталость, выведены расчетные модели для оценки скорости изнашивания материалов и прогнозирования ресурса деталей пар трения при различных формах повреждаемости, обоснован атермический метод оценки активационных характеристик разрушения материалов, описана методика регламентирования показателей энергетических характеристик при конкурирующем действии двух различных видов изнашивания; разработаны расчетные модели для оценки предельных напряжений, вызывающих усталостное разрушение материала.

Третья глава посвящена разработке расчетной модели усталостного изнашивания материалов кинетического типа, основанной на использовании разработанного энергетического критерия прочности.

Основной предпосылкой при разработке расчетной моделей изнашивания является представление о кинетических циклах усталостного разрушения поверхностных слоев как о диссипативном процессе, обусловленном фундаментальными свойствами диссипативных структур - наличием пространственной локализацией и временем "жизни". На физическом уровне эти свойства проявляются в форме циклического образования на поверхностях трения характерных слоев, внутри которых сосредотачиваются усталостные процессы и которые после определенного времени наработки диспергируются и отделяются в виде частиц износа. Показано, что при усталостном изнашивании формируется две области накопления повреждаемости: первая сосредоточена в тонком поверхностном слое мезоскопических размеров (т.н. дебрис-слое), который накапливает дефекты и разрушается в режиме малоцикловой усталости при нормальном усталостном изнашивании; вторая - распространяется на большую глубину и отвечает за кинетику развития контактной усталости, протекающей в многоцикловом режиме.

В общем виде расчетную модель для оценки скорости изнашивания можно выразить посредством трех составляющих: пространственной Q и временной t характеристики диссипативной структуры, и вероятности появления фактического контакта на произвольном участке поверхности трения - Р. Приводится анализ физического смысла и размерности данных характеристик. В этих обозначениях расчетное выражение для оценки скорости усталостного разрушения материала поверхностного слоя записывается в виде:

, (3)

где n - число учитываемых видов изнашивания, Р_аi - вероятность активации i-го вида изнашивания. Как правило, при расчетах изнашивания исходят из предположения о преимущественной роли в заданных условиях трения одного, ведущего вида изнашивания, т.е. . При этом выражение (3) принимает вид:

.

В зависимости от конкретной интерпретации параметров Q, t и Р расчетная модель скорости изнашивания материалов приобретает тот или иной вид. На основе идентификации этих параметров для известных моделей изнашивания рассмотрен ряд подходов к их аналитической и экспериментальной оценке. Показано, что, несмотря на различие способов их определения и исходных теоретических предпосылок, структура модели сохраняется для всех видов изнашивания. В качестве примера представлен анализ расчетных моделей Д. Арчарда, И.В. Крагельского, В.Д. Кузнецова, Д.Г. Громаковского и А.Г. Ковшова.

На основе выражения (3) и энергетической модели (1) усовершенствована расчетная модель для инженерных расчетов скорости усталостного изнашивания материалов кинетического типа, при этом физическая картина развития усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев представлена следующим образом.

Контактирование поверхностей при трении происходит на дискретных площадках, локализованных на вершинах неровностей. На фактических площадках касания (ФПК) развиваются давления близкие к значению твердости наиболее мягкого материала независимо от величины приложенных нагрузок и геометрических характеристик контактирующих поверхностей. При относительном перемещении, следующие друг за другом выступы неровностей перемещаются по поверхности контртела и вызывают импульсный режим нагружения каждого микрообъема, локализованного в поверхностном слое (рис. 2а). Каждый участок поверхности подвергается пластической деформации в зонах ФПК, а также упругой и упругопластической деформации - в области сжатия (перед движущимся выступом) и в области растяжения (за выступом) (рис. 2б). Изменение рельефа поверхности и деформация выступов при трении обуславливают непрерывную миграцию точек фактического касания по всей поверхности контакта случайным образом. Так что за достаточно длительный промежуток времени появление ФПК равновероятно в любой точке поверхности.

Во время фактического контакта происходит приращение пластической деформации материала поверхностного слоя. При этом часть затраченной энергии запасается в материале в виде энергии упругих искажений кристаллической решетки (дефектов) (рис. 2в). Основным видом дефектов при трении являются дислокации, которые в неравновесных условиях самоорганизуются в диссипативные структуры, сменяющие друг друга с ростом плотности дислокаций в детерминированной последовательности. Для описания процесса накопления повреждений в материале поверхностного слоя, генерируемых за один цикл нагружения, использована разработанная кинетическая модель роста запасенной энергии. Зоны фактического контакта рассматриваются как очаги зарождения новых фаз структурных перестроек, самоорганизующихся в материале поверхностного слоя. Развитие каждой новой фазы происходит до полного заполнения объема поверхностного слоя соответствующими диссипативными структурами.

Рис. 2. К описанию кинетической модели изнашивания. Эпюры: действующих при трении напряжений на элементарном участке поверхности (а); неупругой деформации _п материала поверхностного слоя (б); изменения внутренней энергии элементарного объема (в); изнашивания (г). На эпюрах обозначены: - давление в области ФПК, t_к - время фактического контакта, t_ц - длительность цикла изнашивания, И - линейный износ

Упругопластической деформации и накоплению дефектов подвергается определенный слой (дебрис-слой) имеющий глубину h_д мезоскопических размеров. Образование этого слоя является диссипативным самоорганизующимся процессом, который слабо зависит от исходной структуры материала и контролируется, помимо собственных характеристик материала, совокупностью эксплуатационных условий узла трения (нагрузками, температурой, средой и т.д.). При постоянных условиях трения толщина и долговечность дебрис-слоя остаются в среднем неизменными. При достижении внутренней энергией u величины энергии активации диссипативного фазового перехода, ответственного за растрескивание охрупченного материала, начинается фаза усталостного разрушения, которое проявляется как лавинообразное диспергирование материала поверхностного слоя (рис. 2,г) в виде частиц износа на глубину h_д, охватывающее всю геометрическую площадь контакта.

Локализация во времени начала диспергирования поверхности t_ц находится как время, при котором математическое ожидание длительности контактирования каждого микрообъема достигает величины долговечности материала поверхностного слоя t_р, рассчитываемой по кинетической модели (2), полученной в рамках структурно-энергетической теории прочности (рис. 4в).

Вероятность фактического контакта Р, учитывающую микро- и макрогеометрические особенности элементов пары трения, определяется из выражения:

, (4)

где - твердость материала; - площадь поверхности трения. Первый множитель представляет собой коэффициент перекрытия поверхностей, второй - характеризует отношение площадей фактического и номинального контакта.

С учетом вышеизложенного расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания примет вид:

. (5)

Для проверки и экспериментального обоснования исходных предпосылок к моделированию изнашивания выполнено сравнение расчетных значений скорости изнашивания материалов и результатов испытаний, которое показало удовлетворительное совпадение.

Опыт применения кинетических моделей изнашивания показывает, что определенная трудность состоит в оценке величины . Ранее, она оценивалась эмпирически рентгеноструктурными методами или по результатам испытаний на изнашивание. Показана возможность прогнозирования локализации дебрис-слоя при помощи компьютерного моделирования контактного взаимодействия двух шероховатых поверхностей с использованием программного пакета ANSYS. Анализ возможных путей описания реальных элементов пар трения их конечно-элементными моделями показал целесообразность использования метода последовательного приближения путем построения двухуровневых моделей. На первом уровне учитывается макрогеометрия поверхностей и определяется распределение в зоне контакта средних значений напряжений и деформаций материала. На втором уровне учитываются параметры микрогеометрии поверхностей трения, и оценивается глубина локализации диссипативных процессов, в которой происходит рассеивание энергии за счет упругопластической деформации поверхностных слоев.

В четвертой главе представлены результаты разработки новых методик, приборов и программного обеспечения для экспрессной, неразрушающей оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев с использованием механической активации пластической неустойчивости материала, при которой энергия активации процесса пластической деформации u₀ представляется как механическая энергия, затрачиваемая на оттеснение одного моля вещества поверхностного слоя, а энергия разрушения - как критическое значение величины u₀, соответствующее состоянию материала в состоянии предразрушения.

Из энергетического условия разрушения (1) и фундаментального положения синергетики об инвариантности природы подводимой энергии в точке бифуркации следует, что число возможных методов экспериментальной оценки энергии активации разрушения материалов теоретически не ограничено. При этом суть любого метода сводится к возбуждению материала до точки бифуркации и оценке затраченной на это энергии. Практический выбор конкретной методики требует учета ряда замечаний:

1) выбранный метод активации материала должен создавать условия для самоорганизации в материале диссипативных механизмов, соответствующих исследуемому процессу;

2) активация материала поверхностного слоя должна быть локализована в пределах исследуемой диссипативной системы;

3) методика и технические средства для перевода материала в возбужденное состояние должны быть максимально простыми, доступными, наукоемкими и отвечающими современным требованиям к приборам и методикам технической диагностики.

Данным условиям отвечает склерометрический метод механической активации материала поверхностного слоя. Преимущества данного метода заключаются в следующем: за счет выбора нагрузки на индентор возможна деформация материала поверхностного слоя в широком диапазоне глубин (от нанометров до сотен микрометров); выбором формы индентора можно реализовать различные механизмы повреждаемости и разрушения поверхностных слоев (от микрорезания до усталостного выкрашивания); изменяя направление царапания можно исследовать анизотропию механических свойств текстурированных поверхностных слоев; при царапании можно определять влияние граничных слоев смазочных материалов на прочность поверхностного слоя, кроме того, склерометрия - неразрушающий и экспрессный метод исследования поверхностных слоев, при котором сохраняется качественное подобие напряженно-деформированного состояния и масштабного уровня повреждений при трении и при деформации поверхности индентором.

В случае приложения высоких механических нагрузок (), механизм разрушения материалов близок к атермическому. При этом время до возникновения пластической неустойчивости приближается , следовательно, первое слагаемое условия разрушения (1) стремится к нулю и основной вклад в разрушение будет внесен вторым слагаемым, представляющим собой мольную механическую энергию, затрачиваемую на активацию пластической неустойчивости материала поверхностного слоя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для обоснования применимости метода склерометрии и выбора в качестве индентора алмазной пирамиды Виккерса разработана параметрическая конечно-элементная модель внедрения и пропахивания данным индентором материала поверхностного слоя. С помощью данной модели получены картины распределения полей напряжений, деформаций и перемещений в области контакта алмазной пирамиды с поверхностью модельного упругопластического материала в виде графических (рис. 3) и мультимедийных файлов, отражающих процессы упругой и пластической деформации материала в процессе его оттеснения. Исследование конечно-элементной модели показало, что процессы пластической деформации и перемещений материала поверхностного слоя, обусловливающие работу пластической деформации преимущественно сосредоточены в области, находящейся перед движущимся индентором при этом деформация поверхностного слоя происходит без образования наростов и стружки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценку мольной энергии пластической деформации материала поверхностного слоя целесообразно выполнять либо при постоянной нагрузке на индентор, либо при постоянном заглублении индентора в поверхностный слой. Первый метод оценки (рис. 4а) заключается в оттеснении материала поверхностного слоя индентором Виккерса, оценке среднего количества выдавленного материала за один проход индентора и затраченной работы, по которым рассчитывается значение:

, кДж/моль (10)

где V_m - молярный объем; Р - число проходов индентора; - сила сопротивления пластической деформации при царапании. Молярный объем для чистых металлов рассчитывался по справочным данным, для сплавов - исходя из процентного содержания добавок. Величина определяется экспериментально.

Для реализации данного метода разработаны лабораторные программно-аппаратурные комплексы (рис. 5): один комплекс создан на базе микротвердомера ПМТ-3 (рис. 5а), второй - исполнен в виде трехмодульной установки, содержащей узлы для выполнения шлифов, склерометрирования и измерения параметров деформации материала поверхностного слоя (рис. 5б).

При лабораторной оценке микротвердости и активационных параметров разрушения конструкционных материалов (по первому методу) сначала при помощи шлифовального узла комплекса выполняют подготовку поверхности путем удаления тонкого дефектного слоя, не отражающего объективное состояние материала в объеме. Затем на подготовленную поверхность, алмазным индентором деформирующего узла наносят ряд наколов для оценки микротвердости по Виккерсу, а также подвергают склерометрированию при фиксированной нагрузке на индентор в диапазоне 5…200 гс. Изображения полученных отпечатков при помощи электронно-оптического узла передают в персональный компьютер и сохраняют в базе данных, после чего изображения обрабатывают при помощи программы BMP (рис. 6). Программа позволяет произвести оценку микротвердости по Виккерсу и рассчитать значение энергии активации пластической деформации. Разработаны требования к выбору рациональных режимов испытаний. Длительность одного испытания составляет 10 мин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рис. 6. Иллюстрация программного обеспечения: а и б - применение программы BMP для автоматизированной оценки микротвердости и мольной энергии пластической деформации соответственно

Оценка структурно-чувствительного коэффициента выполняется из выражения: поверхностный усталостный деформация разрушение

=U₀/H,

справедливого при допущении, что давления в зоне контакта индентора с поверхностью близки к величине Н.

Во втором методе оценки мольной энергии пластической деформации (рис. 4б) деформирование поверхности осуществляется при заданной величине заглубления индентора h (до 5 мкм) и, соответственно, - фиксированном количестве вытесненного из поверхности материала. Тогда, с учетом геометрии алмазного индентора, можно оценить из выражения:

, кДж/моль (11)

Данный метод можно реализовать при помощи малогабаритных лабораторных и переносных склерометрических модулей (рис. 7), которые могут использоваться в сочетании с ПК или с микроконтроллерной системой сбора данных. Длительность одного испытания составляет 1 мин.

Прибор (рис. 7 а), имеющий датчики нормальной и касательной сил, а также датчик вертикального перемещения индентора, позволяет проводить исследования при фиксированной нормальной нагрузке, а также при фиксированном заглублении индентора. За счет непрерывного контроля глубины внедрения индентора в поверхностный слой при нормальном нагружении индентора (в диапазоне до 200 гс) прибор позволяет оценивать микротвердость материала. Гибкая подвеска индентора позволяет при царапании поверхности огибать все неровности профиля, сохраняя заданную глубину внедрения алмазной пирамиды в поверхностный слой.

Особенность склерометрического модуля для испытаний плоских образцов (рис. 7 б) заключается в том, что за одно движение оператора (нажатие на кнопку), автоматически и последовательно осуществляются три действия: 1) плавное опускание индентора к исследуемой поверхности, 2) внедрение индентора в поверхностный слой на заданную глубину, 3) пропахивание индентором поверхности на заданное расстояние и с постоянной глубиной внедрения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Переносной маятниковый склерометрический модуль (рис. 7 в) на магнитном основании в сочетании с автономной микроконтроллерной системой сбора, обработки и хранения информации позволяет проводить безобразцовую оценку мольной энергии пластической деформации поверхностных слоев и прогнозировать остаточный ресурс металла в полевых условиях. Царапание поверхности осуществляется по дуге, при этом сила царапания измеряется в точке максимального заглубления индентора. Максимальная глубина лунки (до 5 мкм) задается взаимным положением рабочей поверхности базирующего элемента и вершины индентора.

Статистический анализ экспериментальных результатов показал, что рассеяние размеров борозд, полученных при равных условиях, подчиняется нормальному закону распределения. Приведена методика оценки минимального количества измерений, необходимых для достижения требуемой точности результатов испытаний.

Новый метод имеет практически неразрушающий, экспрессный характер и позволяет оценивать мольную энергию пластической деформации материала с учетом физико-химической и структурной модификации поверхностей, а также усталостной повреждаемости при эксплуатации.

...