The analysis of damageability of friction surfaces, estimation of kinetic characteristics of their status and wear resistance prediction

Full Text

Представленная статья посвящена совершенствованию разрабатываемых физических и расчетных моделей изнашивания [1, 2, 3 и др.] и обоснованию учитываемых факторов, обеспечивающих ее приемлемую идентификацию. В разрабатываемой концепции и модели усталостного изнашивания поверхностей, деформируемых трением, отражены два фундаментальных обстоятельства. Первое из них учитывает устойчивый периодический характер отделения материала на локализованных площадках трущихся поверхностей, а второе – связь времени до разрушения этих объемов с уровнем накопленных микроповреждений (рис. 1). а б в Рис. 1. Модель изнашивания: Vдеф– объем материала, отделяемого от микроплощадки контакта. Отделение происходит при энергии повреждаемости Uповр max: Ar – площадь фактического контакта; h – толщина разрушаемых пленок оксидов Периодический характер кривых изнашивания, установленный в работах автора, показан на рис. 2. Рис. 2. Пример экспериментальной характеристики изнашивания чугуна СЧ21-40 при постоянных значениях скорости скольжения и нагрузки: – протяженность; h – высота ступени износа Для оценки параметров «ступенчатого» износа использован методический прием, предложенный М.М. Хрущовым [4] и называемый методом лунок-свидетелей, при котором величину износа определяют по изменению глубины h или ширины B лунок, нанесенных на изнашиваемую поверхность (рис. 3), что характеризует износ в зафиксированной координате изнашиваемой поверхности. Рис. 3. Характеристики лунок-свидетелей При разработке алгоритма оценки изнашивания учитывали опыт наиболее известных трибологов – С.Б. Ратнера, М.А. Бартенева, Ю.Н. Дроздова, М.М. Хрущова, А.Г. Ковшова, И.Д. Ибатуллина, Б.М. Силаева, Т.Ф. Куина, И. Усуи и др. [11…15]. Так, например, Т.Ф. Куин [5] для оценки коэффициента интенсивности окислительного износа K использовал экспоненциальную зависимость , (1) где А – константа Аррениуса; Q – энергия активации; R – газовая постоянная; Т – температура; U – скорость скольжения; ρ – плотность оксида; ξ – расстояние. В.В. Федоров [6] для изучения активизационных параметров усталостного разрушения также использовал экспериментальную зависимость для оценки долговечности под нагрузкой t* (2) где U/(s,T) – энергия разрушения, определяемая величиной действующих напряжений s и температуры Т; t0 – постоянная времени (~10-12 сек); R – газовая постоянная. С.Б. Ратнер [7] для описания интенсивности изнашивания полимеров и резин – I предложил уравнение в виде , (3) где U0 – энергия активации разрушения; σ – напряжение; γ – постоянная структуры; f – коэффициент трения; R· – энергия теплового движения. Кинетическая модель изнашивания при фреттинге А.Г. Ковшова [8] позволила оценивать скорость линейного износа при фреттинг-коррозии по уравнению (4) где ε – предельное относительное удлинение; Сμ – атомная теплоемкость; σэкв – эквивалентная нагрузка; d – диаметр элементарного пятна контакта; h – постоянная Планка; L – проскальзывание на контакте; α – коэффициент теплового линейного расширения; σв – предел прочности; Аа – номинальная площадь контакта; b – условие связи в контакте (для плоского контакта b = 3, для контакта шара b = 1). При анализе времени до разрушения также рассмотрено уравнение долговечности , предложенное И.Д. Ибатуллиным [9] и интерпретирующее структуру уравнения С.Н. Журкова, обоснованного для долговечности единичной связи при оценках для макроразмерного масштаба, , (5) где Vm – молярный объем разрушения; Δε – критическое приращение деформации; Δg – вклад немеханической энергии среды. Представляемое в данной статье уравнение изнашивания исходит из кинетического подхода к оценке разрушения поверхностей, предложенного академиком РАН С.Н. Журковым. В связи с этим в обосновании уравнения использован аппарат термофлуктуационного механизма разрушения, а представление времени существования единичной связи кристаллических решеток под нагрузкой t рассматривается в подходе Аррениуса, Д. Дорна и др. авторов: (6) где t0 – постоянная времени; U0 – энергия активации пластической деформации; g – структурно-чувствительный коэффициент; s – действующее напряжение; k – постоянная Больцмана. В предложенной модели принято, что общее число связей λ, разрушающихся в каждом микрообъеме материала за один кинетический цикл, оценивается с помощью ряда принятых упрощений. Форма частиц износа принята сферической. Такую же форму имеет элементарный активационный объем Va. Число разрушаемых связей определяется по количеству межузлий единичной кристаллической решетки Np в локализованном микрообъеме материала Vd и среднестатистической частицы Vкр, а также отношению площади поверхности среднестатистической частицы износа SVкр к Lму – количеству межузлий на поверхности частицы в зависимости от типа кристаллической решетки материала: (7) Разрушение каждого локализованного микрообъема материала при изнашивании имеет групповой характер и протекает за время охарактеризованного выше кинетического цикла «упрочнение → разупрочнение → разрушение». При этом на первой стадии (рис. 1в) износ минимален, а накопление повреждений носит латентный характер. Длительность этой стадии – обычно около 0,7 времени цикла. На второй стадии наблюдается быстрый рост повреждаемости и отделение частиц износа. После удаления продуктов износа начинается новый цикл накопления повреждаемости и разрушения на новой образовавшейся совокупности выступающих неровностей. Объем разрушаемого за 1 цикл материала Vd представляется выражением (8) где DAr и nr – соответственно площадь единичного пятна фактического и число пятен фактического контакта. Общее время, необходимое для разрушения микрообъема материала Vd, определяется на основе гипотезы линейного суммирования повреждаемости при уточнении количественной стороны по экспериментальным данным: (9) Средняя скорость изнашивания (10) С учетом требований размерности, соотношений характеристик релаксации повреждений Пр исходной повреждаемости материала ξ, а также диссипативности контакта (коэффициент поглощения ψ) уравнение скорости изнашивания получено в виде (11), где l – число разрушаемых связей: (11) Наряду с расчетным способом оценки ресурсных характеристик (11) была разработана дополнительная методика экспериментального прогнозирования остаточного ресурса на базе склерометрических испытаний. В этой методике вначале, при усталостных испытаниях, разрушают стандартный образец исследуемого материала и методом склерометрии оценивают критический уровень накопления повреждаемости материалов Uе пред вблизи очага (трещины), а полученное значение энергии повреждаемости U пред наносят на график (рис. 4). Затем на контролируемой детали (образце) через заданные интервалы времени наработки производят повторные склерометрирования. Их результаты образуют диагностический график (см. рис. 4). После ряда испытаний линию Uе(t) экстраполируют до пересечения с линией Uе пред. Пересечение этих линий отсекает на графике время исчерпания ресурса tостат. Рис. 4. Программная реализация методики оценки остаточного ресурса материалов деталей машин В итоге проведенной идентификации процесса изнашивания усталостного типа и оценки значимости параметров повреждаемости и разрушения получена базовая модель усталостного износа. В модели отражен механизм деформации встречающихся при трении микронеровностей, образования и накопления повреждаемости в пределах т. н. контурных пятен контакта и их группового разрушения, фиксируемого в виде «ступеней» на кривых износа. Указанный механизм представлен параметрами кинетической термофлуктуационной концепции прочности, а для оценки этих параметров (U0 – энергии активации классической деформации и γ – структурно-чувствительного коэффициента) использован склерометрический способ испытаний.

About the authors

Dmitry G Gromakovsky

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Director of Scientific Center. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files