Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: Монография

Голосов: 0

Рассмотрен широкий круг вопросов, касающихся исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев при трении. Описаны физические механизмы развития усталости и кинетика роста внутренней энергии в деформируемых материалах. Изложены существующие и предложены новые расчетные модели изнашивания, методики и технические средства для оценки их параметров. Представлены основы системы управления сроком службы ответственных узлов трения. Монография ориентирована на студентов старших курсов и аспирантов машиностроительного профиля, изучающих трибологию, а также специалистов-трибологов, занимающихся проблемами разработки, диагностики, испытания и прогнозирования ресурса узлов трения машин.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    стах скопления дислокаций у различных препятствий (границ зерен,
включений и т. д.). Элементарной вязкой трещиной можно считать
ступеньку сдвига на поверхности, образованную за счет выхода (раз-
рядки) дислокаций. В зависимости от вклада каждой составляющей,
определяемого условиями деформирования, выделены области с раз-
личным характером разрушения: вязким ( Ар = Ав ), вязко-хрупким (
Ав > Ах ), хрупко-вязким ( Ав < Ах ), хрупким ( Ар = Ах ). Оценка вклада
каждого вида дефектов в потерю устойчивости материала, выполнен-
ная В.С. Ивановой [121], показала, что вклад дислокаций примерно в
два раза выше, чем вклад точечных дефектов.
    Область применимости механического подхода ограничена изуче-
нием активационных характеристик деформации и разрушения материа-
лов при пластической деформации. Однако выбор оптимальных темпе-
ратурно-скоростных условий пластической деформации не только важен
для трибологии, но и является одной из важнейших задач для определе-
ния режимов обработки металлов и сплавов резанием и давлением. Кро-
ме того, механический способ обладает рядом преимуществ.
    − При определённых условиях (когда в выражении (2.30) первое
       слагаемое обращается в нуль) методика позволяет исключить
       из анализа фактор времени. При этом разрушение будет проис-
       ходить атермически, что придает испытаниям экспрессный ха-
       рактер.
    − Оценку активационных параметров деформации и разрушения
       поверхностного слоя можно выполнять в любом направлении и
       на любом выбранном участке поверхности исследуемого мате-
       риала.
    − Выбор метода и условий деформирования позволяет реализо-
       вать широкий спектр механизмов повреждаемости и разруше-
       ния материала поверхностного слоя, от микрорезания до уста-
       лости.
    − Механическое воздействие, в частности пластическую деформа-
       цию, можно легко локализовать в весьма ограниченном объеме
       материала, соизмеримом с величиной зерна и меньше (вплоть до
                                  201


       наноуровня). Это позволяет использовать механическую актива-
       цию для исследования тонких поверхностных слоев, модифици-
       рованных трением.
    Отмеченное позволяет констатировать: механический способ ак-
тивации разрушения и деформации отвечает требованиям объектив-
ности при воссоздании процессов, имеющих место при трении, и яв-
ляется оптимальным для изучения активационных характеристик ма-
териала поверхностного слоя.
    Для механической активации деформации и разрушения материа-
ла поверхностного слоя традиционно применяются два основных ме-
тода: вдавливание (индентирование) и царапание (склерометрия) по-
верхности твердыми инденторами [52, 91, 115, 152, 166, 167, 190, 218,
226, 227, 244]. Основная область их применения – оценка микро-
твердости поверхностных слоев, например, по ГОСТ 23.221-84.
Принципиальное различие этих двух методов состоит в схеме прило-
жения нагрузок: в первом случае нагружение происходит только в
нормальном направлении, во втором – индентор воздействует на по-
верхностный слой в нормальном и касательном направлениях. Не-
смотря на то, что возможности метода индентирования за последние
десятилетия существенно расширились [244], второй случай все же
более близок к процессу деформации, происходящему при реальном
трении. По сути, при царапании моделируется единичный контакт
твердого выступа с более мягкой поверхностью. Поэтому данный ме-
тод является наиболее подходящим для изучения свойств поверх-
ностных слоев, модифицированных трением.
    Метод склерометрии заключается в том, что в исследуемую по-
верхность под воздействием нормальной нагрузки внедряют инден-
тор. Затем, приложив тангенциальное усилие, осуществляют относи-
тельное перемещение индентора, в результате чего образуется пла-
стический отпечаток в виде пропаханной борозды, размеры которой
используются для оценки механических характеристик материала.
Инденторы изготавливаются из твердых материалов (быстрорежущие


                                 202


стали, твердые сплавы, монокристаллы сапфира, алмаза и др.), как
правило, в виде пирамидальной или конической фигуры.
    Царапание определяется как процесс образования углублений на
поверхности в направлении скольжения под воздействием выступов
твердого тела или частиц (ГОСТ 16429-70). Как показал анализ ли-
тературных источников, механизм образования царапины толкуется
различным образом. Так, в работе [131] указывается, что характерной
особенностью процесса царапания является микрорезание поверх-
ностного слоя и образование стружки. Однако, исследования [282,
292] показали, что царапание может осуществляться в разных режи-
мах: микрорезания, пластического оттеснения материала и образова-
ния выступа перед индентором. Влияние различных факторов на ре-
жимы царапания показаны на рис. 3.5.
    Метод склерометрии широко известен и применяется в трибологии
уже достаточно долгое время. Основы склерометрических испытаний ма-
териалов заложены в работах Г.Н. Полосаткина, В.Д. Кузнецова, Н.Н. Да-
виденкова, М.П. Марковца, М.М. Хрущева, М.А. Бабичева, Д.Б. Гогобе-
ридзе, В.К. Григоровича, Н.М. Михина, П.С. Аукштакальниса, М.М. Те-
небаума, Е.Н. Маслова, Ю.В. Димова, И.А. Лаврентьева, В.Г. Борисова,
Ф.И. Измайлова, В.М. Матюнина, Мартенса, Д. Тейбора, О’Нейла, Бир-
баума, Фауста, Таммана, Малатеста, Бернета, Риккерби, Комвопулоса,
Цукидзое и др. [36, 52, 91, 147, 151, 166, 167].
    Данный метод имеет многоцелевой характер, и поэтому в настоящее
время он находит применение во многих странах при решении широкого
спектра задач [17, 21, 24, 27, 67, 176, 185, 230, 274, 278, 279, 282, 292].
    Кроме адекватности напряжен- Dp                                                α ,°

но-деформированного          состояния 0,8                                         90

при царапании и контактном взаи-                        Микрорезание
                                           0,6
модействии выступов трущихся по-                                                   60

верхностей, применение метода 0,4
                                                                      Образование
склерометрии можно обосновать                                             выступа
                                                                                   30
следующим.                                 0,2
                                                        Пластическое
                                                        оттеснение
    − Царапание позволяет произ-            0
                                                 0,2    0,4       0,6  0,8      1,0 f
       вести деформацию материа-
                                         203


       ла поверхностного слоя на любой глубине, в зависимости от
       приложенной нормальной нагрузки.
    − Высокие контактные нагрузки pr≅Нё при царапании обеспечи-
       вают условие, необходимое для оценки энергии активации ме-
       ханическим способом и производят активацию дислокационно-
       го механизма повреждения          Рис. 3.5. Диаграмма режимов
       поверхностного слоя.                         царапания:
                                     Dр – степень внедрения твердого выступа;
    − Выбор направления царапа-                    α – угол атаки;
       ния позволяет выявить ани-           f – касательные напряжения
                                              на поверхности контакта
       зотропию свойств материала
       поверхностного слоя.
    − Возможность осуществления повторных проходов индентора
       по одному участку поверхности позволяет оценить свойства
       изучаемого материала при накоплении повреждений в режиме
       малоцикловой усталости.
    − Выбор формы и материала индентора, а также условий царапа-
       ния позволяет реализовать различные механизмы повреждае-
       мости поверхностного слоя.
    При изучении модифицированного материала поверхностного слоя
необходимо учитывать, что он включает структурные элементы различ-
ного масштаба: атомы, нуль- и одномерные дефекты – на микроуровне;
дислокационные ячейки, клубки, зерна – на мезоуровне; топографию и
зеренную структуру – на макроуровне. Воздействие индентора вызыва-
ет появление механизмов пластической деформации на микро- и мезо-
уровнях. Объективность оценки активационных характеристик дости-
гается при условии, что деформируемая область включает множество
структурных элементов материала, что позволяет при выполнении экс-
перимента усреднить влияние всех действующих механизмов. Это со-
ответствует структурно-феноменологическому подходу [11], при кото-
ром энергия активации может быть рассмотрена как полная энергия, за-
траченная на активацию совокупности всех механизмов повреждения,
которые на мезо- и макроуровнях вызывают пластическую неустойчи-

                                     204


вость и оттеснение вещества поверхностного слоя количеством в один
моль. При этом совокупность действующих механизмов полагается за-
ранее неизвестной и представляется в виде «черного ящика». Оценке
подлежат только входные параметры в виде затрачиваемой механиче-
ской энергии и выходные в виде результирующего количества оттес-
ненного вещества. Безусловно, такой метод оценки энергии активации
не позволяет выявить ни количество действующих механизмов разру-
шения, ни их долю в общем процессе деформации, однако это и не яв-
ляется целью данной работы.

 3.5. ОБЗОР СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ИС-
              ПЫТАНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

     Испытание конструкционных материалов методом царапания, из-
вестное как склерометрия, применяется в мировой практике более 300
лет [218] и является одним из старейших способов оценки механических
характеристик твердых тел. Первые упоминания о ранжировании мине-
ралов по прочности путем их царапания напильником относятся к сере-
дине XVII века. Идея классификации твердости металлов путем царапа-
ния поверхности эталонными материалами была выдвинута Реомюром в
1722 году. Позже эту идею блестяще воплотил австрийский минеролог
Моос (1824 г.), впервые предложив 10-балльную шкалу, которая позво-
ляла оценивать относительную твердость испытуемых материалов по
способности царапаться эталонами. На нижней ступени этой шкалы в
качестве эталона принят тальк, а на верхней – алмаз. Эта шкала до сих
пор сохраняет свое значение в минералогии.
     В начале XVIII века стали появляться первые склерометры. Впер-
вые этот термин ввел в употребление Зеебек в 1833 г., назвав склеро-
метром изобретенный им прибор для царапания [218]. Несмотря на
то, что этимологически слово «склерометр» означает «измеритель
твердости», в современном понимании склерометрами принято назы-
вать любые устройства, реализующие метод царапания, независимо
от того, какие характеристики материала подлежат оценке: твердость,

                                 205


пластичность или иные механические параметры. Совершенствовани-
ем моделей склерометров занимались Шиллер (1927 г.), Койфман
(1930 г.), Розенберг (1939 г.) и др.
    До начала прошлого века склерометрия была единственным при-
знанным способом оценки твердости материалов, однако в начале 40-х
годов метод царапания был почти полностью вытеснен широко извест-
ными в настоящее время методами Роквелла, Бринелля, Виккерса и др.,
в которых твердость материалов оценивалась вдавливанием в них ин-
денторов различной формы. Несмотря на это, испытания материалов
методами индентирования и склерометрии далеко не равнозначны
[218]. Как показал Н.Н. Давиденков с сотрудниками, метод царапания с
точностью до 3% «…дает представление не только о твердости, но и об
истинной прочности на разрыв, о временном сопротивлении, об отно-
сительном сужении в шейке и о пределе текучести».
    На последнем совещании по склерометрии, проведенном в
ИМАШ РАН в апреле 1966 г., М.М. Хрущев отмечает [218], что скле-
рометрия имеет гораздо более важное методологическое значение,
чем индентирование, и представляет собой «…ценный метод лабора-
торного исследования свойств твердых тел, в связи с чем целесооб-
разно проведение систематических работ по развитию этого вида ис-
пытания, по созданию приборов для его применения и по разработке
общей стандартизированной методики». М.М. Тененбаум [234] также
пишет, что «…целесообразность дальнейшего развития метода ца-
рапания обосновывается возможностью получения новых характери-
стик механических свойств, не выявленных другими способами». Од-
нако в то время нуждам инженерной практики, прочностные расчеты
которой строились на предельных силовых критериях – пределе теку-
чести, временном пределе и др., вполне удовлетворяли простые по
конструкции твердомеры, работавшие по методу индентирования.
Склерометрии же, уступившей основные позиции методу вдавлива-
ния, было уготовано на протяжении более полувека оставаться «в
тени» и лишь отчасти использоваться в качестве альтернативного,
вспомогательного метода испытаний материалов при исследовании
                                206


структуры, пластичности, анизотропии, удельной энергии деформа-
ции материалов, прочности покрытий и т. д.

    Последние 50 лет происходило непрерывное развитие и техниче-
ское совершенствование склерометров и методов испытаний царапани-
ем, но в подавляющем большинстве случаев испытания сводились к
оценке стандартных силовых и деформационных свойств материалов
[166, 167]. Подобная ограниченная ориентация склерометрии на полу-
чение известных характеристик, которые можно было проще и коррект-
нее оценить при испытаниях на растяжение или вдавливание, не могла
способствовать всестороннему раскрытию огромных внутренних резер-
вов метода царапания, а также широкому внедрению и стандартизации
склерометрических приборов и методик испытаний. По прошествии
почти полувека ситуация в этом плане существенно не изменилась. Так,
в работе П.В. Волкова [52] (2000 г.) отмечается, что метод царапания
обладает уникальными возможностями, позволяющими испытывать
тонкие слои материала с доведением их до разрушения, но пока он не
получил широкого распространения по причине отсутствия автомати-
зированных методик испытаний, а также недостатка соответствующих
приборов и нормативных документов.
    В 90-х годах прошлого века сотрудникам НТЦ «Надежность»
удалось разработать и обосновать новые методики (патенты РФ
№ 21667454, № 2119165, № 2277232), позволяющие наиболее легко,
быстро и непосредственно получать оценку активационных парамет-
ров пластической деформации и разрушения материалов, а также ве-
личины запасенной энергии деформации при использовании метода
склерометрии. Разработанные методики не только открыли принци-
пиально новые возможности в исследовании кинетики повреждаемо-
сти и разрушения материалов, прогнозировании их ресурсных харак-
теристик, разработке научно обоснованных методик ускоренных ис-
пытаний элементов машин и конструкций, но и позволили склеромет-
рии вновь обрести важное самостоятельное прикладное значение в
ряду механических методов исследования материалов.

                                207


     Маркетинговый анализ показывает, что современный рынок
склерометрических устройств в нашей стране не заполнен (в реестре
средств измерения, сертифицированных органами государственного
надзора, нет склерометрических устройств), и в настоящее время от-
сутствуют отечественные стандартные, переносные, удобные в прак-
тическом использовании склерометры. В то же время интерес к таким
устройствам со стороны производственных предприятий машино-
строения, энергетики и транспорта весьма велик.
     Одними из первых склерометров в нашей стране стали установ-
ки, разработанные в 1952-1953 гг. в СФТИ под руководством Г.Д. По-
лосаткина [151] (рис. 3.6, а-г) для изучения законов царапания и срав-
нения процесса царапания с процессом шлифования. В данных скле-
рометрах, созданных на базе горизонтально фрезерных станков, ис-
пользовался конический индентор из закаленной стали ШХ-15 с уг-
лом при вершине 60°. При царапании определяли глубину царапины
и силу царапания [151], после склерометрирования оценивали весо-
вой износ образцов.
     В ИМШ РАН была разработана конструкция склерометра для ис-
следования влияния скорости царапания на твердость, базирующаяся
на стандартном микротвердомере Виккерса ПМТ-3 (рис. 3.7). Образ-
цы закреплялись на столике пластилином. Царапание осуществлялось
стандартной алмазной пирамидой Виккерса в диапазоне скоростей
2,6·10-5 …2·10-2 см/сек.
     Серия моделей маятниковых склерометрических устройств СТ-3,
СТ-4, СТ-6, СТ-7 и др. для изучения износостойкости материалов при
статическом, динамическом и циклическом царапании была разрабо-
тана под руководством М.М. Тененбаума [218] в период 1955-1965 гг.
во ВНИИПТУЛЕМАШе и в ВИСХОМе.
   Маятниковый склерометр СТ-4 [234] (рис. 3.8) содержит основа-
ние, маятник с закрепленным в его головке индентором, выполнен-
ным в виде алмазной пирамиды, клиновое устройство для регулиро-
вания высоты подъема индентора по отношению к поверхности сто-
лика, пусковое и стопорное устройства, предметный столик с при-
жимным болтом. При рабочем ходе маятника алмазный индентор,
                                 208


перемещаясь гранью вперед, прорезает в образце царапину в виде
лунки со стандартной длиной 1,6 мм. Глубина лунки определяется
высотой подъема вершины индентора над поверхностью стола.




                   Рис. 3.6. Конструкции склерометров СФТИ:
                        а – для изучения весового износа при царапании
   (1 – стол, 2 – дуга, 3 – пластина, 4 – конический индентор, 5 – рычаг, 6 – подшипник);
  б – для исследования образования нароста при царапании с записывающим устройством
   (1 – стол, 2 – дуга, 3 – пластина, 4 – конический индентор, 5 – рычаг, 6 – подшипник);
     в – для исследования резания меди индентором с наростами (р – рычаг, с – столик,
к – конический индентор, м – мембрана, к – цилиндрическая коробка с медным купоросом);
               г – для исследования влияния вибраций на образование наростов
      (1 – стол горизонтально-фрезерного станка, 4 – конический индентор, 5 – рычаг,
               7 – груз, 8 – электромагнитный молоток для создания вибраций)




                                          209


   Рис. 3.7. Прибор ИМАШ для изучения процесса царапания материалов




               Рис. 3.8. Схема маятникового склерометра СТ-4
                         для динамического царапания:
                 1 – пружинное спусковое устройство; 2 – маятник;
     3 – механизм свободного хода; 4 – головка маятника; 5 – столик; 6 – образец;
               7 – винт; 8 – груз; 9 – трехгранная алмазная пирамида

    Развитие электронной базы позволило перейти от создания
отдельных приборов к разработке автоматизированных склерометри-
ческих программно-аппаратурных комплексов. Работы по созданию и
совершенствованию склерометрических устройств в настоящее время
ведутся в Московском энергетическом институте, Московском инсти-
туте нефти и газа им. Губкина, в Киевском институте гражданской
авиации и др. научных организациях.

                                         210



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика