Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время высокоэнергетические технологии порошковой металлургии (с характерным энергетическим потоком порядка ~106-108 Вт/м2 и выше) являются перспективными способами повышения износостойкости поверхности деталей техники. Получаемые при этом износостойкие порошковые покрытия характеризуются высокой степенью неоднородности, слоистым строением и пористостью. Это обусловлено спецификой высокоэнергетических технологических процессов, заключающейся в быстропротекающем (10" -10" с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц порошкового материала и их последующем высокоскоростном охлаждении при формировании порошкового покрытия.
Форма затвердевших частиц и поровое пространство между ними составляют понятие макроструктуры порошкового покрытия (В.В. Кудинов). Макроструктура порошкового покрытия непосредственно влияет на физико-механические и эксплуатационные свойства обработанных деталей, поэтому разработка ее описания является актуальной научно-практической проблемой. Экспериментальное исследование формирования и разрушения макроструктуры порошковых покрытий крайне затруднено большим количеством частиц порошковой среды, высокими скоростями протекания и сложностью многочисленных физико-механических, теплофизи-ческих и др. процессов, что приводит к необходимости привлечения методов математического моделирования. При этом воздействие бесчисленных случайных факторов на физико-химическое взаимодействие частиц порошкового материала с поверхностью основы существенно осложняет использование детерминированных подходов. Эффективным методом моделирования формирования макроструктуры порошкового покрытия является применение вероятностно-геометрических систем - случайных упаковок частиц с заданными статистическими закономерностями изменения их состояний.
Процесс изнашивания порошковых покрытий при трении скольжения зависит от фактической площади контакта, величина которой определяется текущим состоянием микрогеометрии поверхности трения порошкового покрытия. Макроструктура порошкового покрытия, которая формируется случайным образом, безусловно, влияет на микрогеометрию поверхности трения. Поэтому статистические закономерности, наблюдаемые при формировании макроструктуры износостойких покрытий, проявляются и в процессе их изнашивания.
Таким образом, сложность построения аналитических моделей, вследствие стохастического характера процессов формирования и изнашивания порошковых покрытий, обосновывает целесообразность разработки статистических моделей. В то же время, существующие статистические подходы не позволяют эффективно описывать процесс изнашивания с учетом влияния макроструктуры покрытия на текущий профиль поверхности. Актуальной проблемой является разработка статистической модели на основе вероятностно-геометрической системы случайных упаковок частиц. Такой единый подход к описанию процессов формирования и разрушения порошковых покрытий позволяет эффективнее описать процесс изнашивания с учетом влияния макроструктуры.
Цель работы:
Разработка математических моделей формирования и изнашивания макроструктуры порошковых покрытий при трении скольжения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Обзор и анализ статистических подходов к изучению процессов формирования порошковых покрытий и изнашивания материалов, способов статистического описания макроструктуры порошковой среды.
Анализ на основе вычислительных экспериментов двумерной вероятностно-геометрической модели формирования макроструктуры порошковых материалов.
Разработка комплекса программ и математических моделей для описания изнашивания макроструктуры порошковых покрытий при трении скольжения.
Статистическое моделирование закономерностей изменения микрогеометрии поверхности трения порошковых покрытий.
Разработка статистического способа оценки ресурса износостойких порошковых покрытий при трении скольжения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработаны основы единого статистического подхода для описания формирования и установившегося изнашивания макроструктуры порошковых покрытий при трении скольжения. На основе локальной теоремы Муавра-Лапласа дано обоснование гипотезы о нормальности распределения высот равновесной поверхности трения.
Разработана статистическая модель изменения микрогеометрии поверхности трения порошковых покрытий на основе двумерной вероятностно-геометрической системы частиц, описывающей формирование макроструктуры порошкового материала.
3. Впервые на основе теории перколяции предложен расчетно-
экспериментальный способ оценки ресурса износостойких порошковых покрытий
при трении скольжения.
Теоретическая значимость работы. В разработанном подходе впервые предложено использовать двумерную вероятностно-геометрическую систему частиц для единого описания формирования и изнашивания макроструктуры поперечного сечения порошковых покрытий при трении скольжения.
Практическая значимость работы.
1. Разработанный расчетно-экспериментальный способ оценки ресурса порош
ковых покрытий при трении скольжения может использоваться для прогнозирова
ния износостойкости покрытия определением трех областей его ресурса: неприем
лемого ресурса, риска и гарантированного ресурса.
2. Разработанные статистическая модель и комплекс программ могут ис
пользоваться для расчетного определения характеристик профиля поверхности по
рошковых покрытий в ускоренных испытаниях на износ при трении скольжения.
Полученные результаты используются при выполнении инновационного проекта
№6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-
технической сфере.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Обоснование единого подхода на основе двумерной вероятностно-геометрической системы частиц для математического моделирования формирования и изнашивания макроструктуры сечения порошковых покрытий и материалов, перпендикулярного пути трения.
Статистическая модель изнашивания порошковых покрытий при трении скольжения с учётом микрогеометрии поверхности трения; результаты вычислительного эксперимента, описывающие изменения характеристик микрогеометрии поверхности порошковых покрытий при трении скольжения.
Достоверность полученных результатов.
Правомерность принятых допущений в разработанной статистической модели изнашивания порошковых покрытий, её адекватное описание процесса трения устанавливается сопоставлением экспериментальных и расчетных значений характеристик профиля поверхности трения порошковых покрытий, проверкой расчетных данных по разработанным программам с аналитическими решениями, использованием апробированных методов оценки погрешностей расчета.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования, применением стандартных методик испытаний на износ и исследования профиля поверхности трения.
Связь работы с крупными научными программами.
Программа фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН №13 «Трибологические и прочностные свойства структурированных материалов и поверхностных слоев», проект 13.4 «Статистические подходы к описанию процессов формирования и изнашивания структуры порошковых покрытий и материалов при трении скольжения» (2009-2011); издательский проект РФФИ № 09-08-07046.
Апробация работы. Основные результаты работы и отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на II, III, IV и V Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «EURASTRENCOLD» (г. Якутск, 2004, 2006, 2008, 2010); Международной конференции «Байкальские чтения-П по моделированию процессов в синергетиче-ских системах» (г. Максимиха, 2002); VIII Международной конференции «Проблемы машиностроения и технологических материалов на рубеже веков» (г. Пенза, 2003); 4-ой Всероссийской конференции «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций» (Санкт-Петербург, 2002); Всероссийской конференции «Космо- и геофизические явления и их математические модели» (г. Якутск, 2002); I, II, III Всероссийских научных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (г. Якутск, 2005, 2007, 2008); XIII, XIV, XV международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (г. Санкт-Петербург, 2007, 2008, 2009); Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике (г. Владивосток, 2009); XVII международной конференции «Математика. Образование.» (г. Чебоксары, 2009); VI международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения» (г.Ростов - на-Дону, 2010); XVII, XVIII Международных Интернет-конференциях
молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2005, 2006) (г. Москва, 2005, 2006); научной конференции «IV Лаврентьевские чтения» (г. Якутск, 2009); двенадцатой, тринадцатой, пятнадцатой, шестнадцатой Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006, Ростов-на-Дону - Таганрог, 2007, Екатеринбург - Кемерово, 2009, Волгоград, 2010); Международных конференциях по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2006, 2009); Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации» (г. Якутск, 2008, 2009); Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (г. Томск, 2008); V(XXXVII) Международной научно - практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» (Кемерово, 2010); Международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2010); семинарах отдела материаловедения ИФТПС СО РАН.
Публикации. Результаты диссертационного исследования изложены в 51 научной работе, основные 33 из которых приведены в списке автореферата; в том числе 1 монография, 13 статей в рецензируемых журналах ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы. Список использованной литературы содержит 132 наименования. Полный объем диссертации составляет 114 страниц, включая 24 рисунка.
