Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование влияния физико-механических свойств абразивного материала на режущую способность и стойкость инструмента для силового шлифования 9
1.1.0 связи физико-механических свойств абразивного зерна с режущей способностью и стойкостью абразивного круга 9
1.2. Взаимосвязь геометрических и физико-механических характеристик абразивного зерна 12
1.3. Прочность абразивных зерен в зависимости от прочности конструкции и материала зерна 1.3.1. Прочность абразивного зерна-монокристалла 17
1.3.2. Прочностные свойства конструкции зерна
1.4. Способы повышения прочности абразивного зерна 32
1.5. Цель и задачи исследования 34
2. Решение проблемы недостаточной прочности абразивного зерна для силового шлифования 36
2.1. Феноменологическая модель прочности абразивного зерна в связи с режимами работы. 36
2.2. Обоснование исследований прочности абразивного зерна 42
2.3. Методики исследования и упрочнения абразивного материала 47
2.3.1. Выбор установки для проведения испытаний на разрушение абразивных зерен 47
2.3.2. Разработка методики проведения испытания разрушения зерна 51
2.3.3. Статистическая обработка результатов
испытаний, выводы 54
2.3.4. Некоторые аспекты упрочнения абразивного зерна з
2.3.5. Разработка установки для упрочения абразивного материала 72
3. Исследование свойств упрочненного абразивного материала 86
3.1. Исследование прочности упрочнения абразивного материала 86
3.1.1. Исследование изменения насыпного веса абразивного материала при упрочнении 92
3.1.2. Микроскопический анализ 93
3.2. Исследование степени кристалличности зерна карбида кремния 95
3.3. Проверка эффективности работы упрочненного шлифовального материала 99
3.4. Производственные испытания абразивного инструмента из упрочненного карбида кремния 108
4. Практическая реализация результатов работы 110
5. Общие выводы 111
Литература
- Взаимосвязь геометрических и физико-механических характеристик абразивного зерна
- Прочностные свойства конструкции зерна
- Методики исследования и упрочнения абразивного материала
- Исследование степени кристалличности зерна карбида кремния
Взаимосвязь геометрических и физико-механических характеристик абразивного зерна
Полухрупкие керамики могут пластически деформироваться, однако сдвиг в них происходит в ограниченном числе систем скольжения. Это ведет к затруднениям аккомодации, влияние которых сказывается на всех стадиях процесса разрушения. Трещины могут зарождаться на поверхностных дефектах, а в кристаллах, не содержащих столь грубых дефектов,— в результат затруднений аккомодации, вызванных взаимодействием полос скольжения со структурными дефектами, такими, как другие полосы скольжения, границы излома, границы зерен. Подрастание трещин в полухрупких керамиках до критических размеров также связано с ограниченными возможностями скольжения. Эта же ограниченность определяет малую поверхностную энергию разрушения [25], [26].
Пластичные керамики характеризуются возможностью неограниченного скольжения, которая обеспечивает полную аккомодацию пластически деформированных областей и структурных дефектов. Вследствие этого деформация идет вплоть до вязкого разрушения.
Абсолютно хрупкие керамики при высоких температурах обычно становятся полухрупкими. В поликристаллических керамиках трудности аккомодации на межзеренных границах приводят к межзеренному проскальзыванию и разрушению по границам. Полухрупкие керамики с ростом температуры становятся пластичными благодаря смягчению аккомодационных трудностей. Скольжение по множественным системам, полигонизация, миграция границ зерен, рекристаллизация — все эти процессы вносят свой вклад в общую пластичность и вязкость поликристаллических керамик [27],[28].
В настоящее время хорошо известно, что относительная хрупкость различных керамических материалов тесно связана с фундаментальными законами поведения дислокации в твердом теле, с взаимодействием дислокации и трещин [29],[30].
С точки зрения исследователей [27],[29], разрушения удобнее всего разделить все керамические материалы на три группы. В зависимости от характера поведения дислокации в них керамики могут быть абсолютно хрупкими, полухрупкими и пластичными табл. 1.4.
Пластичный « есть AgCl,, AgBr CaF2, LiF, NaCl, CsCl Абсолютно хрупкая керамика - такой материал, который не обнаруживает никакой пластической деформации при комнатной температуре даже при очень высоких напряжениях. К категории полухрупких относятся материалы, которые хотя и обнаруживают пластическую деформацию, остаются, тем не менее, чрезвычайно чувствительными к надрезу. Пластичные керамики характеризуются остаточной деформацией и не обнаруживают чувствительности к надрезу. Автор [30] указывает на то, что любая система классификации, подобная приведенной, не является абсолютной, и вполне возможно указать такие материалы, которые занимают промежуточное между двумя категориями положение, а также найти в одной категории материалы, более хрупкие, чем другие, принадлежащие к той же самой категории.
Из таблицы 1.4 видно, исследуемый нами карбид кремния относится к классу абсолютно хрупких керамик, а потому в дальнейшем, ввиду ограниченности объема и темы работы, будем говорить лишь об абсолютно хрупких материалах.
Прежде всего, необходимо выяснить, чем обусловлена прочность керамического материала.
Прочность бездефектного тела при растяжении связана с силами сцепления между атомами [31],[32]. В ненагруженном теле расстояния, а между каждой парой атомов соответствуют некоторой равновесной конфигурации атомов, которая определяется соотношением между силами межатомного притяжения и отталкивания. Силы отталкивания возникают вследствие принципа исключения и взаимодействия между внешними электронами соседних атомов. Силы притяжения возникают в результате различного рода электронных взаимодействий, которые могут иметь место между атомами или ионами и которые обычно различаются как «типы связи». В керамических материалах наиболее прочной связью является ионная связь, которая возникает в результате кулоновского взаимодействия между разноименно заряженными ионами. Интегрирование функции, определяющей зависимость усилия от переме щения, характерной для данного твердого тела, от равновесного положения до бесконечности дает энергию связи. Величины этой энергии изменяются с изменением типа связи, как это указывается в табл. 1.5.
Типичная кривая зависимости усилия от смещения атомов из их равновесного положения показана на рис. 1.2.
Суммирование сил взаимодействия, приходящихся на единицу площади, дает напряжение взаимодействия. «Теоретическая прочность» есть максимальное напряжение, необходимое для разделения атомов, или величина Jm на кривой напряжение — перемещение.
Заметим, что силы притяжения исчезают совсем лишь на бесконечном удалении атомов. Однако реальная кривая взаимодействия аппроксимируется синусоидой (также изображенной схематически на рис. 1.2), и, таким образом, дальнодействующими силами пренебрегают. С этой кривой связано несколько важных свойств: 1) точка, в которой кривая пересекает ось абсцисс, соответствует равновесному положению атома; 2) тангенс угла наклона в этой точке равен модулю Юнга; 3) в точке с координатой х = А/2 сила взаимодействия, согласно синусоидальной аппроксимации, снова обращается в нуль; по существу длина Я/2 выбрана таким образом, чтобы подогнать начальный наклон кривой и максимум на ней к реальным величинам; 4) максимальное напряжение равно теоретической прочности; 5) площадь под кривой есть энергия разрушения.
Большинство теорий прочности хрупких материалов сходятся на том, что величина Е/20 (где Е - модуль Юнга) служит хорошей нижней оценкой теоретической прочности.
Керамики из всех материалов обладают наибольшей потенциальной прочностью. Причина этого заключается в том, что в таких соединениях, как карбиды, нитриды и бориды, атомы неметаллов имеют очень маленькие размеры, поэтому межионное расстояние оказывается меньше, чем в других материалах. К тому же силы связи в этих материалах типично короткодействующие, а модуль Юнга высок. Для материалов с ковалентной связью важна также валентность, поскольку она определяет прочность химической связи и, следовательно, поверхностную энергию. В общем можно сказать, что керамические соединения представляющие собой комбинации малых легких ионов с переходными металлами высокоэффективной валентности, образуют материалы с наивысшей прочностью решетки [33],[34].
Прочностные свойства конструкции зерна
Эксплуатационные показатели абразивного инструмента при силовом шлифовании, в первую очередь определяются соотношением прочности зерна и режимами шлифования. Исследования, посвященные вопросу прочности абразивных зерен, рассмотрены во многих работах [20],[21],[62],[63],[64][65]. Однако, большинство исследований, носит эмпирический характер. Практически отсутствуют работы, касающиеся оценки прочности абразивного зерна с точки зрения реальной структуры и физико-механики материалов, учитывающей нестабильность их свойств. Имеющаяся информация по этому вопросу зачастую противоречива из-за отсутствия единого методологического подхода к изучению вопроса прочности зерна в связи с реальными условиями его эксплуатации в абразивном инструменте. Выявив причины вариации прочности абразивного зерна в зависимости от режимов работы инструмента, можно наметить пути повышения эффективности силового шлифования за счет рационального выбора абразивного материала.
Получить представление о влиянии режимов шлифования на эксплуатационные характеристики инструмента в настоящее время невозможно без привлечения положений физико-химической механики материалов [66],[67], с позиции которой прочность любого материала в общем виде, зависит от двух основных групп факторов: где Фі - группа факторов, характеризующих реальную дефектную структуру материала; Ф2 - группа факторов, учитывающих внешние механо-химических воздействия. Для исследования зависимости прочности от первой группы факторов, характеризующих реальную структуру материала. Зерно апроксимировали сферой, закрепленной в связке на глубину h d/2, где d - диаметр зерна. Положим, что при силовом шлифовании абразивное зерно внедряется в обрабатываемую поверхность на величину а d/2. В результате такого взаимодействия в зерне возникают напряжения, (рис. 2.1), которые определяются динамикой процесса силового шлифования [68],[69],[70].
В общем виде напряжение, возникающее в абразивном зерне, представляющее собой монокристалл, при действии радиальной нагрузки определяется по следующей зависимости [31]: a0=j3{Eyflc)x \ где (3 - коэффициент, зависящий от рода материала; yf- поверхностная энергия разрушения; с - длина трещины. Если зерно представляет собой поликристалл, то напряжение, возникающее в зерне, может изменяться на величину Ои, определяемую по формуле [32]: где Sx - безразмерный параметр, определяемый пористостью и кристал-личносьтю, пример такой зависимости представлен на рис.2.1; d - диаметр зерна, м. 800 600 400 200 0 0 2 4 6 кристалличность Рис. 2.1. Зависимость безразмерного параметра S от степени кристалличности Однако, иногда разрушающее напряжение монокристалла может быть ниже, чем у поликристалла, что возможно из-за различной поверхности разрушения [71]: A = K-(si-So), (2.2) где А - работа упругих деформаций, Дж; S o - поверхность зерна до разрушения, м2; S i - поверхность зерна после разрушения, м2; К - представляет собой работу образования единицы поверхности. При одинаковых S o, S i может различаться: а - монокристалл; б - поликристалл с дефектом.
Следует отметить, что вследствие дефектности структуры зерна, величина оо является статистической, что может приводить к некоторым отклонениям прочности от от значений, предсказываемых по формуле 1.2. В реальном абразивном инструменте распределение нагрузки на зерна можно описать функцией Вейбулла [72],[73]: F(cr) = 1 - ехр -V (а- . v ао ) (2.3) где F(G) - вероятность разрушения зерна с прочностью в интервале от Gu ДО G; V - безразмерная величина, связанная с объемом нагружаемого образца; Gu- пороговое напряжение, МПа; (То, m -параметры распределения. Дифференцируя (2.3) дважды и проведя преобразования, определим прочность зерна: crl= Tu+crQ[(m-l)/mYmVVm. (2.4)
В формуле (2.4) второе слагаемое представляет собой исходную прочность материала зерна с учетом ее колебаний, определяемых микродефектами (дислокациями атомов, поверхностных дефектов, двойников и т.п.); второе слагаемое учитывает макродефекты (поры, кристалличность).
Исходя из вышесказанного и с учетом выражений для Gu И СТО (1.3), (1.2), соответственно, получим: ах = P{Eyflc) [{т-\)1т]Уу1//т ±Sxd 2 (2.5) Из выражения (2.5) следует, что GI - возрастает с увеличением параметра m , характеризующего однородность материала; GI также возрастает с уменьшением размера зерна, т. к. меньшему размеру зерна соответствует меньшее количество дефектов. Выше было показано, что дефект в виде поры или сростка кристаллов может как увеличивать, так и уменьшать прочность зерна, что в формуле 2.5 учитывается знаком « +_». Таким образом, исходная прочность абразивного зерна определяется его реальной структурой и, в частности, размером зерна, что было показано выше. Рассмотрим вторую группу факторов - режимы шлифования.
Методики исследования и упрочнения абразивного материала
Надо отметить, что самописец имел различную настраиваемую чувствительность, поэтому для меньшего зерна длина отрезка хо увеличивалась.
Кроме того, были проведен ряд опытов по определению влияния материала пластин, между которыми происходило разрушение зерен, на параметры разрушеня. Так изначально существовала гипотеза о том, что более мягкий материал пластин способен сгладить погрешность опыта, обусловленную острыми гранями зерна. Опыты проводились с использованием пластин из меди, алюминия и стали. На медных и алюминиевых пластинах происходило полное вдавливание зерна, на стальных - частичное, особенно для твердых материалов (SiC), поэтому данная гипотеза была отвергнута. Хотя при подборе определенного материала пластин для данного абразивного материала, она могла бы представлять практический интерес и значительно сглаживать погрешности опыта. Но при работе с различными материалами разной твердости данная гипотеза является несостоятельной, поэтому для дальнейших исследований были выбраны пластины из твердого сплава - Т5К6.
Далее были проведены опыты по определению влияния размера зерна на разброс прочности. Для этого, непосредственно перед каждым разрушением, когда зерно находилось на пластине, с помощью индикатора осуществлялся замер зерна и данный параметр использовался в формуле (1.1). При статистической обработке результатов замеров, оказалось, что зерна оставшиеся на сите, использующееся для определения среднего размера зерен, на самом деле имеют меньший размер примерно на 10 - 20 %. Так, зерно, оставшееся на сите размером ячейки «в свете» - 1 мм, на самом деле имеет средний размер 0,82мм; а зерно, оставшееся на сите размером ячейки «в свете» - 0,4 мм, имеет средний размер 0,342мм.
Для выяснения данного обстоятельства, а также для решения вопроса о влиянии габитуса на разброс прочности, было проведено исследование абразивных зерен на компараторе. Зерно измерялось в двух плоскостях. При обработке результатов оказалось, что зерно в среднем имеет неправильную форме-форму вытянутого эллипсоида с габитусом (отношение большей оси к меньшей) равным 1,2; т. е. большая ось в среднем на 20% больше меньшей. Следовательно, при постановке зерна на пластину, оно, как правило, располагалось вдоль большей оси. Этим и объясняется отклонение истинного размера зерна от размера ячейки контрольного сита.
На компараторе так же были измерены зерна материала различной зернистости. Оказалось, что расхождение габитуса для разных номеров абразивных зерен не превышает 3%. Это означает, что влиянием габитуса различных номеров и материалов на разброс прочности можно пренебречь.
Для выяснения влияния размеров зерна в пределах узкой фракции на разброс прочности материала, перед каждым испытанием, как говорилось выше, происходил замер зерна. Результаты обработки данных для песка зернистости 40 и 100 при подстановке размера каждого зерна в формулу (1.І) и при подстановке среднего размера (по результатам замеров), представлены на рис 2.9.
Из графика видно, что при подстановке в формулу истинного размера зерна, разброс прочности значительно увеличивается. Это связано с тем, что распределения дефектов носит непредсказуемый характер, поэтому зерна одного размера могут обладать различным значением прочности, что увеличивает ее разброс. 0,012 200 400 600 800 напряжение, МПа Рис. 2.9. Влияние размера зерна на разброс прочности: - песок № 160 со средним размером; А - песк №100 с замером каждого зерна; - песок №40 со средним размером; 0 - песк №40 с замером каждого зерна. Однако в пределах узкой фракции размер зерна не оказывает значительное влияние на эксплуатационные показатели абразивного инструмента, а при исследовании прочности, методика измерения значительно усложняется, увеличивается время и стоимость испытания. При этом размер зерна не несет ни какой информативности, а лишь увеличивает разброс прочности. Поэтому было принято решеїше - при расчете сгсж принять размер испытуемого зерна равным -18-20% от размера ячейки сита.
То, что представляется желательным, применительно к хрупким материалам, - это возможность указывать вероятность выхода изделия из строя при любом заданном уровне нагружения. Если величина разрушающего напряжения характеризуется некоторым распределением; тогда описанием вероятностного поведения материала служит крішая распределения, которая дает вероятность разрушения на каждом уровне напряжений. Чаще всего используется статистическая теория Вейбулла [Ї03],[104],[І05],[106]. Основное допущение теории состоит в том, что материал разрушается, когда усилие на критическом дефекте становится достаточно большим для того, чтобы вызвать распространение трещины. Поначалу Вейбулл предложил, что вероятность разрушения при напряжении распределена по нормальному закону, однако эта гипотеза не описывала экеиериментальных данных, поэтому следующим шагом Вейбулла был нелу-эмиирический подход, В новом варианте фигурировали два параметра- характеризующие материал, а именно константа т, связанная с плотностью дефектов, и уровень напряжений, при котором вероятность разрушения равна нулю (пороговое напряжение Ои). Вейбулл предположил, что дефекты, вызывающие снижение прочности керамик, имеют некоторое случайное распределение по размерам, а также что они случайно распределены в пространстве; эти дефекты являются, по-видимому, причиной разброса значений прочности. Вероятность разрушения S есть S = r-expt-.g) (2. И) где В при одноосном нагружении: B = V{cr-aJ4dZ (2.12) Здесь Гесть безразмерная величина, связанная с объемом нагружаемого образца, т - экспериментально определяемая константа. Значение вероятности разрушения S для заданного уровня напряжения а определяется по формуле S = —— (2-13) N +1 где N- полное число испытанных образцов (N=100), п - номер образца в серии от 1 до N, разрушившегося при указанном напряжении. Теоретическое и эмпирическое распределение вероятностей для песка зернистости №40 показаны на рис. 2.10., см также П. І.
Здесь уместно перечислить некоторые из наиболее важных особенностей вейбулловой функции распределения:
1. Распределение дефектов отражается вейбулловым распределением через дисперсию прочности. Малые величины m соответствуют материалам, содержащим дефекты, опасность которых изменяется в широких пределах; большие m указывают на материалы с узким распределением дефектов аналогичной геометрии.
2. Пороговое напряжение cm представляет собой напряжение, ниже которого вероятность разрушения материала равна нулю.
Исследование степени кристалличности зерна карбида кремния
Для песка такая зависимость не наблюдается, что подтверждает его статус идеального материала, т. е. материала, имеющего практически монокристальное строение (сростки кристаллов) без дефектов, как внутренних, так и внешних. Не большие значение knm говорят о малой возможности упрочнения песка. Хотелось бы отметить, что отношение коэффициентов реального и гипотетического - есть ни что иное, как КПД процесса. 5. Показатели дефектности для карбида кремния при упрочнении увеличивается экспоненциально, причем тем в большей степени, чем больше зернистость материала.
Для песка увеличение значений показателя m не происходит, поэтому говорить о его зависимости от процесса упрочнения не имеет смысла. Уменьшение значений показателя m при упрочнении объясняется привнесением дополнительных дефектов в структуру и поверхность зерен песка, что еще раз подтверждает наше предположение о невозможности упрочнения песка.
Таким образом можно утверждать, что абразивный материал , прошедший технологический процесс упрочнения действительно упрочняется, так средняя прочность повышается на 30-50%, разброс прочности также снижается на 30-50% и стремится к значениям разброса прочности песка.
При повторной обработке абразивного материала среднее напряжение еще более увеличивается, а разброс - сужается; кривая распределения стремится к гипотетической. 3.1.1. Исследование изменения насыпного веса абразивного материала при упрочнении
Многие исследователи отмечают изменение насыпного веса материала при изменении его физико-механических свойств [125], [126]. Это связано, прежде всего, с изменением его формы. Нами тоже были выполнены такие исследования для упрочненного и не упрочненного материала. Определение насыпного веса проводилось на приборе ПНВ - 1 . Результаты исследования приведены в таблице 3.5.
Из таблицы хорошо видна тенденция увеличения насыпного веса упрочненного абразивного материала. Это связано с разрушением в процессе упрочнения рыхлых агрегатов, мечевидных зерен и не изометричных, а так же зерен имеющих дефекты такие, как поры и выбоины и т.п. Такие изменения, происходящие с зерном при упрочнении, хорошо выявляются микроскопическим способом. Результаты исследования представлены на фотографиях (рис.3.3.).
Изменение насыпного веса песка, в зависимости от упрочнения происходит в сторону снижения, что говорит об отсутствии пор, рыхлых образований исходного материала и о внесении дополнительных дефектов, в частности снижение изометричности формы зерен песка при упрочнении.
Хотелось бы отметить, что насыпной вес, как характеристика материала -нестабилен в зависимости от рода материала, способа дробления, хранения и других факторов, поэтому описание прочностных характеристик материала, связывая его с насыпным весом, представляется затруднительным.
Для выяснения вопроса об изменениях формы зерна, происходящих при его упрочнении был выполнен микроскопический анализ карбида кремния черного зернистости 80 и песка зернистости 40. Результаты исследований представлены нарис. 3.3.,3.4.
Фотографирование зерен было выполнено в проходящем свете по соответствующей методике [127]. Этот тип фотографирования бал выбран для лучшего выявления дефектов формы зерен.
Анализ фотографий показал, что песок, претерпевший упрочнение имеет менее изометричную форму, чем до упрочнения. На фотографии он представлен тетрадными и кубическими зернами с острыми выступами (осколки разрушившихся зерен или отколовшиеся зерна), в то время, как практически все зерна не упрочненного песка имеют правильную изометричную форму в виде шара или эллипсоида.
При изучении фотографий карбида кремния выяснилось, что не упрочненный карбид кремния представлен большим количеством мечевидных зерен. Остальные зерна имеют неправильную форму. На фотографиях хорошо видны острые выступы и выделяющиеся части зерен.
В результате упрочнения зерна карбида кремния приобретают более изометричную форму, мечевидных зерен становится меньше, выступающие части зерен обламываются. а - до упрочнения; б - после упрочнения. В общем можно сказать, что при микроскопическом анализе упрочненного и не упрочненного песка и карбида кремния наблюдается взаимно противоположные явления - песок при упрочнении теряет изометричную форму, карбид кремния наоборот - становится более изометричным. Эти явления подтверждают предположение о влиянии дефектов формы зерна на его распределение прочности.
Для доказательства влияния дефектов строения зерен на среднюю прочность и на ее разброс, совместно с лабораторией физико-химических исследований ВолжскИСИ было проведено исследование степени кристалличности зерна карбида кремния дифрактометрическим методом.
Этот метод предназначен для определения степени кристалличности зерна карбида кремния. Под степенью кристалличности следует понимать среднее значение числа монокристаллов на одно зерно абразивного материала.
Сущность метода заключается в том, что каждый монокристалл при облучении его рентгеновскими лучами дает строго определенное число рефлексов в пространстве (определяемое симметрией кристалла), не зависящее от его размера [45],[128].
Если какая - либо частица состоит из нескольких монокристаллов, то пропорционально этому увеличится число рефлексов в пространстве.
Помещая исследуемый объект в приставку рентгеновского дифрактометра и вращая его вокруг осей, можно измерить некоторое число рефлексов пропорциональное их общему числу, а, следовательно, оценить среднее число монокристаллов на каждое зерно.
Похожие диссертации на Повышение эффективности работы абразивного инструмента для силового шлифования путем увеличения прочности абразивного материала
