Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ПРОБЛЕМАМ
ТЕОРИИ ИЗНАШИВАНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗНАШИВАНИЯ
И ОЦЕНКИ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ 11
1.1. Контактное взаимодействие поверхностей твердых тел при
трении 11
Изнашивание материалов при трении 16
Условие разрушения материала поверхностного слоя при усталости и оценка прочности 19
Общие сведения о проблеме моделирования изнашивания ... 21
Обзор подходов к моделированию изнашивания 22
Феноменологический подход 23
Физический подход 26
Металлофизический подход 28
Термодинамический подход 29
Кинетический подход 31
Синергетический подход 37
1.6. Обзор методов оценки активационных параметров
разрушения конструкционных материалов 37
Экспериментальные методы 39
Аналитические методы 44
Оценка энергии активации для смазочных материалов 45
Заключение 48
1.9. Цель работы и постановка задач исследования 50
ГЛАВА 2. КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ
ЕЕ ПАРАМЕТРОВ 51
Структура расчетной модели усталостного изнашивания 56
Идентификация параметров структурной схемы в известных
расчетных моделях изнашивания 60
2.2.1. Модель В.Д.Кузнецова 61
Модель Д. Арчарда 61
Модель И.В. Крагельского 62
Модель А.Г.Ковшова 64
МодельД.Г.Громаковского 64
Связь расчетных моделей изнашивания и оценка параметров 65
Кинетика усталостного изнашивания 69
Совершенствование расчетной модели изнашивания
кинетического типа 76
2.5.1. Упрощенная расчетная модель изнашивания 81
Условие разрушения и расчет долговечности материала поверхностного слоя 84
Оценка критического числа циклов нагружения поверхности ... 88
Идентификация параметров расчетной модели изнашивания.. 91
Заключение 95
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ОЦЕНКИ
АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 97
Постановка задачи 99
Анализ различных методов оценки активационных характеристик разрушения материалов 104
Выбор метода механической активации материала
поверхностного слоя 108
3.3.1. Выбор прибора для реализации метода склерометрии .. 111
3.4. Расчет энергии активации разрушения материалов 113
Способы измерения ширины борозды 115
Оценка коэффициента трения 121
Оценка молярного объема 122
Выбор оптимального числа проходов индентора 123
Выбор оптимальной нагрузки на индентор 124
Оценка структурно-чувствительного коэффициента 128
Описание методики оценки активационных параметров 130
Подготовка образцов 130
Выбор оптимальных режимов исследования 132
Выполнение царапин и расчет параметров 132
3.7. Оценка эффективности методики 133
%
3.8. Статистический анализ экспериментальных результатов 134
Связь значений U0 в микро- и макросистемах 138
Заключение 139
ГЛАВА 4. ИСЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 141
Постановка задачи и обоснование метода исследования 141
Влияние внутренних факторов 143
Влияние внешних факторов 148
Комплексное влияние различных факторов 151
Разработка методики оценки энергии активации деструкции смазочных материалов 155
4.6. Заключение 158
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 165
ПРИЛОЖЕНИЕ А 174
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 176
Введение к работе
Важной задачей современного машиностроения является повышение технического уровня выпускаемых изделий. Ее решение во многом связано с увеличением ресурса деталей и узлов машин, работающих в условиях трения, что в свою очередь можно осуществить благодаря совершенствованию теории изнашивания, методов прогнозирования износа и способов контроля качества используемых конструкционных и смазочных материалов.
Известно, что эмпирическая оценка скорости изнашивания материалов связана с длительными и дорогостоящими испытаниями. Поэтому, в целях сокращения затрат, на этапе проектирования узлов трения целесообразно использовать методы прогнозирования износа. Однако, большинство существующих расчетных моделей изнашивания, предложенных Д.Арчардом, М.М.Хрущевым, И.В.Крагельским, А.С.Прониковым и др. [58,59,88,93,97-99], также требуют эмпирических исследований, хоть и в меньшей степени.
Современная практика показывает, что модели изнашивания, в которых не заложена теоретическая база, основанная на фундаментальных законах термодинамики, механики деформируемого твердого тела, теории вероятности и др. наук, учитывают весьма ограниченное число факторов и часто не пригодны для инженерных расчетов [75]. Такие модели, безусловно, выполнили полезную функцию на ранних этапах развития трибологии, так как в них закрепились основные эмпирические законы изнашивания [99]. Однако, по мере накопления знаний об изнашивании, о реальных физических явлениях, происходящих в материале поверхностного слоя, становилось ясно, что этот процесс, имеющий диссипативную природу, должен рассматриваться на нескольких масштабных уровнях [33]. Этим обстоятельством можно объяснить известные неудачи [75] установления связи между износостойкостью и константами, характеризующими объемные свойства материалов (предел прочности, модуль упругости, твердость), не отражающих специфику состояния поверхностного слоя.
Новое направление в трибологии связано с использованием для представления процесса изнашивания термофлуктуационной концепции прочности материалов [101]. Однако практическое использование кинетических моделей затруднено из-за отсутствия методов оценки активационных характеристик разрушения материала поверхностного слоя: энергии активации разрушения - U0 и структурно-чувствительного коэффициента - у. Известно, что классические методы оценки этих параметров [31,50,78,82,89], основанные на экспериментальном исследовании длительной прочности материалов при одноосном растяжении энергоемки, длительны, дают большой разброс данных, а получаемые параметры отражают только свойства материала в объеме образцов. Таким образом, отсутствие методов и средств оценки активационных параметров разрушения материала поверхностного слоя не позволяет отразить в расчетных моделях изнашивания кинетического типа его фактическое, модифицированное состояние.
Современные представления о разрушении твердых тел опираются на синерге-тическую теорию [44,45], согласно которой энергию активации разрушения U0 можно рассматривать как практическую характеристику прочности материалов. Этот подход представляется особенно уместным в трибологии, синтезирующей в себе представления ряда наук о разрушении материалов. Однако, из-за указанных проблем, такой подход к анализу прочности поверхностного слоя еще не применялся. Между тем, при оценке износостойкости, эффективности ресурсоповышающих технологий обработки поверхностей, исследовании качества покрытий и определении их долговечности в поле действующих нагрузок и температур, эта характеристика может быть более объективной по сравнению с такими показателями как твердость, микротвердость, модуль упругости, относительный наклеп и т.д.
Изучение активационных характеристик в различных состояниях модификации материала поверхностного слоя позволит на новом уровне учитывать влияние внешних факторов на прочность исследуемых материалов и продвинуть решение проблемы целенаправленного, теоретически обоснованного управления свойствами поверхностного слоя с целью обеспечения его ресурсных показателей и эксплуатационных характеристик. Отмеченные положения указывают на актуальность задачи разработки методов оценки активационных характеристик, учитывающих физико-химическую и структурную модификацию материала поверхностного слоя, возникающую в процессе трения. Своевременность выбранной темы диссертационной работы обосновывается ее соответствием приоритетным направлениям развития
трибологии [75], среди которых отмечена задача системного анализа и моделирования трения, изнашивания и смазочного действия, а также разработка научных основ трибометрии и ускоренных методов испытаний.
Диссертационная работа посвящена изучению и совершенствованию моделей изнашивания трущихся поверхностей, а также разработке методов экспериментальной оценки и исследования кинетических характеристик материала поверхностного слоя, модифицированного трением.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 167 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 39 рисунков и 2 приложения. Список использованной литературы включает 112 наименований.
В первой главе приводится обзор отечественных и зарубежных литературных источников по проблемам существующих моделей изнашивания и методов оценки активационных параметров разрушения материалов. Отмечен существенный вклад в решение данных проблем отечественных и зарубежных ученых, основоположников теорий разрушения и изнашивания материалов: Ф.П.Боудена, Д.Тейбора, Д.Арчарда, В.Д.Кузнецова, И.В.Крагельского, М.М.Хрущева, И.А.Одинга, С.Н.Журко-ва, В.В.Федорова, В.Р.Регеля и др. [14,40,41,61,62,78,85,88,93,94].
