Экспериментальная оценка активационных параметров повреждаемости и разрушения деформируемых поверхностей

В статье рассматривается отражение процессов термомеханического разрушения поверхностей трения [1,2,3] в физических и расчетных моделях изнашивания. Разрушение материалов протекает при термоактивируемом процессе атомно-молекулярных перегруппировок, вызываемых деформацией, флуктуациями тепловой энергии в поле действующих напряжений.

Энергия активации деформации (разрушения) в моделях представляется экспоненциальной функцией, предложенной С.Н. Журковым [4], характери- зующей долговечность твердого тела под нагрузкой

.        U0 -ус t ^т exp 0

0       kT

где :t – время до разрушения образца, с;

=10 12...10 13 с. - период колебаний атомов твер- дого тела; U0 = U ( с , T ) – энергия межатомной связи, Дж; ст - действующее напряжение, Н/м2; γ – структурный параметр; T- термодинамическая температура, 0K;   k=1.38 10-23 Дж/0K - постоянная

Больцмана.

Энергия активации в выражении (1)

Ua деф=U0 -ус ,             (2)

т.е U _a.д_еф = U ( с , Т , у )- является функцией напряжения с , температуры - Т и структурного состояния деформированного материала – γ, характеризуемого параметрами накопленных повреждений ^ Q:, или U a.деф =U ( С , Т , 4i ).

Громаковский Дмитрий Григорьевич, доктор технических наук, профессор, диреткор НТЦ «Надёжность»,

Ковшов Анатолий Гаврилович, кандидат технических наук, доцент каф. «Нанотехнологии в машиностроении», Карпухин Михаил Васильевич, аспирант,

Шигин Сергей Владимирович, вед. инженер НТЦ «Надёжность»

Экспериментальные исследования температурновременной зависимости микропроцессов разрушения, усталости и ползучести твердых тел различной природы [5] позволили установить характер зависимости энергии активации деформации от напряжений и температуры, оценить значения параметров U и т материалов. Однако связи параметра γ с структурным состоянием изучены недостаточно.

Методика экспериментальной оценки деформационных характеристик поверхностей

Энергия активации деформации Ua деф= U определяется при с =0, а U_{a де}ф =0-при максимальных действующих напряжениях, входящих в уравне-ние_(1)

С ростом температуры напряжение с снижается, а при Т =0⁰K максимальное напряжение принимает значение

°™_Х = ^У0 /Г, а Y = U_o /а_твх . (4)

Оптимальные условия для экспериментальной оценки U 0 , обеспечивающие пренебрежимо малый рост температуры при максимальном напряжении в материале ^тад; ^ ^р. , где ^р – микротвердость, реализуются в процессе склерометрирования (царапания) поверхностей индентором Виккерса, тогда

Y = ^о /йц. (5)

В проведенном исследовании методом склерометрии [6] оценивали удельную энергию деформации U деф [Дж/мм³] поверхностных слоев образцов (рис.1) из распространенных конструкционных материалов при различных видах и режимах механической и термической обработки, а также её изменение (накопленные значения) в процессе длительной наработки на износ.

Склерометрическую оценку повреждаемости проводили на образцах из следующих материалов: Сталь 40Х по ГОСТ 2590-88 , Сталь 30ХГСА по ГОСТ 2590-88, Сталь 45 по ГОСТ1050-88, Титановый сплав ВТ9 по ГОСТ 19807-74, Бронза БрБ2 по ГОСТ 1789—70 с серебряным покрытием толщиной 30мкм и с нанесенным регулярным (ромбическим) рельефом по серебряному покрытию, Бронза БрАЖ 9-4 по ГОСТ 18175-78. Каждая группа однотипных образцов изготавливалась из круглого проката одной партии.

б

Рис.1. Образцы для испытаний: а- цилиндрической формы; б- плоские образцы из бронзы БрБ-2, 1,2,3-места измерения накопленной повреждаемости.

температуре Т.Датчик для измерения F τ располагали на штоке индентора.

Удельную энергию пластической деформации

U деф рассчитывали по формуле

U уд = А деф /V деф , Дж/мм³ ,

где А деф =F τ∙ ∙L, работа деформации, Дж; V деф =S∙L-объем деформированного материала, мм³, S=0,07D² - площадь, мм², поперечного (треугольного сечения) борозды, образованной четырехгранной пирамидой Виккерса с углом между ребрами α=148⁰ при глубине внедрения h=0,14D, D- среднее значение диагонали отпечатка, мм.

Для обеспечения статистической достоверности при каждом испытании наносили порядка 15 цара-пин.С учетом геометрии алмазного индентора энергию активации деформации U а деф можно оценить из выражения

^адеф у " ^m ^ ^а ^т, Дж/моль (7) * де ф где – молярный объем, мм3 /моль.

Результаты экспериментальной оценки деформационных характеристик

Результаты оценки удельной энергии деформации поверхностей U деф при различных видах механической обработки разнородных материалов приведены на рис. 2,3,4. Склерометрирование проводилось при глубине внедрения индентора h=3 мкм.

Вид обработки

Рис.2. Повреждаемость поверхностей U _де ф стали 40Х при различных видах обработки: 1 - притирка; 2-шлифование тонкое; 3-точение.

Перед склерометрированием образцы испытывали (см. рис.1б)на износ и фиксировали получаемые характеристики с учетом времени наработки. Дополнительно измеряли шероховатость испытываемых поверхностей (профилометр-профилограф ВИ-201 завода «Калибр») и микротвердость по ГОСТ 9450 микротвердомером ПМТ-3.

Процедура испытаний на склерометре включала внедрение алмазного индентора Виккерса в исследуемую поверхность на заданную глубину h, контролируемую на мониторе компьютера; фиксацию индентора на этой глубине; образование царапины на поверхности путем перемещения столика склерометра с закрепленным образцом на величину перемещения L; измерение длины царапины L, с помощью индикатора часового типа, и деформирующего тангенциального усилия F _τ при фиксированной

Рис.3. Повреждаемость поверхностей при различных видах обработки титанового сплава ВТ-9: 1-притирка после шлифования, 2 - притирка после точения, 3-шлифование тонкое,4- шлиф-ование грубое.

Установленные изменения удельной энергии деформации в зависимости от природы материала и вида обработки для стали 40Х от 14,9 до 19 Дж/мм3, титанового сплава ВТ9 в пределах 25…40 Дж/мм3, бронзы БрАЖ9-4 при шлифовании и при-

тирке отличаются незначительно на уровне примерно 21,4-21,5 Дж/мм3.

Влияние вида термообработки стали 45 на величину энергии деформации иллюстрируется рис.5.

Режимы термообработки – нагрев образцов до температуры 850 ºС, выдержка при этой температуре 0,5 часа, затем по номерам образцов: 1 – отжиг-охлаждение с печью; 2 – нормализация-охлаждение на воздухе; 3 – улучшение-закалка в воде, отпуск с температуры 300 ºС при охлаждении с печью; 4 – закалка-охлаждение в воде с температуры 850 ºС.

Рис.4. Повреждаемость поверхностей U деф бронзы БрАЖ9-4 при: 1-притирке после шлифования, 2- тонком шлифовании.

Рис.5. Влияние видов термообработки стали 45 на Uдеф: 1 - отжиг, 2 - нормализация, 3 - улучшение; 4-закалка, притирка на плите с пастой (Ra=0,2 мкм).

Для деталей, к которым предъявляются высокие требования по точности, надёжности и производительности, производится оптимизация режимов обработки по параметрам повреждаемости. Результаты выбора оптимального режима шлифования конструкционной стали 30ХГСА приведены на рис. 6 и в табл.

Рис.6. Зависимость удельной энергии деформации U деф от режимов шлифования образцов из стали 30ХГСА.

Минимизация уровня энергии деформации при обработке обеспечивает запас пластичности материала, увеличивает период накопления повреждений до наступления предельного состояния материала деталей пар трения. При испытаниях на износ образцов из бронзы БрБ-2 с различными указанными выше методами обработки поверхностей получена дополнительная информация приведенная на рис.7.

Рис. 7. Изменение величины удельной энергии деформации поверхности от времени наработки при трении:1- бронза БрБ2 с серебрянымпокрытием 30 мкм, контробразец - сталь долотная 17Н3МА, частота вращения шпинделя 200 мин^-1, смазка JBL-713,нормальная нагрузка 2МПа; 2 - бронза БрБ2 с серебрянымпокрытием 30 мкм и регулярным рельефом, контробразец сталь долотная 17Н3МА, частота вращения шпинделя 200 мин^-1, смазка

JBL-713,нормальная нагрузка 2 МПа.

Выводы

Предложенная методика и комплекс для выполнения склерометрических испытаний позволяют проводить оценку значений деформационных характеристик:  удельной энергии деформации - Uдеф, характеризующей энергозатраты на единицу объема материала, как аналога пластичности; накопленной энергии повреждений, характеризующей изменение пластичности - Uдеф при обработке и изнашивании при трении. Отмечены циклические изменения величины удельной энергии деформации по времени изнашивания в диапазоне 10…27 Дж/мм3, характеризующие кинетику взаимосвязанных процессов накопления повреждений при износе поверхностей, деформируемых трением.

Таблица. Режимы шлифования

№ режима	Скорость круга, м/с	Подача стола, м/мин	Подача суппорта, мм/ход	Шероховатость Ra, мкм	Величина удаляемого припуска, мм	Марка Шлифовального круга
1	40	15	2	0,27	0,03	24А16СМК
2	35	20	3	0,706	0,15	24А25СМК
3	40	25	10	0,397	0,1	24А16СМ1В
4	30	8	3	0,526	0,15	24А16СМ1В