СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ДЕФОРМИРОВАННОГО ТРЕНИЕМ Российский патент 2001 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к области, изучаемой физико-химической механикой контактирования материалов при трении, и может быть использовано для оценки параметров состояния поверхностных слоев твердых тел, а также в инженерных расчетах изнашивания трущихся деталей машин.

Цель изобретения - предложить и обосновать совокупность операций, обеспечивающих объективное определение энергии активации разрушения материала поверхностного слоя деталей машин с учетом его физической, химической и структурной модификации при трении.

Известны способы [1, 2] оценки энергии активации разрушения материалов по результатам испытаний на длительную прочность на основе уравнения долговечности С.Н.Журкова [1]
(1)
где U(σ) = U₀-σ•γ - энергия активации разрушения материала; U₀ - энергия активации разрушения материала при σ = 0; R - газовая постоянная; Т - температура; τ₀ - постоянная времени; τ_p - долговечность материала (время под нагрузкой до разрушения).

В известных способах-аналогах образцы материалов подвергают нагружению (растяжению, сжатию, сдвигу), определяют долговечность τ_p при ряде значений температуры и напряжения, строят зависимости lgτ_p = f(T^-1), см. фиг. 1, из которых по формуле
(2)
определяют значения U(σ) при различных нагрузках, строят зависимость U(σ) = f(σ), см. фиг. 2. Энергию активации U₀ находят путем экстраполяции величины U(σ) при σ = 0.
В авторском свидетельстве [3] с целью повышения точности оценки энергии активации материала при характерном для трения напряженном состоянии в известный способ внесен новый элемент, приближающий условия испытания к условиям трения. Повышение точности оценки достигается тем, что энергия активации определяется при напряженном состоянии испытываемых образцов, подобном напряженному состоянию поверхностного слоя материала при трении. Такое напряженное состояние достигается путем одновременного приложения к образцу сжимающей и сдвигающей нагрузки, с эквивалентным напряжением нормальная, a τ - кacaтельнaя составляющая действующих напряжений. Соотношение σ и τ определяются при экспериментальном измерении значения коэффициента трения для испытываемых образцов.

В работе [4] энергия деформации оценивается методом склерометрии. Царапину наносят индентором из стали ШХ-15, выполненным в виде конуса с углом при вершине 60^o.

Рассматриваемый способ не позволяет оценить энергию деформации, поскольку в процессе царапания происходит микрорезание материала образца.

В работе [5] для изучения деформационных характеристик поверхностных слоев бронзографитовых материалов методом склерометрии в качестве индентора используют алмазную пирамиду Виккерса. Царапание проводится со скоростью 80 мкм/с при нагрузке 1 Н, что позволяет получать царапины без микрорезания.

Недостатком метода является достаточно высокая нагрузка на индентор, при которой глубина царапания для многих материалов может превышать толщину модифицированного слоя (1-3 мкм).

Известен также способ исследования энергии активации разрушения материала методом микротвердости, описанный в книге В.Р.Регеля [6], при котором измеряют диагональ отпечатков индентора - D при разных температурах, нагрузках на индентор и временах действия нагрузки. По измеренным данным D(t) находят мгновенную скорость внедрения индентора; и соответствующее ей напряжение, строят зависимостью для каждой температуры, перестраивают в координатах при разных значениях микротвердости Hμ (фиг. 3) и путем экстраполяции при 1/T=0 находят величину Затем по формуле
(3)
получают зависимость U(Hμ) = f(Hμ) и путем экстраполяции при Hμ = 0 находят энергию активации U₀.

Главное преимущество способа [6] состоит в том, что энергия активации разрушения исследуется в тонком поверхностном слое материала, отражающем аномалию его свойств, обусловленную границей твердого тела (обрывом связей) и последствиями его обработки.

Данный способ принимается за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком способа-прототипа является невозможность оценить энергию активации материала с учетом его фактического состояния в изнашиваемых парах, а также невозможность оценить влияние анизотропии механических свойств при совместном действии нормальных и касательных напряжений, действующих на поверхности при трении.

Известно [7] , что через короткое время приработки в любой паре трения наблюдается весьма существенное отличие свойств материала поверхностного слоя глубиной порядка нескольких микрометров от состояния материала после технологической обработки.

Самые существенные изменения происходят вследствие силового и температурного воздействия трения, что приводит к деформации (наклепу), текстурированию материала, изменению его элементного состава (перенос вещества из контртела и внешней среды), химической модификации (преимущественно образование оксидов), изменению плотности, теплопроводности и др. характеристик, что ведет к существенному отличию значений энергии активации и не учтено в способе-прототипе.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя вначале производят приработку образцов в условиях эксплуатации или на соответствующих машинах трения при действии заданного рабочего режима (среды, давлений, температур и т.д.). Затем на приработанную поверхность образцов алмазным индентором (пирамидой Виккерса) наносят царапины вдоль направления текстуры, измеряют ширину царапины и силу трения, а затем рассчитывают количество вытесненного материала и работу сил трения. Энергия активации U₀ разрушения поверхностного слоя образца определяется из равенства:
U₀ = W_царап/V_деф, (4)
где W_царап - энергия, затраченная на царапание, [кДж];
V_деф - количество вытесненного материала, [моль].

Из результатов исследований [6] известно, что в области высоких напряжений, термическое слагаемое в выражении (5)
(5)
становится незначительным, процесс разрушения происходит преимущественно вследствие механического ангармонизма, a τ_p → τ₀. В нашем случае при царапании давление в области контакта достигает твердости p_r ≈ HB, т.е. максимально для данного материала, царапание производится со скоростью v ≈ 30 мкм/с, при которой не проявляются динамические явления и саморазогрев материала поверхности, что и является обоснованием равенства (4).

Расчет работы, затраченной на трение, производится по формуле
W_тр= NfLcosα10^-3 [кДж], (6)
где N - нагрузка на индентор, [H];
L - путь трения, [м];
f - коэффициент трения при царапании поверхности алмазным индентором;
α - угол между векторами силы и скорости.

Учитывая то, что при трении зерна вытягиваются вдоль направления скольжения, а толщина текстурированного слоя мала по сравнению с размерами поверхности, можно считать, что поверхность после приработки является ортотропной, а α = 0^°.
Объем разрушенного материала определяется исходя из геометрических характеристик полученной вследствие царапания борозды. Принимая во внимание то, что первая борозда образуется преимущественно за счет уплотнения материала поверхности (без признаков разрушения) для воспроизводства эффекта упрочнения и механизма возникновения малоцикловой усталости материала поверхности, производят несколько проходов индентора по упрочненной борозде. Как показали эксперименты, оптимальное число проходов индентора 3-6.

Из геометрии индентора (угол заострения 136^o) глубина внедрения составляет h_вн 0,14 D, где D - ширина царапины, а формула для определения количества разрушенного материала имеет вид:
, (7)
где V_м - молярный объем металла, [мм³/моль];
P - число проходов индентора,
S₁² и S_n² - ширины царапин при 1 и P проходах индентора соответственно, [мкм].

Конечная формула для расчета энергии активации имеет следующий вид:
. (8)
Преимущества предлагаемого способа состоят в следующем:
1. Способ позволяет оценить величину энергии активации разрушения материала поверхностного слоя при действии реальных механизмов разрушения при трении, сосредоточенных в области деформаций зоны пятна касания;
2. Дифференцировать влияние физико-химических и механических факторов на состояние материала поверхности при трении и за счет этого достигать высокой достоверности получаемой оценки.

3. Ускорить проведение испытаний за счет быстроты получения царапин.

Пример реализации. Оценивали энергию активации U₀ бронзы БрАЖН 10-4,4, используемой в тяжелонагруженных шарнирах шасси самолетов.

По условиям эксплуатации самолетов гражданской авиации были установлены характерные режимы трения в бронзовых втулках шарниров тележки основных стоек:
нормативная нагрузка - σ = 10 МПа;
коэффициент трения - f = 0,1;
средняя температура - Т = 30^oC;
амплитуда качания - А = 5 мм;
смазка - ЦИАТИМ-203.

Указанные параметры были воспроизведены на установке для испытания на износ при возвратно-поступательном движении. Испытания образцов продолжались до наступления установившегося режима износа. Время продолжительности испытаний t = 2,5 ч.

После завершения приработки образцы размещали на предметном столике микротвердомера под индентором. Образец нагревали до температуры 30^oC и наносили царапины с нагрузкой на индентор N = 0,5 H, с числом повторных проходов индентора P = 4. Длина царапины L = 0,5 мм. Коэффициент трения царапания f = 0,2. Рассчитывали энергию активации по формуле (8).

В результате, для бронзы БрАЖН - 10-4-4 установлено U₀ = 84 кДж/моль, γ = 0,4 кДж•мм²/моль•кг.
При оценке по способу [7] U₀ = 100 кДж/мм, γ = 2 кДж•мм²/моль•кг.
Список использованной литературы
1. Журков С.Н. К вопросу о физической основе прочности// Физика твердого тела. - Т.22. - вып.11, - с. 3344-3349.

2. Журков С.Н., Нарзуллаев Б.Н. Временная зависимость прочности твердого тела// "Журнал технической физики". - Т. 23. - вып. 10, 1953, с. 1677-1689.

3. Громаковский Д. Г. и др. Авторское свидетельство СССР N 1490592 "Способ оценки энергии активации материалов". Опубликовано в бюл. Изобретений Государственного комитета СССР N 24 от 30.06.89 г.

4. Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. Избранные труды. - М.: Наука, 1977, - 310 с.

5. Баранов Н.Г., Мурзин Л.М., Круглов И.А. Влияние содержания графита на локальную хрупкость и структурные механизмы релаксации напряжений // Трение и износ, N 6, 1993, с. 1054-1060.

6. Регель В.P., Слуцкер А.И., Томашевский Э.И. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974, - 560 с.

7. Трибология. Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. Под ред. В. А. Белого, К. Лудемы, Н. К. Мышкина. - М.: Машиностроение, Нью-Йорк: Амертон пресс, 1993, - 454 с.

Изобретение относится к области, изучаемой физико-химической механикой контактирования материалов при трении, и может быть использовано для оценки параметров состояния поверхностных слоев твердых тел и в инженерных расчетах изнашивания трущихся деталей машин. Предложен способ, заключающийся в том, что сначала производят приработку образцов в условиях эксплуатации или на соответствующих машинах трения при действии заданного рабочего режима. Затем на приработанную поверхность образцов алмазным индентором наносят царапины вдоль направления текстуры, измеряют ширину царапины и силу трения, а затем рассчитывают количество вытесненного материала и работу сил трения. Данное изобретение позволяет оценивать энергию активации материала с учетом его фактического состояния в изнашиваемых парах, а также учесть влияние анизотропии механических свойств при совместном действии нормальных и касательных напряжений, действующих на поверхности при трении. 3 ил.

Способ оценки энергии активации разрушения поверхностного слоя материалов, заключающийся в том, что производят деформирование поверхностного слоя образцов алмазным индентором и замеряют одну из геометрических характеристик деформации, отличающийся тем, что перед тестированием образцов производят их приработку в рабочем режиме трения, характерном для исследуемых трущихся деталей машин, затем наносят царапины на поверхности вдоль направления текстуры при приработке образцов, повторяют проходы индентора, воспроизводя механизм возникновения малоцикловой усталости, а затем оценивают энергию активации разрушения поверхностного слоя как отношение затраченной энергии при царапании к количеству материала, вытесняемого из поверхностного слоя.