Меню

  • На главную

Поиск

  • Вопросы перманентного разрушения ч.3

    Posted 3/2/2010 в 8:44:04 ПП

    И. В. Крагельский (1963 и сл.) рассматривает появление свободных частиц при граничном трении как результат процессов микрорезания, «глубинного» вырывания и повторного деформирования. Микрорезание наблюдается при внедрении контактирующего выступа на достаточную глубину (примерно 0,2—0,3 радиуса выступа), т. е. при переходе порога внешнего трения. В обычных узлах трения получение частиц износа за счет микрорезания практически исключено, так как заранее подбирают нагрузки, при которых внедрение не достигает необходимой для резания величины.
    Глубинное вырывание возникает при нарушении порога внешнего трения за счет возникновения отрицательного градиента механических свойств по глубине поверхности трения или за счет слишком большого относительного внедрения. Оно носит характер выдирания или выкалывания материала не по месту спайки, а внутри одного из тел. Однако микрорезание и глубинное вырывание материала представляют собой крайние случаи износа при трении.
    Согласно И. В. Крагельскому, при установившемся режиме трения шероховатость поверхности воспроизводится, однако механизм воспроизведения шероховатости остается неизвестным. Обычно износ поверхностей трения происходит в основном при скольжении. Это возможно только при образовании на поверхностях пленок, которые предохраняют основной материал от прямого соприкосновения. Пленка, разделяющая поверхности, является совершенно обязательным условием скольжения. Если ее нет, неминуемо глубинное вырывание.
    В условиях сухого трения пленка окисла, которая возникает на поверхности, увеличивается по толщине до определенной величины, отшелушивается, растет снова и т. д. Эта пленка вступает в молекулярное взаимодействие с пленкой другой поверхности. Пленки защищают основной материал от глубинного вырывания, однако не защищают его от деформации, которую он испытывает при скольжении по нему внедрившегося выступа.
    Каждое сечение истираемого тела последовательно подвергается сжимающим и растягивающим напряжениям. Этот эффект на основе экспериментальных данных был впервые описан А. С. Радчиком и В. С. Радчи-ком (1958), обнаружившими изменение знака деформации в определенной зоне истираемого образца.
    Даже малая повторнодействующая нагрузка на поверхность может привести к ее усталостному разрушению. Усталостные трещины возникают на дефектах, всегда имеющихся в твердом теле. Они связаны как со структурой металла (вакансии в кристаллической решетке, границы блоков), так и со следами обработки (царапинами) и, наконец, с металлургическими дефектами (усадочными порами, газовыми пузырями, включениями шлака, резкой неоднородностью размеров кристаллов, различием в твердости и др.).
    В процессе развития трещины, постепенно сливаясь, могут привести к образованию частицы износа. Разрушения, возникающие на поверхностях трения в результате повторных воздействий, названы И. В. Кра-гельским (1963 й сл.) фрикционной усталостью. Разрушение материала, в результате повторных деформаций, приводящих к разрыхлению металла подробно описано Н. Н. Афанасьевым (1965). М. В. Ханин (1966 и сл.), изучая процесс разрушения материалов в высокотемпературных и высокоскоростных потоках инертного газа в условиях, исключающих практически все виды разрушения, кроме эрозионного, экспериментально показал наличие механического разрушения поверхности. Микроструктурные исследования поверхностных слоев материала, подвергнутого эрозионному разрушению, выявили характерные усталостные изменения (широкие полосы скольжения, микротрещины и т. д.). Это указывает на наличие циклически изменяющегося силового воздействия на поверхность материала со стороны обтекающего его газового потока. Во впадинах неровностей возникает вихревое, пульсирующее движение, вследствие которого на бугорки неровностей действуют изменяющиеся во времени силы, являющиеся причиной эрозионного разрушения.
    На основе анализа усталостной теории эрозионного разрушения материалов при граничном трении, развитой И. В. Крагельским, и сопоставления ее с механизмом эрозионного разрушения материалов в потоках газа и жидкости М. В. Ханин пришел в последнее время к выводу, что эрозия как при трении, так и при воздействии потока жидкости представляет собой процесс усталостного разрушения поверхностного слоя, происходящего в результате вынужденных колебаний частиц материала, на выступающие части которого действуют переменные силы. При этом были получены формулы для определения скорости эрозионного разрушения материалов и величины шероховатости их поверхности.
    В нашей стране, особенно в послевоенные годы, проводились также значительные исследования по изнашиванию различного оборудования в потоке жидкости или газа с твердыми частицами. Отметим, например, работы, посвященные борьбе с так называемым золовым износом котельного оборудования. Этому вопросу уделено значительное внимание в исследованиях И. К. Лебедева, О. Н. Муровкина, А. В. Рябченкова, С. Н. Сыр-кина и др.
    Изучение процесса гидроабразивной обработки металлов посвящены работы Е. И. Пазюка (1953), Ш. М. Билика (1960) и др. Особенно остро стоит проблема абразивно-эрозионного изнашивания оборудования, используемого в нефтяной и газовой промышленности (фонтанная арматура, буровые насосы, турбобуры, трубы и т. д.). Значительные работы в этом направлении выполнены А. В. Кольченко (1956), Л. А. Шрейнероми А. И. Спиваком (1958), А. А. Антоновым (1963), В. Н. Виноградовым (1963) и др.
    Одна из гипотез, объясняющих природу абразивно-эрозионного выкрашивания, высказана Л. Б. Эрлихом (1950). Согласно этой гипотезе большинству сопряженных деталей, работающих в условиях контактных нагрузок, присущи определенные характерные черты, а именно: кратковременность нагружения отдельных участков рабочих поверхностей, значительные локальные нагрузки, многократноциклическое повторение внешней нагрузки, сравнительно большая масса металла, примыкающая к поверхностным слоям, наличие структурной составляющей в виде белой полоски, не травящейся обычными реактивами и обнаруживаемой лишь в результате металлографического анализа. Л. Б. Эрлих предложил схему, намечающую некоторую последовательность явлений, происходящих в поверхностных слоях работающих деталей. Согласно этой схеме в поверхностном слое возникает сначала мгновенное силовое воздействие, затем контактная нагрузка, далее последовательно-пластическая деформация, температурная вспышка и быстрое охлаждение. Мгновенное силовое воздействие обусловлено кинетической энергией удара абразивных частиц о поверхность изделия и зависит от массы и скорости частиц. Особое значение приобретает контактное давление, достигающее крайне высоких значений.
    При многократных воздействиях абразивных частиц на поверхности металла наблюдается тепловая знакопеременная нагрузка, вызванная изложенными выше причинами. Образующиеся при этом трещины носят усталостный характер, способствуют концентрации напряжений на поверхности изделия и служат, вероятно, одной из главных причин выкрашивания материала. Таким образом, видно, что кинетика процесса выкрашивания, в том числе и при абразивно-эрозионном разрушении, включает в себя различные виды дефорации и определяется рядом механических свойств металла.
    Одной из весьма интересных разновидностей перманентного разрушения является разрушение сверхпрочных материалов, прочность которых приближается к теоретической (высокопрочные стекла, получаемые при соблюдении специальных технологических условий, металлические «усы», «бездефектные» стеклянные волокна, высокопрочные полимерные волокна и др.). Разрушение таких материалов происходит «взрывообразно», с распадом на множество мелких частиц. Заметим, что разрушение идеальной кристаллической структуры при достаточно высокой нагрузке должно в пределе происходить в виде распада на отдельные атомы.
    «Взрывообразное» разрушение сверхпрочных стекол наблюдалось, например, М. С. Аслановой, Г. М. Бартеневым, Ф. Ф. Витманом, Л. К. Измайловой и др. Теория этого явления, названного явлением самоподдерживающегося разрушения, была предложена Л. А. Галиным и Г. П. Черепановым (1967). Она основана на рассмотрении фронта перманентного поверхностного разрушения, распространяющегося за счет запаса упругой энергии в теле (аналогично движению детонационной волны за счет запаса химической энергии). Заметим, что подобный тип разрушения может происходить также в обычных хрупких телах (например, в прочных горных породах), если создан достаточный запас упругой энергии. Этого можно добиться, например, в результате сжатия, близкого к всестороннему. В монографии С. Г. Авершина (1955) подробно освещены различные аспекты указанного явления разрушения, которое играет все более важную роль в горной механике (горный удар).

    Тэги: ,