книги / Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов

ных покрытиях подшипниковых узлов строительных машин. Для этого необходимо определить величину внутренних напря­ жений при нормальной температуре сразу после нанесения по­ крытия, затем повторить замеры напряжений через время U и /2. Далее по формулам (8.39) —(8.41) определяется значение ои которое соответствует окончанию процесса релаксации. По вы­ ражению (8.44а) определяется значение напряжений, соот­ ветствующее температуре, при которой эксплуатируется ма­ шина.

Установленная зависимость изменения внутренних напряже­ ний от температуры воздействий проверена экспериментально. На рис. 8.28 сплошными линиями представлены графики зави­ симости напряжений от температуры, полученные расчетным путем по описанной выше методике. Достаточно хорошее совпа­ дение экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о достоверности предлагаемой методики определения внутрен­ них напряжений применительно к сложным условиям эксплуа­ тации строительных и дорожных машин.

Для практического использования были измерены напряже­ ния в покрытиях различных полиамидных композиций после завершения процесса их релаксации. Их значения при нормаль­ ной температуре представлены в табл. 8.4. Расширенная но-

Таблица 8.4

Значения внутренних напряжений в полиамидных покрытиях при комнатной температуре

фторопласта-4Д

менклатура составов композиций объясняется тем, что на прак­ тике их выбор определяется целым рядом технологических, экономических и других соображений. Например, смола 11-68 в 4—5 раз дороже поликапроамида, но она обладает более высокой работоспособностью во влажной среде. Смола П-54 (или П-66/6) более доступна и имеет низкую стоимость, по ее адгезионная прочность менее стабильна.

341

8.5. Вязкохрупкий переход

Величина деформации г.г нагруженного тела при его разрыве

сталей известно еще с середины XIX века, когда сталь впервые стали использовать в качестве конструкционного материала вместо литого или кованого железа. Явление хрупкого разру­ шения привлекло внимание вследствие распространения цель­ носварных конструкций (суда, мосты, котлы высокого давления, газопроводы, шлюзы). В них сварные швы явились источником зарождения и трассой для распространения трещин при очень низких напряжениях. В несварных конструкциях трещины тор­ мозятся в местах соединении, а в целыюсваренных легко рас­ пространяются вдоль всей конструкции. Наиболее впечатляю­ щие случаи связаны с судами типа «Либерти» в период 1939— 1942 гг., для которых было зарегистрировано около 1500 хруп­ ких разрушений, причем 19 судов развалилось пополам [258]. Это сделало проблему хрупкости одной из важнейших проблем материаловедения. Было замечено, что хрупкое разрушение всегда начинается у концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой или дефектами изготовления, и тре­ щина обычно распространяется быстро и неожиданно, т. е. без заметной предварительной подготовки материала (в виде пла­ стического деформирования или разрыхления). Очевидно, что именно предсказание хрупкого разрушения из-за его неожидан­ ности вызывает наибольший интерес, тогда как вязкое разруше­ ние зачастую может быть исключено вследствие большого пла­ стического формоизменения, прерывающего эксплуатацию де­

тали машины.

Ввиду необходимости исключить хрупкое разрушение техни­ ческих конструкций (носящие обычно катастрофический харак­ тер), изучению проблемы хрупкости разрушения посвящено множество исследований. При этом установлено, что пластиче­ ская деформация на уровне трещинообразования всегда при­ сутствует (А. В. Степанов [230]), так что понятие хрупкости или вязкости относится только к уровню деформации образца. Тип разрушения (вязкий или хрупкий) не является структур­ ным свойством материала, а обусловлен условиями испытания образца [67]. Поэтому возможен вязкохрупкий переход (ВХП) с резким падением деформации (и прочности). Разрушение ста­ новится хрупким при низких температурах (явление хладно­ ломкости) или при высоких скоростях деформирования г (удар­ ная хрупкость) [67]. ВХП происходит скачкообразно и охруп­ чивание сопровождается увеличением статистического разброса. Часто на опыте кажется, что однотипные образцы в статисти­

342

ческой серии нс обладают определенной долговечностью и воз­ можно лишь описание результатов с помощью «широкой» функ­ ции распределения, указывающей вероятность разрушения при заданной нагрузке.

Типичное поведение долговечности при ВХП показано на рис. 8.30, где приведены экспериментальные данные для отож­

пряжения было найдено, что энергия активации ползучести равна Vo « 130 КДж/моль — энергии активации разрушения, величина которой, как установлено в работе [231], при охруп­ чивании не меняется. Таким образом, при переходе в хрупкое состояние сохраняется кинетический характер процесса разру­ шения и наблюдается некоторая ползучесть. Энергии активации деформирования и разрушения остаются теми же, что и области вязкости [231].

Па рис. 8.31 приведены характерные температурные зависи­

343

противоположный: dcjJdT > 0. При дальнейшем понижении температуры указанная аномалия снимается и восстанавлива- *ется температурная зависимость, описываемая формулой (В.4),

Рис. 8.31. Температурная зависимость прочности: а — кристалл сапфира* [280]; б — кристаллы LiF [281]

однако график о*(Т) становится уже более пологим, что в тер­

посылки о противопоставлении собственно разрушения и пла­ стической деформации: как неоднократно подчеркивалось, на микроуровне разрушения (при образовании трещин) пластнче-

344

ская деформация всегда присутствует, хотя на макроуровне (при разрыве образца) она в ряде случаев может не регистри­ роваться. Также противоречит опытным данным (см. рис. 8.28) положение схемы Иоффе об атермическом характере хрупкой прочности: (температурная зависимость прочности существует, но становится слабо выравненной).

Более поздние теории, оставаясь в рамках схемы Иоффе, связывают ВХП с состоянием дислокационной структуры. Так, считается, что хрупкое разрушение наступает, когда зарожде­ ние трещины но механизму Стро (см. Введение) происходит при меньших напряжениях, чем термоактивируемый отрыв дисло­ каций от закрепляющих их примесей, ответственный за пласти­ ческое течение материала [258]. Структурный подход позволил связать температуру охрупчивания Гхр с размером d зерна в по­ ликристалле, именно

ГХ;) = Л — a ln < r ,/2,

/1 и а — характеристики материала. Такая зависимость была получена экспериментально Петчем на сталях [258]. Таким образом, с изменением размера зерна величина Гхр уменьша­ ется. Измельчение зерна — наиболее практически удобное и ши­ роко распространенное решение проблемы борьбы с хладнолом­ костью конструкционных сталей.

Мы не будем далее останавливаться на структурных усло­ виях ВХП и уделим основное внимание его кинетическим аспек­ там. Приведенная выше совокупность экспериментальных дан­ ных позволяет утверждать, что, во-первых, тип разрушения (в смысле достигнутой к разрыву величины деформации) опре­ деляется размером той части образца, которая охвачена процес­ сом трещинообразования. Делокализованное трещинообразовапие отвечает вязкости, а переход к локализации приводит к охрупчиванию. Это предположение подтверждается наблюде­ нием разрывов межатомных связей [208, с. 191], показываю­ щим, что в хрупком состоянии разрывы локализуются в узкой области, тогда как в условиях вязкости их накопление идет по всему объему образца. Во-вторых, тип разрушения и ВХП обусловлены взаимоотношением кинетических процессов дефор­ мирования и разрушения. Эта точка зрения получила развитие

иэкспериментальное подтверждение в работах В. А. Степанова

[231].Согласно современным представлениям, хрупкость обус­ ловлена локализацией трещинообразования на «пиках» поля внутреннего напряжения, которые не успевают пластически отрелакспровать к моменту разрушения. Отсутствие локализации (при достаточно быстрой релаксации перенапряжений) приво­ дит к вязкому разрушению. Существенно подчеркнуть, что в от­

личие от схемы Иоффе сейчас показано, что хрупкое разруше­ ние, так же как и вязкое, является термоактивированным про­ цессом.

345

Перейдем к формулировке кинетического критерия ВХП f181]. Долговечность тела т в области ВХГ1 найдем из модифи­ цированного на случай учета структурной неоднородности прин­ ципа Бейли

а0/(о) дается выражением (8.3).

Всвете изложенной интерпретации, вязкости отвечает слу­

дается формулой Журкова. Соответственно, приближенное ра­ венство (8.46) описывает долговечность при охрупчивании.

Характеризующая перенапряжение величина Ао в области ВХП убывает со временем t вследствие пластической релакса­ ции, подчиняясь кинетическому уравнению [249]

346

где введено время полной релаксации

за которое начальное перенапряжение Дао полностью рассасы­ вается, а

При подходе, связывающем охрупчивание с разрушением на неуспевших отредаксировать концентраторах напряжения, для. 13X11 критериальной оказыва­

ется величина

Г1' = Т г / Т .

In (т„ Ла*/в„До0). 1 —до обкатки; 2 —после обкатки [501

Подставляя сюда выражение (В.5) для разрывного напряже­ ния о* при скорости нагружения 6

Выражение (8.50), очевидно, связывает температуру охрупчива­ ния Тхр со скоростью нагружения а. Оно качественно описывает названные выше явления хладноломкости и ударной хрупкости (хрупкость возникает при снижении температуры и увеличении скорости нагружения). Функциональная связь Тхp(d) (8.50) хо­ рошо известна как эмпирическая формула Витмаиа—Степанова

347

в области ВХП вблизи границы перехода от вязкости к хруп­ кому разрушению [181]. Для этой области, подставив в (8.46) выражения (8.466) и (8.48), получим

т~тв(«w/h ~ i h ln(VT,.)]•

Из (8.51) формально следует, что при ft < v в области ВХП возникает аномальный температурный ход прочности свхп а именно:

т. е. при понижении Т прочность убывает, в отличие от ее нор­ мального хода (роста при понижении Т) при вязком или хруп­ ком разрушениях. Этот эффект наблюдается экспериментально (см. рис. 8.31). Заметим, что в силу неравенства Uo > Я0 пред­ положенное выше условие f t < v является необходимым для существования области т]' > 1 хрупкого разрушения. Темпера­ турная зависимость прочности в свете изложенных представле­ ний схематически изображена па рис. 8.34. В области вязкости и хрупкости она описывается формулой Журкова:

" т ( |'+ /| (и " — kri11^ ) ,

где / = Доо/ст — коэффициент, который здесь предполагается постоянным. При экстраполяции до пересечения с осью Т обе

гать, что термофлуктуациоиный РЭ прочностных характери­ стик проявляется в условиях вязкого разрушения, а структур­ ный РЭ — при хрупком разрушении. На основе такой связи легко объясняется увеличение разброса прочностных характе­ ристик при охрупчивании — оно вызвано статистикой структур-

348

пых дефектов, которая при вязком разрушении нивелирована термофлуктуациоиной статистикой. Указанное совпадение кри­ териев отражает то обстоятельство, что в обоих случаях осу­ ществляет переход от много- к одноочаговому разрушению. Этот механизм охрупчивания иллюстрирует рис. 8.35, который является аналогом схемы Иоффе (см. рис. 8.32). Временная зависимость Да (8.48) превращает параметр Q в кинетический

и устанавливает его зависимость от соотношения г\' скоростей релаксации и разрушения. Величина т)' = тг/т с учетом (8.48а) и (8.466) близка к отношению rj (8.5). Это значит, что преиму­ щественно рассматриваемую в монографии область параметров

тику разрушения, которое, таким образом, протекает в отсут­ ствие значительных перенапряжений.

Глава 9

АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИИ

9.1. Постановка вопроса

Как известно, наиболее уязвимыми узлами 1машин являются подвижные соединения. Одним из эффективных путей увеличе­ ния их надежности, включая ремонтопригодность, оказывается использование полимерных антифрикционных покрытий, кото­ рое однако сдерживается отсутствием научно обоснованных ме­ тодов прогнозирования ресурса металло-полимерных деталей. Нами предпринята попытка разработки теории прогнозирова­ ния прочности и долговечности деталей с полимерными по­ крытиями. Ее специфика заключается, во-первых, в опоре на кинетические представления о формировании и разрушении ад­ гезионных связей и построении модели, позволяющей провести дифференцированную оценку роли различных внешних факто­ ров и тем самым определить рациональный состав полимерных композиций и оптимальных режимов технологических процес­ сов. Во-вторых, полученные физические результаты, являющиеся конкретизацией общих концепций, изложенных в предыдущих главах, апробированы па специально созданных испытательных стендах, имитирующих условия эксплуатации деталей и реаль­ ных узлов машин. Исследования завершены натурными испы­ таниями и внедрением способов создания н восстановления деталей подвижных соединений. Применительно к строительным машинам (которым в данной главе уделено основное внимание) создана технологическая линия, предназначенная для нанесения антифрикционных покрытий из термопластов для широкой но­ менклатуры типовых деталей.

Стендовые и производственные испытания подтвердили хо­ рошую работоспособность полимерных покрытий в механизмах передвижения подъемных кранов, гусеничных тележках экска­ ваторов и бульдозеров, поворотных платформах, в подшипни­ ках скольжения коленчатых валов ДВС и т. д. Расширение мас­ штабов внедрения подшипников с полимерными покрытиями является актуальной народнохозяйственной задачей, решение которой позволит снизить стоимость ремонта строительных ма­ шин и значительно сократить затраты на него металлов.

350