CC BY
33
УДК 629.4.027
В. В. АРТЕМЧУК (ДПТ)
ДИСЛОКАЦ1ЙНА МОДЕЛЬ ТЕРТЯ БАГАТОШАРУВАТИХ ПОКРИТТ1В
Для надшно1 експлуатаци iснуючого рухомого складу необхвдно здiйснювати якiсний ремонт. Один з напрямiв розвитку ремонтного виробництва - розвиток нових технологш ввдновлення деталей, що зношу-ються. Розглянута дислокацiйна модель тертя та вплив шаруватосп на зносостiйкiсть покритпв.
Для надежной эксплуатации существующего подвижного состава необходимо осуществлять качественный ремонт. Одно из направлений развития ремонтного производства - развитие новых технологий восстановления изнашивающихся деталей. Рассмотрена дислокационная модель трения и влияние слоистости на износостойкость покрытий.
For maintenance of the existing rolling-stock in working order it is necessary to carry out qualitative repair. One of directions of development of repair manufacture is the development of new technologies of restoration of the worn out details. It is considered disposition model of friction and influence of lamination on wear resistance of coverings.
При виршенш таких важливих задач, як шдвищення надшносп експлуатаци та збшь-шення ресурсу вузлiв та механiзмiв треба шд-ходити комплексно. Як вщомо, на ресурс деталей впливае багато чинниюв, починаючи зi ста-ди проектування, виготовлення, експлуатаци, ремонту та безпосередньо матерiалiв цих деталей. Якщо проектування, виготовлення i екс-плуатащю деталей рухомого складу не розгля-дати, оскiльки це прерогатива конструкторсь-ких бюро, то е можливють пiдвищення ресурсу деталей при 1х ремонтi, а саме при вщновленш зношених деталей. Розглянемо це питання бшьш детально.
Впливати на ресурс при вщновленш зноше-них деталей можна використовуючи той або iнший метод нанесення, а також матерiали вщ-новлювальних покриттiв. Збiльшення ресурсу вщновлених деталей можливе за умовою змен-шення зношування, тому постае задача шдбору технологiчних параметрiв методу вщновлення та матерiалiв. Але для того, щоб знати, яким чином вщновлювальш матерiали впливають на зношування необхщно розглянути вплив струк-тури матерiалiв на 1х основнi механiчнi власти-востi.
Можна стверджувати, що в механiзмi руйну-вання контактуючих поверхонь при терт голо-вним чинником е упругопластична деформацiя. При цьому треба враховувати, що на вiдмiну вщ об'емного напружено-деформованого стану по-верхневих шарiв, при тертi максимальш напру-ження виникають в м^ооб'емах поверхневого шару. Це легко пояснити тим, що поверхш кон-тактують окремими мiкровиступами. Тому на-
пруження, що виникають в поверхневих шарах залежать як вiд шорсткостi контактуючих поверхонь, так i вiд умов тертя: навантаження, наявно-стi змащення, швидкостi ковзання i таке шше. Тобто при взаемодii поверхонь в кожному м^о-виступi виникае ци^чна змiна знакiв напру-жень. На мехашзм пластично! деформацii також впливае дифузiя зовнiшнього середовища, та вна-слiдок активацii поверхневих шарiв збшьшення дефектностi структури металiв.
З аналiзу лiтературних джерел можна зроби-ти висновок: параметром мшроструктури, що найбшьш часто вимiрюють е розмiр зерна. Зм> нюючи розмiр зерна можна керувати мщшстю та в'язкiстю метала, наприклад, зменшення розмiрiв зерна може привести до одночасного шдвищення мщносп i в'язкостi металу, а це у свою чергу, до збшьшення опору крихкому руйнуванню. 1снуе встановлена експеримента-льно залежнiсть напруження течи а, вiд розм> ру зерна О металу:
_ 1
а, =а0 + кО 2 . (1)
Встановлено також, що напруження течи а, лшшно залежить вiд розмiру субзерен, який
1
е елементом субструктури £ 2 . В [1] отримана залежшсть на основi загальних положень дис-локацiйноi теорii:
_ 1
а, =а£ 2 . (2)
При терт структура тонких поверхневих шарiв як мет^в, так i сплавiв характеризуеться значною густиною дислокацiй (дефектов крис-талiчно! решiтки). При ударних навантаженнях деталей (хвостовик автозчiпки - ударна плита, хвостовик - клин та шше), ковзанш (валики га-льмово! важшьно! передачi, штоки гiдравлiчних гасникiв коливань та iнше) у поверхневому ша-рi досягаються значення густини дислокацiй на один-два порядки вище, нiж при звичайних видах напруженого стану для того ж ступеню за-лишково! деформацп. В той же час, як вщомо, характеристики структури поверхневих шарiв при тертi визначаються спiввiдношенням нормально! та тангенщально! складових наванта-жень та властивостями граничного шару змаз-ки. А оскшьки швидкiсть руху дислокацiй е функщею напруження зсуву, то у при поверхневих шарах кристалу швидюсть руху дислока-цiй може суттево перевищувати швидкiсть !х руху в об'емi матерiалу.
Саме наявнiсть дислокацш, !х рух та взаемне розташування у кристалiчнiй решiтки визначае мехашзм пластично! деформацi! шарiв при конта-ктнiй взаемодi! i призводить до певних особливос-тей механiзму тертя та зносу. Невипадково в рядi робiт в основу розрахунку сили i коефiцiента тертя покладена дислокащйна модель зовнiшнього тертя. Це пов'язано з тим, що пластична деформащя мае дислокацiйну природу i являеться основним наслщком контактно! взаемодп поверхонь.
Як показано в дослщженнях [2] процес де-формацi! е стадшним. Стадi! деформування в> дображують ступiнь розвитку i накопичення мшроруйнувань. Автор видiляе, як мiнiмум три стади: на першiй практично не порушуеться суцшьшсть матерiалу, а основний процес деформування е пластично-диструкцшним. На дру-гiй стади порушення суцшьносп матерiалу на-копичуються по всьому об'ему зразка. Третя стащя - локальний розвиток процесу руйну-вання зразка, який починаеться з поверхш i поширюеться вглибину по перетину.
На пластичну деформацiю впливае рух дислокацш в певних крiсталографiчних площинах i напрямах. При змiнi знаку навантаження (на-пружень), дислокацi! починають рух у зворот-ному напряму, тим самим викликаючи зворот-ну течiю i петлю гистерезису. Це явище нази-вають ефектом зворотностi i пов'язують з ефек-том Баушенгера, величина якого залежить вiд амплiтуди деформацп. Зворотний рух дислока-цiй приводить до зародження точкових дефекта типу вакансiй. Поява мiкропорожнин сприяе появi i розвитку мiкротрiщин, яю у свою чергу
приводять до руйнування матерiалу. На штен-сивнють процесу зворотно-поступального руху дислокацiй i пов'язаного з ним розвитку мшро-пошкоджень матерiалу впливае структура ма-терiалу, яка залежить вiд величини та характеру навантаження, а також вщ попередньо! термiч-но! обробки.
Створення зони низько! густини дислокацiй пов'язано з юнетикою розвитку дислокацiй в поверхневих шарах при терт i величиною потенща-льного бар'еру. Глибина зони знижено! густини дислокацiй залежить вщ напруження тертя дислокацш, тобто напруження, що гальмуе рух дислокацш. Змша напруження тертя впливае на розпо-дiл дислокацш в плоских скупченнях, положення яких задовольняе системi рiвнянь рiвноваги [3]:
п-1 АЬ
---Ьт = 0 (7 = 1,2,3...п), (3)
1=0 х,- хг
7
А = -
ОЬ
2п(1 -V)
[п а + (1 -v)cos а], (4)
де Ь - вектор Бюргерса;
т - зовшшне прикладене напруження; X, - координата 7 -ой дислокацi!;
Xг - координата iнших дислокацiй в скупчен-
нх;
О - модуль зсуву; V - коефщент Пуасона; пЬт
п =--число дислокацш в скупченш;
ОЬ
Ь - довжина скупчення;
а - кут мiж лiнiею дислокацп i вектором Бюргерса.
При наявностi сил тертя напруження, що не-обхщш для утримання дислокацiй в положены рiвноваги, необхiдно зменшити на величину напружень тертя а у . Тодi (3) прийме вигляд
п-1 АЬ
Е----Ь(т-ау) = 0(7 = 1,2,3...п), (5)
г=0х, - хг 7
Розв'язання рiвнянь (3)-(5) дозволяе визна-чити ау по розташуваннi дислокацiй у скуп-
ченнi.
З роботи [4] витшае, що процес зношення пов'язаний iз змiною структури металу при пластичнiй деформацi! тертям
I = / (А, Е, ^), (6)
де I - штенсивнють зношування; А - робота тертя; Е - модуль пружносп матерiалу; ^з -
характеристика ширини ^зично1") штерферен-цiйних лшш (як правило, вона е функщею роз-Mipy блокiв мозаши та мшро напружень). 1нак-ше кажучи Fß характеризуе густину лiнiйних
дефекпв матерiалy. Мiж зносом i параметром Fß спостерiгаеться пряма пропорцiйнiсть.
Дослщження наyковцiв показують, що одним i3 факторiв, що перешкоджають вiльномy вихо-ду дислокацiй на поверхонь, можуть бути рiзнi твердi поверхневi шари кристалу: окиснi чи пд-роокисш або металевi плiвки, тощо. 1з збшьшен-ням модуля прyжностi плiвок зростае опiр вихо-ду дислокацш. Також помiтно посилити опiр ви-ходу дислокацiй може вiдмiннiсть параме^в гратки та пiдложки, характер кристашчно1 стру-ктури та iнше.
В концепци викладеного вище можливiсть впливати на рух дислокацш та чинити отр 1'х виходу дае шарувата структура покриття. Це обумовлено створенням потенцiальних бар'ерiв на шляху руху дефекпв кристалiчноï гратки. На основi аналiзy змiни дислокацiйноï структури при зовшшньому тертi можна припустити, що сила тертя пов'язана 3i змшами дислокацiйноï структури, якi виникають на поверхнях тертя. При цьому зовшшня робота при тертi вщпов> дае внутршнш роботi по змiнi дислокацiйноï структури. Таким чином, роботу тертя деталей можна частково перевести в роботу шарiв.
Зауважимо, що однозначних ощнок i залеж-ностей тертя вщ дислокацiйноï структури на даний час немае. Це пояснюеться неможливю-тю точного експериментального визначення ю-тинно1' густини дислокацiй в момент контактно!' взаемодiï. Однозначно можна лише зазначити, що затрати енерги при терт не визначаються лише дислокацiйними процесами в поверхне-вих шарах. При терт зона пластично!' деформа-ци не обмежуеться поверхневими нерiвностя-ми, а йде на глибину покриття. При цьому по-верхневий шар покриття може мати невелику густину дислокацш. При ковзанш дислокаци накопичуються на деякш вiдстанi вiд поверхнi, що приводить до виникнення мшропустот в шарi з пiдвищеною густиною дислокацш. Виникнення пустот штенсифшуеться. З часом м> кропустоти коалесцирують шляхом зростання або зрушення матерiалy, що приводить до виникнення трщин, паралельних поверхнi зносу. Коли трщини досягають критично!' довжини, матерiал мiж трiщиною i поверхнею витягуеть-ся в тонку пластину i вщшаровуеться. Взаемо-дiя поверхонь при терт твердих тiл приводе до упругопластичних деформацiй поверхневих
шарiв, яю можуть досягати граничних значень, змшюючи фiзичнi та механiчнi властивостi ма-терiалiв, !'х структуру та характер проткання процесiв.
Впливати на структуру шарiв вщновлюваль-них покриттiв в залежност вiд методу !'х нане-сення можна за допомогою використання рiзних матерiалiв або змiнюючи режими технолопчно-го процесу, або комбшуючи обидва варiанти. Оскiльки найбiльш поширеними вщновлюваль-ними технологiями е наплавка, газотермiчне на-пилення та електролггичш методи, то, на наш погляд, доцшьно на цi технологii звернути най-бiльшу увагу. Нанесення шаруватих покриттiв дае можливiсть отримувати новi механiчнi влас-тивостi вiдновлених деталей з точки зору зрос-тання 1х ресурсу. Наприклад, нашi дослщження показали, що нанесення шарiв наплавкою в такш послiдовностi: дрiт Св08Г2С (перший шар, на-кладаеться на поверхню детал^, дрiт 30ХГСА (другий шар), дргг 65Г (третiй шар, умовно «ро-бочий» - безпосередньо контактуе з контртiлом) приблизно на 12... 16 % зменшуе зношення покриття. Наведений приклад в найбшьшому сту-пенi стосуеться вiдновлення зношених поверхонь хвостовика автозчеплення та його «контр-тша» - упорнох' плити. Враховуючи, що зноси вказаних деталей досягають 12 мм, а в окремих випадках i 20 мм, то наплавлення за запропоно-ваною технологiею е доцшьним. Застосування розробленох' технологii отримання шарових по-криттiв дозволяе стримувати зростання, вiльне перемiщення та об'еднання дефектiв i таким чином значно зменшити зношення деталей.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Трефилов В. И. Физические основы прочности тугоплавких металлов / В. И. Трефилов, Ю. В. Мильман, С. А Фирстов. - К.: Наукова думка, 1975. - 315 с.
2. Рыбакова Л. М. Структура и износостойкость металла / Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксенова. -М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
3. Ройтбурд А. Л. К исследованию микронапряжений в поликристаллах / А. Л. Ройтбурд, В. П. Рутберг, М. П. Усиков, Л. М. Утевский. -Физика твердого тела, 1964. Т. 6. С. 321.
4. Громаковский Д. Г. Идентификация физической модели износа, описанной уравнениями математической физики. / Д. Г. Громаковский, А. И. Лашманов, Б. А. Романчев // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов. - Куйбышев, 1976. С. 9.
Надшшла до редколеги 19.09.2007.
