CC BY
16
11. Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Дегтярь В. В. Универсальные характеристики пневмоколес строительных и дорожных машин // Строительные и дорожные машины. 2015. № 12. С. 50-53.
БОЯРКИНА Ирина Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика». Адрес для переписки: [email protected]
ТАРАСОВ Владимир Никитич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Механика».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 01.06.2017 г. © И. В. Бояркина, В. Н. Тарасов
УДК 62-1
Ю. И. МАТЯШ Ю. М. СОСНОВСКИЙ А. А. РАЖКОВСКИЙ Е. М. КОНДРИКОВ
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
Рассмотрены термодинамические процессы, происходящие в металлических сплавах при их охлаждении от температуры плавления до нормальной температуры окружающей среды. Показано, что наиболее приемлемый метод прогнозирования остаточного ресурса деталей железнодорожного подвижного состава должен базироваться на использовании полуэмпирических расчетных зависимостей, связывающих изменение энергетических параметров металлических изделий с изменением их структурной рыхлости. Обосновано наличие точки перегиба на зависимости изменения прочностных свойств металла от структурной рыхлости.
Ключевые слова: конструирование технических деталей, остаточный ресурс, структурная рыхлость, энергетический барьер, термодинамические процессы.
Поведение металлических изделий железнодорожного транспорта, которые работают, как правило, в режиме циклических нагружений, изучались с различных точек зрения, в том числе и на основе энергетических представлений. Используя современные средства неразрушающего контроля, например, в работе [1] было показано, что разрушение твердых тел — это процесс, развивающийся во времени, состоящий из последовательных элементарных флуктуаций разрыва межатомных связей, которые совершаются за счет теплового движения атомов. Согласно этой теории, процесс разрушения на начальной стадии следует рассматривать как процесс, в котором вследствие тепловых флуктуа-ций преодолевается энергетический барьер и , величина которого может быть уменьшена в результате действия внешних напряжений а:
и0
кТ
(1)
здесь т — время между двумя последовательными флуктуациями, т0 — период собственных тепловых колебаний атома, у — структурный фактор, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, а — внешнее напряжение. Как видно из приведенной формулы (1), наличие внешней нагрузки а и повышение температуры Т приводит к уменьшению времени между двумя последовательными флуктуа-ционными переходами.
Известно, что все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов, которые находятся в непрерывном хаотичном движении. В результате термодиффузионных процессов происходит самопроизвольное выравнивание концентраций всех включений по всему занимаемому объему. В соответствии с кинетической теорией жидкостей атомы веществ в результате термодиффузионных процессов располагаются друг относительно друга на определенных расстояниях, которые определяются величинами
о
го
1 = 1,.ех
о ' V-- ф . Лу •с
© • \о 0
Рис. 1. Твердый раствор, включающий Si и Mn в феррите
межатомных взаимодействий (сил отталкивания) и температурным уровнем проводимого процесса. Основными механизмами перемещения атомов по кристаллу могут быть: прямой обмен атомов местами, миграция по дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен и др. Явление диффузии в большинстве практических случаев описывается первым законом Фика для изотропных сред или вторым законом Фика для анизотропных сред [2].
В настоящее время материалы, на основе которых создаются современные технические средства или технологические процессы, используются в различных отраслях техники (например, металлические сплавы, применяемые в радиоэлектронике, самолетостроении, или катализаторы и сорбенты — в химической и нефтеперерабатывающей промышленности и др.). Эти материалы формируются таким образом, чтобы наиболее полно отвечать условиям их эксплуатации [3, 4]. Так, например, при создании металлических соединений, обладающих повышенной механической прочностью, используют компоненты, проявляющие свойства внедрения атомов (или ионов) легирующего компонента в структуру исходного металла, что приводит к созданию более упорядоченной структуры сплава и обеспечивает достижение требуемых прочностных характеристик. В качестве примера на рис. 1 схематично приведен твердый раствор, включающий и Мп в феррите.
В других случаях, например, для получения сплава с повышенной пластичностью используют компоненты, проявляющие свойства замещения. В нефтехимической промышленности при формировании сорбентов, с наперед заданными сорбци-онными свойствами, обычно используют различные соотношения между катионами и анионами. Так, например, для создания цеолита с минимальным входным окном (около 4А) в качестве катиона используют Ыа + , а в качестве аниона — Л1203-. В то же время для получения цеолита с максимальным входным окном (около 13А) в качестве катиона используют Са+. При создании катализаторов нового поколения с определенными физико-химическими свойствами в последнее время используют бинарные полупроводниковые системы типа С<ЗТе и или твердые растворы, полученные на их основе.
Несмотря на разнообразие подходов к формированию вышеперечисленных материалов, все они объединяются одной и той же целью — подобрать такую совокупность компонентов, характеризующихся определенным набором межатомных связей, сочетание которых обеспечивало бы получение необходимых свойств материалов (физических, механических, химических, сорбционных и т. п.). При этом следует отметить одну особенность вышеприведенных сложных материалов (в том числе
и металлических сплавов) — все они представляют собой многофазную термодинамическую систему, с четко выраженными границами раздела, а легирующие компоненты, входящие, например, в состав металлического сплава, играют роль примесей.
Рассмотрим термодинамические процессы, происходящие в металлических сплавах при их охлаждении от температуры плавления до нормальной температуры окружающей среды (плюс 20 °С). Например, при нагревании стали до температуры плавления (в зависимости от ее химического состава температура плавления может изменяться от 1300 °С до 1500 °С) атомы ее компонентов в результате термодиффузионных процессов располагаются на определенном расстоянии и находятся в устойчивом термодинамическом равновесии. По мере охлаждения стали (до температуры окружающей среды — плюс 20°С) атомы ее компонентов будут находиться в крайне неустойчивом термодинамическом равновесии, поскольку они сохранят свое пространственное положение, соответствующее температуре плавления. При этом силы отталкивания, обеспечивающие устойчивое термодинамическое равновесие между атомами при температуре плавления сплава (1500 °С), изменятся на силы притяжения, возникшие в результате охлаждении стали. Вследствие этого атомы охлажденного металлического сплава будут стремиться перейти к новому устойчивому термодинамическому равновесию, соответствующему конечному значению температурного процесса. Это можно наблюдать также и по изменению удельного объема охлаждаемого металла, который в этом диапазоне изменения температур составляет более 35 %.
Условная схема перехода термодинамической системы к различным устойчивым термодинамическим равновесиям представлена на рис. 2, в предположении, что в составе стали содержатся легирующие компоненты, которые выступают в роли примесей. В результате термодиффузионных процессов вокруг примесей, играющих в стали роль концентраторов напряжений, образуются микропоры (рис. 2а и рис. 2Ь), которые в дальнейшем увеличиваются и переходят в макропоры (рис. 2с), с последующим их слиянием (рис. 2<3 и рис. 2е) и образованием шейки в перемычках (рис. 21:). Завершающие этапы старения стали сопровождаются микропластической деформацией с последующим ее разрушением [5].
В связи с большим градиентом температур (от температуры плавления стали до температуры окружающей среды) возникают огромные силы притяжения между атомами, что в значительной мере способствует ускорению процесса старения стали, который сопровождается потерей прочностных свойств. Поэтому, при конструировании технических средств, следует учитывать тот факт, что металлические сплавы, хранящиеся на складах в течение длительного времени, в значительной степени подвергаются вязкому разрушению в результате термодиффузионных процессов.
Учитывая самопроизвольное старение сталей в тяжелом машиностроении, при изготовлении изделий, работающих в тяжелых условиях (повышенные механические или тепловые нагрузки, в том числе и агрессивные среды), с целью повышения их прочностных свойств и замедления процессов старения дополнительно используют различные технологические приемы (такие как горячий прокат и др.).
Рис. 2. Схема механизма вязкого разрушения стали, содержащей легирующие компоненты
Рис. 3. Влияние процессов старения на коррозионное разрушение (КНР) под нагрузкой
Рассмотрим влияние режимов термической обработки стали на изменение ее физико-химических свойств. В процессе проведения термической обработки стали (например, горячий прокат, проводимый при Т =900 °С, и дополнительные механические воздействия на заготовку), в результате этих воздействий атомы ее компонентов, ранее располагавшиеся на расстоянии, соответствующем температуре плавления (Т =1500 °С), перейдут на новое устойчивое термодинамическое равновесие, отвечающее температурному уровню, равному (Т = 900 °С).
При последующем охлаждении стали, прошедшей термическую обработку, атомы ее компонентов также будут находиться в неустойчивом термодинамическом равновесии, однако силы притяжения, возникшие вследствие ее охлаждения (от Т = 900 °С до Т = 20 °С) будут значительно ниже, чем силы притяжения, возникающие при охлаждении расплавленной стали (от Т =1600 °С до Т = 20 °С). Поэтому стали, прошедшие термическую обработку с последующим отпуском, характеризуются повышенными механическими свойствами и существенным снижением скорости их старения.
В качестве примера на рис. 3 показана степень влияния различных термических обработок стали на процессы старения металлических изделий. Видно, что металлические изделия, которые перед эксплуатацией были подвергнуты горячему прокату, характеризуются равномерным расположением атомов углерода и чистой границей их раздела. Это в значительной мере способствует снижению скорости старения металлических изделий.
В зависимости от структурного и напряженно-деформированного состояния твердого тела, а также в зависимости от внешней среды, реализуются различные механизмы разрушения, такие как вязкое разрушение или межзеренный скол [5]. В ряде случаев возникает так называемая питтин-говая (точечная) коррозия, зарождение которой происходит вследствие зарождающихся дефектов (например, царапин), а ее развитие происходит по электрохимическому механизму. При этом разрушение металлических изделий происходит вследствие анодно-катодной коррозии, которая связана с наличием химической неоднородности легирующих компонентов, входящих в их состав. При этом положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные ионы движутся к аноду.
о
го
Так, например, в соответствии с законом окислительно-восстановительных процессов легирующие компоненты стали 20 ГЛ, такие как С — 12; — 14; Р — 15; Б — 16 и Мп — 25, ведут себя в роли катодов по отношению Бе — 26 (здесь цифрами указывается атомарный вес компонента).
В результате накопленных теоретических и экспериментальных сведений установлено, что с первых циклов нагружения в кристаллической решетке изделия происходит блокировка существующих межатомных связей с последующим их разрывом [6]. Далее происходит вовлечение новых объемов материала в интенсивное пластическое течение, пока вся поверхность металла не покроется микротрещинами длиной, равной размеру зерна. В результате в поверхностном слое металла развиваются отдельные устойчивые полосы скольжения, в которых к окончанию этой стадии развиваются первые субмикроскопические трещины. Следовательно, процессы старения металла (разрывы межатомных связей, сопровождающиеся межкристаллическим сколом или анодно-катодной коррозией) в соответствии с вторым началом термодинамики связаны с необратимым переходом структуры металла из упорядоченного состояния в неупорядоченное.
Принято считать, что в упорядоченной системе атомы, входящие в ее состав металлов, располагаются на минимально возможном расстоянии относительно друг от друга и находятся в устойчивом термодинамическом равновесии, обеспечивая тем самым получение требуемых свойств металлов (физических, механических, химических, сорбционных и т. п.).
В неупорядоченном состоянии системы, которое возникает вследствие старения металла (разрыв межатомных связей, межкристаллический скол, анодно-катодная коррозия), происходит увеличение межатомных расстояний, сопровождающееся необратимой потерей (частичной или полной) прочностных свойств металлов. Поскольку общепринятой мерой неупорядоченности любой системы является энтропия 5, оценку остаточного ресурса деталей железнодорожного подвижного состава целесообразно проводить с использованием этого показателя:
8=к1пО,
(2)
м
п ■ р
(3)
где к — постоянная Больцмана, О — число возможных микросостояний системы или статистический вес системы.
В последние годы в научной литературе [7] для оценки степени упорядоченности системы используются полуэмпирические зависимости между энергетическими параметрами веществ и так называемой структурной рыхлостью ю кристаллических веществ. Структурная рыхлость ю косвенно характеризует энергию межатомного взаимодействия вещества:
Рис. 4. Зависимость структурной рыхлости ш от времени t при различных значениях внешних напряжений а и постоянной температуре Т
кристаллическую структуру, что приводит к уменьшению как рыхлости, так и энтропии.
Из рис. 2 видно, что в начальный период эксплуатации металлических изделий процесс их старения происходит медленно вследствие постепенного образования микропор за счет миграции дефектов к микропримесей. Этот процесс характеризуется незначительным изменением величин межатомных связей и, как следствие, незначительным уменьшением прочностных свойств металлических изделий. Далее в процессе длительной эксплуатации металлических изделий наблюдается слияние макропор и развитие микропластической деформации, которые характеризуются лавинообразными разрывами межатомных связей. Вследствие этого изменение прочностных свойств металлических изделий происходит скачкообразно, сопровождается, как правило, возникновением различных аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте.
На рис. 4 показана временная зависимость структурной рыхлости ю от времени 1. Область наибольшего изменения рыхлости соответствует слиянию микропор и развитию микропластической деформации. Эти процессы протекают лавинообразно, практически без увеличения внешних нагрузок, но при этом сопровождаются значительным ростом структурной рыхлости и, следовательно, скачкообразным снижением прочностных свойств металлических изделий. Наличие внешних напряжений при постоянной температуре увеличивает скорость образования дефектов и сокращает срок эксплуатации изделия.
Согласно данным, приведенным в [7], зависимость теплопроводности X от структурной рыхлости ю может быть аппроксимир ована выражением
Х = 5449,8 о"
(4)
где М — молекулярная масса, п — число структурных узлов (атомов, ионов, комплексов) в формульной единице соединения, р — плотность вещества.
Физический смысл рыхлости аналогичен энтропии и состоит в том, что чем прочнее межатомные связи (больше энергия связи), тем сильнее проявляется эффект «стягивания» атомов в компактную
Теплопроводность X при постоянной температуре прямо пропорциональна электропроводности (закон Видемана —Франца), которая может оперативно контролироваться.
Для теоретической оценки скорости старения металлических изделий железнодорожного транспорта необходимо учитывать многочисленные случайные параметры, существенно влияющие на этот процесс [8—10]. Так, например, при движении грузового состава вследствие нарушения режима торможения на поверхности катания колесной пары может образоваться дефект в виде «ползуна». В результате произойдет существенное изменение динамических воздействий на ходовые части вагона, а, следовательно, и на скорость их старения.
3,831
Однако через некоторое время на определенном участке пути, в ходе выполнения служебного торможения, такой дефект может быть ликвидирован, что приведет к нормализации условий работы ходовых частей вагона.
С другой стороны, известны различные полуэмпирические зависимости [7], связывающие энергетические параметры металлических изделий с их структурной рыхлостью. Эти зависимости характеризуются довольно высокой степенью достоверности аппроксимации и не уступают соответствующим данным, получаемым в рамках других энергетических подходов. Поэтому установленные корреляционные зависимости представляют собой полезный инструмент для прогнозирования остаточного ресурса тяжело нагруженных деталей железнодорожного подвижного состава.
Для предотвращения аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте необходимо располагать оперативными и достоверными средствами определения остаточного ресурса деталей железнодорожного подвижного состава, в том числе и в деповских условиях. В настоящее время работоспособность грузового подвижного состава обеспечивается на ПТО путем поддержания требуемого уровня технического состояния для безаварийного прохождения в рамках установленных гарантийных участков. Например, контроль технического состояния литых деталей оценивается по наличию или отсутствию трещин, который является труднозатратным и необъективным способом оценки.
Предлагаемый метод прогнозирования остаточного ресурса деталей железнодорожного подвижного состава базируется на использовании полуэмпирических расчетных зависимостей, связывающих изменение энергетических параметров металлических изделий (механическая прочность) с изменением их структурной рыхлости.
В точке перегиба на кривой ю(1;), характеризующей изменение прочностных свойств металла от структурной рыхлости металла, имеется возможность однозначно установить момент перехода изделия в нерабочее состояние, благодаря чему можно определить значение остаточного ресурса деталей железнодорожного подвижного состава. При создании предлагаемого метода необходимо, с одной стороны, использовать информацию о техническом уровне современных средств измерения, позволяющую достаточно оперативно измерять требуемый энергетический параметр (прочностные свойства металлических изделий). А с другой стороны, используется набор стандартных образцов, характеризующихся различной степенью увеличения структурной рыхлости контролируемого металла (от зарождения разрывов межатомных связей до полного его разрушения). Из анализа данных, представленных на рис. 4, и его описания следует, что при увеличении на объект внешней нагрузки, время для образования и развития микро- и макро-пор, а также для слияния макропор с образованием шейки в перемычках существенно сокращается. Поэтому, в зависимости от степени воздействия внешней нагрузки на грузовой подвижной состав
(пробег грузового подвижного состава в порожнем или нагруженном состоянии), имеется возможность произвести количественную оценку появления преддефектного состояния его основных узлов и деталей [8]. Особенно важным аспектом предлагаемого метода является тот факт, что он позволяет в деповских условиях оперативно и достоверно определять остаточный ресурс деталей железнодорожного подвижного состава, обеспечивая тем самым безаварийную работу железнодорожного подвижного состава.
Библиографический список
1. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел: моногр. М.: Наука, 1974. 560 с.
2. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975. 592 с.
3. Стеклов Л. Н. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. М.: Машиностроение, 1990. 384 с. ISBN 5-217-00500-9.
4. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
5. Матвиенко Ю. Г. Модели и критерии механизма разрушения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 328 с. ISBN 5-9221-0669-4.
6. Гольдштейн М. И., Литвинов В. С., Бронфин Б. М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия. 1986. 312 с.
7. Зуев В. В., Поцелуева Л. Н., Гончаров Ю. Д. Кристалло-энергетика как основа оценки свойств твердотельных материалов (включая магнезиальные цементы). СПб.: Изд-во завода «Альфапол», 2006. 139 с.
8. Матяш Ю. И., Сосновский Ю. М., Петракова А. Г. Физико-химические основы оценки остаточного ресурса узлов и деталей грузовых вагонов железнодорожного транспорта // Известия Транссиба. 2015. № 2 (22). С. 12-18.
9. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с.
10. Левкович Т. И. Прогнозирование вероятности опасных хрупких разрушений корпусов автосцепок вагонов: авто-реф. дис. ... канд. тех. наук. Брянск, 2010. 22 с.
МАТЯШ Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство». Адрес для переписки: [email protected] СОСНОВСКИЙ Юрий Михайлович, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Физика и химия». Адрес для переписки: [email protected] РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
Адрес для переписки: [email protected] КОНДРИКОВ Евгений Михайлович, преподаватель кафедры «Физика и химия». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 24.05.2016 г. © Ю. И. Матяш, Ю. М. Сосновский, А. А. Ражковский, Е. М. Кондриков
