CC BY
107
УДК 631.3.235.036
В.й. Молчанов (Орел, ОрелГАУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ (ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ)
Приведены экспериментально-расчётные результаты определения характеры-стик трещиностойкости капролоновых зубьев червячных колёс редуктора 480-20.
Разрушение капролоновых зубьев червячных колёс является сложным, многоэтапным и многокритериальным процессом.
Первой стадией рассматриваемого процесса является прирабагывае-мость пары сталь - капролон продолжительностью 16 ч, когда трещины ещё нет, но концентрация напряжений и выделение водорода на растянутой стороне переходной поверхности у основания капролонового зуба уже происходят. Капролон в основном является высокоэластичным материалом при Г >ТС= 318 К, где Тс - температура его стеклования. Эта особенность прямо вытекает из того, что он имеет большие (цепные), т.е. длинные и гибкие молекулы с расстояниями между цепями 0,3-0,4 нм. Одной из причин гибкости молекул является их длина, но главная причина гибкости молекулы - некоторая свобода внутреннего вращения атомов основной цепи при сохранении валентного угла. Степень этой гибкости определяется химическим составом и расположением атомов в молекуле полимера. Из этого вытекает способность капролона к значительным удлинениям, так как длинная свернутая молекула способна распрямляться за счет гибкости цепи без разрывов; большую деформацию могут вызвать малые силы, потому что происходит изгибание цепи, а не увеличение расстояний между атомами, составляющих всего 0,1-0,15 нм. В результате энергия химической (валентной) связи составляет для капролона 364-462 кДж/моль, а физической (водородной) всего 26-33 кДж/моль.
Вторая стадия - интенсивное выделение водорода в зоне трения из смазочного материала и капролона в результате трибохимической реакции. Термическая деструкция капролона сопровождается окислением, она вызывает интенсивное изменение его свойств, снижение прочности и носит название термоокислительной деструкции. Процесс начинается с отрыва водорода от метиленовой группы и происходит по схеме:
/Л
К-СНг-т-СО-Я' ->Я-СЯ-Ш-СО-Д'—^К-СН-ИН-СО-Я' ->
ООН о. он
-*я-сн-мн-со-я1 -»д-ся-лщ’-сс?-л/ ->/г-ся-лгя-со-л' ->
-»д - с!10 + мн2 - с,/0
'» 2 V
Энергия активации при термодеструкции капролона составляет 180 кДж/моль. При протекании цепной реакции атомарный водород ока-
зывается агентом-переносчиком, он активен и инициирует разложение органической молекулы. После разложения молекулы капролона водород молизуется, и в дальнейшем уже менее активная молекула водорода входит в состав других продуктов как примесь.
Третья стадия - концентрация водорода в зоне переходной поверхности у основания зуба вследствие наличия растягивающих напряжений и осуществление в ней водородного охрупчивания. При этом зарождается очаг разрушения и начинает развиваться только одна трещина с характерной для начальной стадии «шероховатой» зоной из-за разрыва образовавшихся ранее микротяжей. Движение трещины сначала происходит в плоскости, перпендикулярной к направлению действия приложенной нагрузки, а затем она менят это направление, ориентируясь на менее прочные аморфные участки полимера. Согласно адсорбционной гипотезе разрушающее напряжение снижается пропорционально росту концентрации водорода вследствие уменьшения поверхностной энергии на ус в известной формуле Журкова, т.е. внутри трещины водород действует как поверхностно-активное вещество. Структурно-чувствительный коэффициент для капролона у = 0,67- 107 Дж/(кмоль МПа) получен по результатам испытаний червячных пар с колёсами из капролона. Кроме того, водород под действием температурного градиента диффундирует в глубь трещины, там концентрируется и вызывает охрупчивание поверхностных слоев. Распространение трещины по всему основанию зуба вследствие созданной новой необратимой благоприятной структуры полимера завершает четвертый акт разрушения.
Последний, пятый этап разрушения - раскрытие трещины, т.е. отделение зуба от обода колеса, происходит в момент преодоления сил взаимодействия вдоль молекулярных цепей (рвутся валентные связи) за счёт сложения действующих напряжений и от молизаоти атомарного водорода, поступившего в трещину. Водород не имеет возможности выйти обратно при уменьшении объёма, стремится расширить полость, создавая высокое напряжение. Повторение цикла вызывает эффект накопления, продолжающийся до тех пор, пока внутреннее давление в трещине не вызовет разрушения капролона по аморфной части. Чаще всего наблюдается излом группы зубьев при ЫгЕ= 1,15-106, а = 27 МПа и Т - 341 К. Зарождение усталостной трещины и излом группы капролоновых зубьев червячного колеса редуктора 480-20 приведены на рисунке.
По результатам испытаний червячных пар Сталь 40Х - капролон В определены основные характеристики трещиностойкости согласно ГОСТ 25.506-85: силовые (критические коэффициенты интенсивности напряжений), деформационная (раскрытие в вершине трещины) и энергетическая (критический .Г-интеграл).
б
Зарождение усталостной трещины (а) и излом группы капролоновых зубьев (6) червячного колеса редуктора 480-20
В формулах для расчёта использованы следующие обозначения и значения:
о - растягивающее напряжение для трещины отрыва, а = 85 МПа;
\0 - исходная длина трещины, согласно ТУ 6-05-988-87 /о < 1,0 мм, принято для расчёта 10~ 1 мм;
1,н - длина трещины, учитывающая поправку гу на пластическую деформацию у вершины трещины: /,Л = 10 + гу; с учётом поправки Ирвина при объёмном напряжённом состоянии можно принять 10 ~ гу = 1 мм, тогда /й=1 + 1 =2 мм;
//с - критическая длина трещины отрыва, замеренная непосредственно на капролоновом зубе перед его изломом, /* = 12 мм;
\и - коэффициент Пуассона, для капролона ц = 0,4;
от-условный предел текучести, для капролона аТ~ 53 МПа;
Е - модуль упругости, для капролона Е = 2 • 103 МПа.
3 результате анализа проведённых испытаний и расчёта характеристик трещиностойкости впервые введена и определена величина критического коэффициента интенсивности охрупчивания под влиянием водорода Сно- Результаты расчёта характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) приведены в таблице.
Результаты расчёта характеристик трещиностойкости
Термин Формула для расчёта Единица измерения Величина
Критический условный коэффициент интенсивности напряжений Ч? ь >1 о * МПа -мг 4,86
Критический коэффициент интенсивности напряжений II С* 1 МПа -м2 6,74
Критический коэффициент интенсивности напряжений для трещин отрыва К,с ~ 1 МПа -м2 17,82
Раскрытие в вершине трещине при максимальной нагрузке 3 к*е( 1-Л 2<т ?Е м 0,000018
Критический I- интеграл (\~\і2 )К2 с с Е МДж/м2 0,019079
Критический коэффициент интенсивности охрупчивания под влиянием водорода Кіс К с 3,6
По результатам испытаний червячных пар Сталь 40Х-капролон В определены характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения), позволяющие более достоверно производить расчёты на прочность.
Впервые при рассмотрении вопроса усталостного разрушения полимерных зубьев объединены идеи двух теорий: термофлуктуаций и водородного охрупчивания с введением нового показателя - критического коэффициента интенсивности охрупчивания под влиянием водорода Сцо
Базовые принципы построения уравнений теории разрушения полимеров по мере накопления и обобщения экспериментальных данных создают основу для разработки структурно-аналитической теории прочности с целью решения задач инженерного плана.
Получено 23.04.08
