Определение свойств поверхностного слоя стали по фону внутреннего трения Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решаем эти уравнения:

г

Ах = Дх(0) • е т;

г

Ду = Ду(0) • еТ .

По условию при г = т должно выполняться соотношение:

8 = -^ = -Ду— = 0,001, отсюда Т = —— =---------= 0,297с.

Дх(0) Ду (0) 1п8 1п 0,001

Литература

1. Фалалеева, Р.В. Механика машин и манипуляторов / Р.В. Фалалеева И.А. Канунник. - Красноярск, 1991.

2. Канунник, И.А. Механика роботов и манипуляторов / И.А. Канунник, Р.В. Фалалеева. - Красноярск, 1996.

---------♦'-----------

УДК 621.9 Д.А. Маринушкин, А.С. Щелканов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ ПО ФОНУ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ

В статье рассмотрены вопросы по использованию динамического метода и фона внутреннего трения для оценки изменения физико-механических свойств поверхностных слоев сталей при трении.

Определение свойств тонкого поверхностного слоя закаленных сталей связано с трудностями экспериментального характера. Известно [1-3], что физико-механические свойства поверхностного слоя значительно отличаются от объемных свойств материалов. Считается, что контакт реальных поверхностей деталей узлов машин происходит в пределах упругих деформаций. Учитывая эффект Ребиндера, возможные релаксационные и тепловые процессы, а также шероховатость поверхности, упругость тонких поверхностных слоев является достаточно условной. Поэтому использование теории Герца для описания напряженного деформированного состояния в контакте возможно с некоторыми оговорками.

Во-первых, упругий контакт может быть реализован после определенного числа циклов нагружения. Во-вторых, пластические деформации выступов шероховатостей заканчиваются в период приработки. В-третьих, объемные температуры в зоне контакта таковы, что их влиянием на структурное состояние поверхностного слоя можно пренебречь.

Динамическое нагружение поверхности рассматривается на примере удара закаленного шарика из стали ШХ 15 по закаленной плоской поверхности из стали 45 твердостью по HRc 54 единиц. При этом предполагается, что динамические нагрузки не превышают предела текучести и масса шарика много меньше массы ударяемого тела (1гн<<1Т12). Скорости соударения таковы, что волновыми явлениями можно пренебречь. Связь между силой и упругой деформацией может быть принята [4-5] как

Г = кх е3/2, (1)

где к - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства контактирующих пар и их геометрические параметры;

£ - упругая деформация площадки контакта.

В соответствии с законом Ньютона

т • £ = Г. (2)

Подставляя в выражение (2) значение силы F, имеем:

£ =— • к • £ 3 т,

(3)

Интегрируя уравнение (3) по £ при начальных условиях, £0 = У0, £о = 0, получим:

2

2 1

• (££2 - У02) = -- ------к • £5/2 ■

5 т,

(4)

Здесь Уо - скорость шарика в момент касания с плоскостью. Из формулы (4) следует, что максимальная упругая деформация будет при £0 = 0, т.е.

£ =

тах

г 5 • т •у,2 Л5/2 V 4 • к ,

(5)

Принимая к = — • • 1

3п (1-м-2) , I1 -М-2

и подставляя в выражение (5), имеем

Е1

Е2

1

£ =

тах

15п- т1 • У02

(1 - м) + (1 - )

Е

Е

16 4^1

(6)

где И- - радиус шарика; Е- и Е2 - модули упругости шарика и контртела соответственно; р- и ^2 - коэф-

фициенты Пуассона.

Потенциальная энергия за время первого периода удара определяется работой силы удара Fmax на перемещении £тах. Второй этап удара сопровождается восстановлением упругодеформированного объема и переходом потенциальной энергии упругой деформации в кинетическую энергию отскока шара. При этом шар не возвращается на исходную высоту по причине потерь энергии упругой деформации на трение в контакте, рассеяние в виде тепловой энергии и энергии, поглощенной в упругодеформированном объеме. При малом радиусе шара потери на трение при сжатии малы и ими можно пренебречь [6].

Потери энергии при упругом деформировании в результате теплообразования составляют не более 1,5 + 2%. Наибольшие потери энергии связаны с внутренним трением, возникающим при нагружении и разгрузке упругодеформированного объема, и в значительной мере зависящего от времени нагружения, которое может быть определено интегрированием уравнения (3) по времени.

г = 45 •

гуд

(1

Е

м! )+(1

Е

(*1 • Уо )1/2

тл

(7)

)

Внутреннее трение в объеме металла может быть оценено величиной фона внутреннего трения в амплитудно-независимой области, который определяется комплексом процессов, происходящих в поверхностном слое при упругом ударе. Добротность поверхностного слоя можно представить следующей зависимостью [7].

й

п-к ■ / -10

(8)

1п

к

і

V к1+1 У

Здесь !- частота соударений, определяемая по времени удара, с-1; к - множитель, кратный числу отскоков; ^ и hм - предыдущая и последующая высоты отскока шарика. Величина обратная добротности представляет собой фон внутреннего трения Q-1.

В основе методики расчета внутреннего трения лежит теория затухающих колебаний [7-8]. На рис. 1 представлена зависимость затухающих колебаний, строящаяся по экспериментальным данным, логарифмический декремент которой:

8 = 1п

Л

п

Л

V П+1

= п,

п+1

(9)

где п - коэффициент, характеризующий свойства материала.

Между логарифмическим декрементом и внутренним трением существует связь:

-і

Следовательно

п =

й-1 -п

(10)

где ґ = ґ + ґ - время спуска и подъема.

-пґ

п

е

ґ

ґ

Рис. 1. Развертка затухающих колебаний

Теоретические расчеты показывают, что основная часть кинетической энергии падающего шарика затрачивается на упругую деформацию поверхностного слоя, на глубину расчетной величины перемещения. Следовательно, потери потенциальной энергии определяются не только рассеянием, но и поглощением в структуре материала.

Испытания по определению внутреннего трения углеродистых сталей динамическим методом проводились на установке, представленной на рис. 2.

На основании 8 крепится опорная платформа 5. В резьбовые отверстия платформы вкручиваются винты 4, на них расположена пластина, на которую устанавливается образец. Путем вкручивания винтов

осуществляется горизонтальность образца. Для избежания нарушения горизонтальности образца винты фиксируются контргайками 6.

Регулирование высоты сброса шарика 13 осуществляется путем перемещения кронштейна 3 по направляющей 7, после установки высоты положение фиксируется винтом 2. Направляющая устанавливается в стакан 10, который жестко закреплен в основании контргайками 9 и фиксируется болтом 11. С помощью груши с трубкой 15, закрепленной в крепеже 14, удерживается шарик в исходном положении.

Материал шарика диаметром 4 мм и массой до 0,001 г изготовлен из стали ШХ 15 твердостью HRc 64.

Испытуемые образцы размерами 20x28 мм2 и толщиной 4 мм изготовлены из стали 45 твердостью HRc 54. Данные образцы имели шероховатость классов 4-8.

Выбор размеров контактирующих тел был сделан из условия, что масса ударника должна быть много меньше массы ударяемого тела [5].

14 15

Рис. 2. Установка для исследования внутреннего трения динамическим методом

Высота сброса стального шарика составляла 150 мм, выбранная таким образом, чтобы максимальная сила удара не приводила к возникновению пластических деформаций.

Следы пластической деформации при ударе шарика наблюдаются на образцах 4-6 класса шероховатости. Начиная с 7-го класса шероховатости, следов макропластической деформации не наблюдается, поэтому при испытаниях был выбран 9-й класс шероховатости. Изучение свойств поверхностного слоя динамическим методом при трении-скольжении оценивали на цилиндрических образцах диаметром 28 мм и высотой 48 мм, изготовленных из стали ШХ 15 твердостью HRc 62 (рис. 3).

Перед испытаниями образцы имели 9-й класс шероховатости. Исследования проведены в режиме граничного трения при нагрузке Р = 300 Н и при смазочном материале Литол-24.

Измерение фона внутреннего трения производили на трех образцах с интервалом времени 15 минут. Суммарное время испытаний на трение скольжение составило 60 минут.

Полученные данные приведены на рис. 3, из которого следует, что с увеличением времени испытаний величина фона внутреннего трения измеренного динамическим методом возрастает. При этом наблюдается нелинейная зависимость фона от времени, которая находится в хорошем согласии с динамикой структурного изменения поверхности при трении [1-2].

На рис. 4 показаны фотографии изношенных поверхностей в исходном состоянии и после испытания на трение скольжения в течение 30 и 60 минут. Измеренная шероховатость образцов практически не изменилась и в среднем составила Rzср = 1,6 мкм, что соответствует 9 классу шероховатости.

Таким образом, проведенные исследования показали, что данный метод можно использовать для оценки изменения поверхностных свойств деталей, работающих в условиях циклического нагружения.

дио-3

0,4 0,3 0,2

0,1

15 30 45 Тшп, час

Рис. 3. Зависимость фона внутреннего трения от времени износа

Рис. 4. Шероховатость поверхности цилиндрических образцов из стали ШХ15: а) - до износа; б) - после 30 мин испытаний; в) - после 60 мин испытаний

Литература

1. Поверхностная прочность материалов при трении / под ред. Б.И. Костецкого. - М.: Техника, 1976. - 296 с.

2. Крагельский, И.В. Трение и износ / И.В. Крагельский. - М.: Машиностроение, 1968. - 478 с.

3. Рыбакова, Л.М. Структура и износостойкость металла / Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенова. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

4. Динник, А.Н. Удар и сжатие упругих тел / А.Н. Динник // Избр. тр. АН ЦССР. - Киев, 1952. - 152 с.

5. Александров, Е.В. Прикладная теория и расчеты ударных систем / Е.В. Александров, В.Б. Соколинский. - М.: Наука, 1969. - 198 с.

6. Маклинток, Ф. Деформация и разрушение материалов: пер. с англ. / Ф. Маклинток, А. Аргон. - М., 1970. - 433 с.

7. Постников, В.С. Внутреннее трение в металлах / В.С. Постников. - М.: Металлургия, 1974. - 350 с.

8. Криштал, М.А Внутреннее трение в металлах и сплавах / М.А. Криштал. - М.: Металлургия, 1964 - 254 с.