Оценка точности прогнозирования коэффициентов трения многокомпонентных композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 661.666.4

Б01: 10.15587/2313-8416.2017.88681

ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

© В. О. Скачков, О. Р. Бережна, О. С. Воденникова

Разработана методика прогнозирования коэффициентов трения многокомпонентных композиционных материалов. Представлены расчетные и экспериментальные значения триботехнических характеристик углерод - алюминиевых, металло-керамических и бронз-фторопластовых композиционных материалов. Установлено максимальное отклонение расчетных и экспериментальных значений коэффициентов трения, которое составляет 12 %

Ключеые слова: композиционный материал, прогнозирование, коэффициент трения, триботехнические характеристики, давление, пористость, скорость скольжения

ТЕХН1ЧН1 НАУКИ

1. Введение

Создание триботехнических материалов с широким диапазоном значений коэффициентов трения возможно на основе многокомпонентных композитов. Из многообразия компонентов композита появляется возможность получения материалов с требуемыми триботехническими характеристиками. Эффективность получения требуемых композиционных материалов впрямую зависит от точности методов прогнозирования коэффициентов трения и интенсивности износа.

Решение задачи прогнозирования триботехни-ческих характеристик композиционных материалов является актуальной задачей, особенно, в направлении разработки структур и подбора компонентов композита с известными механическими и триботех-ническими характеристиками.

2. Литературный обзор

Известны триботехнические композиционные материалы на основе карбида кремния [1], политетрафторэтилена [2], спеченных порошков титана [3], медных сплавов [4] нитрида бора [5], малонаполнен-ного фенилона [6]. В работах [7, 8] предложена модель расчета коэффициентов трения многокомпонентных композиционных материалов. Авторы предлагают микроструктурный подход, в котором учитываются расположение компонентов композита, их упругие и прочностные характеристики, коэффициенты трения.

Аналогичные подходы были предложены для математических методов моделирования процессов трения [9, 10]. В работах показано, что износ материала соответствует усталостному разрушению, которое характеризуется процессом накопления микроструктурных разрушений с учетом коэффициентов линейного термического расширения отдельных компонентов композита.

Процессы прогнозирования и расчета основных служебных характеристик, в частности износа материалов, при проектировании новых типов машин, позволяют выявить требования к физико-механическим свойствам узлов трения с учетом заданных условий роботы. При этом можно научно обосновано подбирать материалы и расчетным путем определять ресурс машин еще на стадии проектирования без долгосрочных и дорогостоящих испытаний.

Авторы работ [11, 12] подошли к моделированию процессов износа многокомпонентного композиционного материала с точки зрения решения статической задачи микромеханики композитов.

Прогнозирование коэффициента трения реальных КМ предложено в работе [13], предложенный подход базируется на предположении, что сила трения многофазных материалов определяется не только коэффициентами трения отдельных фаз и их соотношением на поверхности трения, но и коэффициентами распределения нагрузки между фазами. Однако если частицы наполнителя выкрашиваются в процессе трения, образуя в контактной зоне третье тело, содержащее хрупкие включения, то расчет коэффициентов трения носит искаженный характер.

3. Цель и задачи исследования

Цель работы - на основе моделирования многокомпонентных композиционных материалов средой класса В2, в котором вводятся элементы первого и второго порядка малости, разработать методику прогнозирования коэффициентов трения и дать оценку его точности методом сравнения с экспериментальными данными.

Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

1. Для многокомпонентных композиционных материалов на основе углерода, порошков алюминия

и бронзы, оксидов алюминия и циркония, карбида титана рассчитать значения коэффициентов трения.

2. Дать оценку точности проведенных расчетов путем сравнения с экспериментальными данными

4. Разработка методики прогнозирования коэффициентов трения

В зоне трения каждый компонент многокомпонентных композиционных материалов формирует индивидуальную силу трения.

В этом случае сила трения на единичной площадке трения будет иметь случайный характер и определяется по формуле:

F = V Я ■ Fi

тп / j i тр

(1)

где Етр, ^ - случайные силы трения композита и /го компонента соответственно; X, - случайная индикаторная функция 1-го компонента [14]; N - число компонентов.

В соотношении (1) случайная сила ^ на единичной площадке определяется:

Р'тр = к, , (2)

где к, - коэффициент трения /-го компонента; -случайное контактное напряжение /-го компонента в зоне трения.

Усредняя соотношение (1) с учетом выражения (2), будем иметь:

Fmp =Е<Я >■< к1 >■<& > ,

где <.. .> - оператор статистического осреднения.

(3)

Среднее значение контактного напряжения для /-го компонента можно вычислить с использованием известной формулы [14]:

(л-4)

" Я

(4)

где ац - среднее контактное напряжение в зоне треп

ния; X = X- < X > - пульсация индикаторной функ-

п

ции; ^ =£.-< <Ц. > - пульсация случайного напряжения ьго компонента композита.

Учитывая соотношение (4), силу трения в зоне скольжения можно рассчитать как:

< Fmp >=Х<Я >^< ki

1 +

11 > < Я>аи

(5)

Определяя коэффициент трения как отношение силы трения к величине нормального усилия, из уравнения (5) получаем:

ктр = Х <Я >^< ki

1 +

< Я > а,

(6)

5. Экспериментальные исследования

Для оценки точности расчётов по формуле (6) методом горячего прессования изготовлено четыре партии углерод-алюминиевых композиционных материалов. Давление прессования составляло 25,5 МПа, температура пресса - 450±20 °С.

Показатели индивидуальных характеристик компонентов приводятся в табл. 1, а состав полученных композиционных материалов и их триботехни-ческие характеристики в табл. 2.

i=i

i=1

i=1

i=1

Таблица 1

Показатели индивидуальных характеристик исходных компонентов углерод-алюминиевых композиционных ___материалов___

Материал Давление, МПа Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона Коэффициент трения

Чешуйчатый графит 0,5 6,0 0,20 0,04

2,5 0,05

3,5 0,05

Графит 0,5 8,5 0,24 0,10

2,5 0,11

3,5 0,12

Глинозём 0,5 374 0,22 0,17

2,5 0,18

3,5 0,18

Л1-И пудра 0,5 302 0,22 0,08

2,5 0,09

3,5 0,09

Никель 0,5 210 0,23 0,13

2,5 0,13

3,5 0,13

Л1-й порошок 0,5 71 0,25 0,24

2,5 0,24

3,5 0,26

Карбид титана 0,5 320 0,25 0,25

2,5 0,25

3,5 0,26

Таблица 2

Состав углерод-алюминиевых композитов и их триботехнические характеристики_

№ партии образцов Состав, % объемн. НВ, МПа Давление, МПа Коэффициент т] рения

ЧГ Г ПАВ ПА Ai2Ü3 TiC Среднее значение Коэф-т вариации Расчёт Опыт Погрешность, %

1 10 75 15 - - - 778 0,04 0,5 2,5 3,5 0,108 0,110 0,118 0,11 0,10 0,11 1,8 10,0 7,3

2 15 30 40 15 - - 1326 0,07 0,5 2,5 3,5 0,111 0,116 0,122 0,12 0,13 0,13 7,5 10,8 6,2

3 15 - - 25 60 - 840 0,07 0,5 2,5 3,5 0,308 0,330 0,330 0,29 0,31 0,32 6,2 6,5 3,1

4 23 23 - 15,5 - 38,5 2918 0,11 0,5 2,5 3,5 0,251 0,255 0,264 0,26 0,27 0,26 3.5 5.6 1,5

Из анализа табл. 2 следует, что отклонение расчётных данных по формуле (6) и экспериментальных данных находится в пределах 11 %. Такое отклонение вполне допустимо для реализации инженерных расчётов.

В работах [3, 4] предложены экспериментальные значения коэффициентов трения металлокера-мических и пористых двухкомпонентных композитов. В табл. 3 представлены характеристики индивидуальных компонентов композита.

Таблица 3

Индивидуальные характеристики компонентов композита

Компонент Условия трения Модуль Юнга, Коэффициент Коэффициент

Р, МПа V, м/сек ГПа Пуассона трения

Титанмагниевый сплав 1 2 120 0,32 0,15

Карбид циркония 1 2 412 0,30 0,50

Бронза 2 1 100 0,33 0,14

4 1 100 0,33 0,16

Фторопласт (Ф4) 2 1 0,41 0,30 0,04

4 1 0,41 0.30 0,08

На рис. 1 представлены расчётные и экспериментальные данные коэффициентов трения двухком-понентного композита на основе титанмагниевого сплава и карбида циркония для давления 1,0 МПа и скорости относительного скольжения 2 м/сек.

Максимальное отклонение расчётных и экспериментальных значений коэффициента трения не превышает 12 %.

0.4

к

| 0.35

ш

О- 0.3

х 0.25

о>

3- 0.2 % 0.15 | 0.1 0.05

0 5 10 15 20 25 30 35 40

ZrC, об.%

Рис. 1. Влияние объёмной концентрации 2гС на коэффициенты трения:--расчётные данные;

• - экспериментальные данные [3]

На рис. 2 представлена зависимость коэффициента трения пористых образцов из бронзового порошка, пропитанных фторопластом Ф4, от уровня пористости для давления 2 и 4 МПа.

0,3

К

ас о 0,25

н

н 0,2

о

и s 0,15

■fr 0,1

о

0,05

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

2 МП I

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Пористость, %

а

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Пористость, %

б

Рис. 2. Влияние пористости образцов бронзы, пропитанных фторопластом, на коэффициенты трения: а - при давлении 2МПа; б - при давлении 4МПа;

--расчётные данные; • - экспериментальные

данные [4]

4 МПа

При уровне пористости 30 % превышение расчётных значений коэффициента трения над экспериментальными составляет 9 %. При пористости 70 % экспериментальные значения коэффициентов трения выше расчётных на 37 %. Такое отклонение возможно объяснить не полным заполнением крупных макроскопических пор низкомодульным фторопластом Ф4.

5. Результаты исследования

Для углерод-алюминиевых композиционных материалов расчетные значения коэффициентов трения отклоняются от экпериментальных не более 10,8 %.

Экспериментальные значения коэффициентов трения для углеродных композитов с включением компонентов из оксида алюминия отличаются от расчетных не более 6,5 %.

Наибольшее отклонение расчетных и экспериментальных значений коэффициентов трения достигают 37 % для пористых бронзо-фторопластовых композитов. Такое отклонение связано с наличием

объема пор, которые не заполнены компонентом из фторопласта.

6. Выводы

Разработана методика прогнозирования коэффициентов трения для многокомпонентных композиционных материалов. Сравнительный анализ расчетных, полученных по разработанной методике, и экспериментальных значений коэффициентов трения показал, что их отклонение составляет не более 11 %.

Определены расчетные и экспериментальные значения коэффициентов трения углерод-алюминиевых композитов с использованием оксидных и карбидных компонентов. Разница расчетных и экпери-ментальных значений составляет не более 10,8 %.

Предложенный подход позволяет по исходным данным известных компонентов формировать новую структуру композита, обеспечивающую требуемые триботехнические характеристики.

Литература

1. Кольцова, Я. I. Склокерамiчнi матерiали триботехшчного призначення на оснж карб^ кремню [Текст]: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук / Я. I. Кольцова. - Украшський державний х1мжо-технолопчний утверситет. - Дншропет-ровськ, 2001. - 19 с.

2. Петрова, П. Н. Разработка машиностроительных триботехнисческих материалов на основе политетрафторэтилена и природных цеолитов якутских месторождений [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / П. Н. Петрова. - Якутск, 2002. - 168 с.

3. Францевич, И. Н. Антифрикционные композиции на основе спечённого титана [Текст] / И. Н. Францевич, Д. М. Карпинос, Л. И. Тучинский, Л. Ф. Колесниченко, А. И. Юга, А. Б. Сапожников, Л. Р. Вишняков // Порошковая металлургия. - 1978. - № 1. - С. 61-65.

4. Ненахов, А. В. Триботехнические характеристики материалов на основе бронзы для малогабаритных узлов трения [Текст] / А. В. Ненахов, А. Г. Косторнов // Порошковая металлургия. - 2003. - T. 7, № 8. - С. 60-64.

5. Найдич, Ю. В. Триботехнические свойства сверхтвёрдых материалов на основе нитрида бора в контакте с твёрдыми сплавами [Текст] / Ю. В. Найдич, А. Г. Косторнов, А. А. Адамовский, В. Т. Варченко, А. Д. Костенко // Порошковая металлургия. - 2011. - T. 5, № 6. - С. 105-112.

6. Буря, А. И. Исследование эксплуатационных характеристик малонаполненного фенилона [Текст] / А. И. Буря, Н. Т. Арламова, А. А. Буря, В. В. Ильюшенок, И. Н. Черский // Трение и износ. - 1997. - T. 18, № 5. - С. 655-662.

7. Скачков, В. А. Микроструктурный подход к прогнозированию триботехнических характеристик многокомпонентных композитов [Текст]: тр. междун. конф. / В. А. Скачков, В. И. Иванов. - Самара: СТУ, 2007. - Т. 3. - С. 472-473.

8. Самарский, А. А. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры [Текст] / А. А. Самарский, А. Г. Михайлов. - М.: Физматлит, 2001. - 320 с.

9. Майер, Р. В. Компьютерное моделирование физических явлений [Текст]: монография / Р. В. Майер. - Глазов: ГГПИ, 2009. - 112 с.

10. Скачков, В. А. Исследование процесса износа фрикционных изделий на основе композитов [Текст]: межд. научн.-практ. конф. / В. А. Скачков, В. И. Иванов, В. М. Печенникова // Наука в информационном пространствe. - 2010. -Т. 1. - С. 87-89.

11. Nikitin, Yu. A. Technological aspects of creation lightweight composite materials for aerospace applications [Теxt] / Yu. A. Nikitin, V. V. Zaporozhets // Problems of friction and wear. - 2008. - Vol. 50. - P. 149-156.

12. Axen, N. Analysis of abrasive wear and friction behaviour of compositer [Теxt] / N. Axen, I. M. Hutchings // Materials Science and Technology. - 1996. - Vol. 12, Issue 9. - Р. 757-765. doi: 10.1179/026708396790122413

13. Богачев, И. Н. Введение в статистическое металловедение [Текст] / И. Н. Богачев, А. А. Вайнштейн, С. Д. Волков. - М.: Металлургия, 1972. - 216 с.

14. Волков, С. Д. Статистическая механика композиционных материалов [Текст] / С. Д. Волков, В. П. Ставров. -Минск: БГУ, 1978. - 206 с.

Рекомендовано до публжацп д-р техн. наук, професор Критська Т. В.

Дата надходження рукопису 16.12.2016

Скачков Виктор Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургии, Запорожская государственная инженерная академия, пр. Соборный, 226, г. Запорожье, Украина, 69006 E-mail: vaskachkov@ukr.net

Бережная Ольга Руслановна, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургии, Запорожская государственная инженерная академия, пр. Соборный, 226, г. Запорожье, Украина, 69006 E-mail: berolgar@ukr.net

Воденникова Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургии, Запорожская государственная инженерная академия, пр. Соборный, 226, г. Запорожье, Украина, 69006 E-mail: colourmet@zgia.zp.ua