CC BY
166
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 4. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП с пропиткой присадки 0,05%
Рис. 5. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП с пропиткой присадки 0,15%.
Рис. 6. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП с пропиткой присадки 0,25%
Литература
1. Прокопенко А.К. Избирательный перенос в узлах трения машин бытового назначения. — М.: Легпромбытиздат, 1987. — 104 с.
2. Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект безызносности. Водородное изнашивание металлов. — М.: Изд-во МСХА, 2004. — 384 с.
УДК 620.1:621.1:539.4
Разработка и качественное исследование кинетической модели водородного охрупчивания
сталей и сплавов
П.Е. Лукашев, В.М. Юдин
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Современная техническая политика в области высокотехнологической продукции требует особого внимания к трем ее элементам [1]: 1) разработке и выпуску высокотехнологической продукции, 2) экономической составляющей политики, обеспечивающей выход данной продукции на потребительские рынки, 3) сервису продукции от стадии информирования потребителя, эксплуатационного сопровождения и далее до стадии утилизации, т.е. обеспечению полного жизненного цикла изделия [2].
Водородный износ весьма часто определяет надежность и срок службы оборудования и машин, имеющих в своем составе узлы трения [1, 3—6]. Износ, в особенности водородный износ, является наиболее существенным фактором, который должны учитывать
разработчики новой техники и специалисты, занимающиеся ее эксплуатацией и обслуживанием. Материаловедение в настоящее время является бурно развивающейся областью. Однако вовлечение новых конструкционных материалов в процесс создания новой техники, технологий диагностики и сервиса технологического оборудования зачастую сдерживается отсутствием методов испытаний в заданных условиях эксплуатации. Разработка же этих методов, в свою очередь, сдерживается отсутствием математических моделей, представляющих сложный, составной, а потому и многопараметрический процесс износа.
В работе поставлена задача изучить возможность теоретического представления водородного разрушения металлов и сплавов кинетическими моделя-
22
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
ми, построенными в работах [7, 8]. Для этого следует кратко рассмотреть основные механизмы, которые реализуются при водородном охрупчивании конструкционных сталей и сплавов [9]. Классическим примером отрицательного влияния на параметры разрушения большинства конструкционных сплавов является водородное охрупчивание высокопрочной мартенситной стали. Считается, что сложность процесса водородного охрупчивания является следствием коллективного действия многих факторов, которые влияют и на степень охрупчивания, и на его вид. Большинство из них взаимозависимы и это затрудняет и понимание, и прогнозирование эволюции металла под нагрузкой. Ухудшение механических свойств металла является не только результатом его взаимодействия с водородом. Это ухудшение может быть следствием одного или нескольких механизмов охрупчивания одновременно. Механизм, непосредственно ответственный за водородное охрупчивание, определяется скоростью переноса водорода, концентрацией и местом его локализации, способностью реагировать с металлом в местах его образования.
В настоящее время принято различать следующие механизмы:
1) взаимодействие с дислокациями,
2) взаимодействие с межатомными связями в решетке,
3) создание очагов внутреннего давления,
4) образование гидридов.
Указанные механизмы в значительной мере накладываются друг на друга. Первые два механизма проявляются в системах, где водород растворен в решетке металла, а два других —в системах, где концентрация водорода превышает предел растворимости, что приводит к образованию вторичных фаз или продуктов реакции водорода с металлом. Кроме того, допускается возможность существования и ряда других механизмов.
Основой теоретического объяснения механизма взаимодействия водорода с дислокациями является предположение, что присутствие водорода около дислокации может вызывать изменение ее подвижности. Подвижность, в свою очередь, определяет степень и характер пластичности сплава, а также характер его разрушения. Влияние водорода на дислокации может проявляться в упрочнении и в разрушении сплава. Воздействие водорода на межатомные связи решетки металла проявляется как воздействие на прочность межатомной связи в решетке матрицы. Это воздействие определяют как адсорбционный механизм охрупчивания: водород, адсорбируясь на поверхности, понижает поверхностную энергию. Это приводит к снижению затрат энергии на разрыв связей поперек кристаллографической плоскости, что обеспечивает разрушение. Аналогичные представления о воздействии водорода на межатомные связи в решетке используются для объяснения локального снижения когезивной прочности, когда водород располагается не на поверхности, а внутри решетки металла. Механизм, предполагающий
создание внутреннего давления, объясняется тем, что избыточный водород должен стремиться покинуть сплав путем перехода в молекулярное состояние на его поверхности. В соответствии с этим механизмом предполагается, что на достаточной глубине от поверхности сплава должно идти выделение молекулярного водорода на внутренних поверхностях (поверхностях раздела между включениями и решеткой металлической матрицы). Процесс водородного охрупчивания развивается как следствие образования пустот или микротрещин в объеме сплава, а также дополнительного внутреннего давления в пустотах, снижающего необходимый уровень приложенного напряжения, требующийся для их роста. При концентрации выше предела растворимости в твердой фазе водород может взаимодействовать со многими металлами, давая богатые водородом вторичные фазы —гидриды металлов. Обычно эти фазы отличаются более низкой плотностью (большим удельным объемом) по сравнению с металлом-растворителем и большей хрупкостью. Гидриды, с которыми связано охрупчивание конструкционных сплавов, относятся к переходным. Такие гидриды легко образуют не все металлы, к примеру, железо, никель, медь в твердом состоянии растворяют достаточно большое количество водорода и гидридов не образуют.
Процесс разрушения сплава в водородсодержащей среде условно делят на три стадии:
1) возникновение трещины,
2) медленное подрастание трещины,
3) ускоренный (нестабильный) рост трещины, или ускоренное разрушение.
На стадии возникновения трещины обычно требуется значительное перемещение дислокаций, или пластичность, по крайней мере, в локальных областях. Эта стадия включает зарождение и начальный рост микротрещины. Рост трещины на стадии ускоренного разрушения происходит после того, как микротрещина стала достаточно длинной и способной непрерывно удлиняться в результате химического или теплового воздействия под влиянием поля напряжений, окружающего вершину этой микротрещины.
Поле напряжений, как правило, описывается в терминах механики разрушения. Предполагается, что трещина ориентирована так, что ее плоскость перпендикулярна приложенному напряжению (тип нагружения I). В этом случае упругое поле напряжений у вершины трещины характеризуется параметром К1 — коэффициентом интенсивности напряжений:
К j = В<= == Tta/Q (1)
где ст — главное напряжение в области трещины, а — длина трещины, B и Q характеризуют форму и ориентацию трещины. Стадия ускоренного, нестабильного роста трещины наступает после того, как К1 у вершины трещины превышает некоторую критическую величину K1c :
К== = В<= ========<= (2)
23
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
где ac — критическая длина трещины, при которой начинается ускоренное, нестабильное разрушение.
На стадии медленного подрастания трещины разрушение развивается за счет стабильного роста микротрещины при уровне интенсивности напряжения ниже K1c. В химически неактивной среде стабильный, медленный рост трещины идет только в условиях циклического нагружения (рост усталостной трещины) или при повышенной температуре (рост трещины ползучести). В агрессивной (например, водородной) среде медленный рост трещины может быть результатом химического воздействия. Время, которое занимает стадия медленного, стабильного роста трещины, как правило, охватывает большую часть долговечности конструкции.
Водород способен влиять на все три стадии разрушения. Влияние водорода на процесс разрушения проявляется как результат конкуренции (по скорости развития) между «химическим» повреждением от взаимодействия металл—водород и «механическим» повреждением от воздействия приложенного напряжения. Завершающая стадия разрушения (стадия ускоренного нестабильного роста трещины) развивается как скачкообразный, внезапный или лавинообразный процесс. В то же время он уже в наименьшей степени зависит от влияния водорода. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что рост трещины в конструкционном сплаве может быть представлен в виде диаграммы, дающей зависимость скорости роста трещины (da/dt) от коэффициента K1, значение которого также есть функция a. На диаграмме фиксируются последовательно несколько участков: 1— участок, соответствующий пороговому значению интенсивности напряжения Кп, где трещина растет очень медленно (может быть назван латентным периодом); 2 — участок, где скорость роста трещины быстро увеличивается с увеличением К1 (стадия I); 3 — участок, где скорость роста трещины в достаточно широком диапазоне значений К1 почти не меняется (стадия II); 4—участок, где скорость роста трещины быстро увеличивается по мере приближения к значению К1с (стадия III). Стадия медленного подрастания трещины трактуется как конкурентное развитие химического или механического повреждения. При этом предполагается, что пороговая интенсивность напряжения отражает максимальное водородное повреждение сплава.
Считается, что очень быстрое увеличение скорости подрастания трещины выше Кп (стадия I) отражает переход к условиям, когда скорость контролируется кинетическими параметрами. После превышения величины Кп подрастание трещины интенсивно ускоряется, но успевает за процессом переноса водорода. Участок, на котором скорость подрастания трещины почти не меняется при увеличении интенсивности напряжения (стадия II), отражает контроль, обусловленный скоростью переноса водорода в область вершины трещины. Интенсивное увеличение скорости роста трещины по мере достижения значения К1с (стадия III) является результатом возрастания вклада механического по-
вреждения, вызываемого действием приложенного напряжения. Считается, что на этом участке область микроструктуры является менее восприимчивой к водородному повреждению и в большей степени подвержена разрушению за счет механической нестабильности.
Отмечается [9], что если вместо приложения постоянной нагрузки использовать циклическое нагружение, то стадия медленного подрастания трещины может стать более сложной. Считается, что знакопеременное нагружение может влиять на оба конкурирующих процесса повреждения — химический и механический. Различают два крайних случая. Первый, когда химический и механический процессы при усталости действуют независимо друг от друга, а результирующая скорость медленного подрастания трещины есть сумма двух независимых скоростей. Второй, когда существует взаимодействие между химическим и механическим процессами, а суммарный процесс становится синергетическим. Деформация у вершины трещины, порождаемая в процессе усталостного нагружения, может развиваться в пластической области, эффективный размер которой значительно меньше, чем при однонаправленном нагружении. Предполагается, что указанными факторами могут быть обусловлены повышенная острота вершины трещины, сильное влияние на механизм взаимодействия водород—металл и более интенсивный перенос водорода. В свою очередь, водород может влиять и на легкость, и на характер деформирования. Все это говорит о том, что под влиянием водорода рост усталостной трещины может принимать тот или иной характер, от замедленного до синергети-чески ускоренного.
Разрушение на стадии зарождения трещины является сложным процессом, для развития которого требуется интенсивная пластическая деформация, по крайней мере, в микрообъемах, генерирование дислокаций, нагромождающихся перед дефектами в плоскости скольжения и вызывающих образование зародышевой трещины. В свою очер--едь водород влияет на движение дислокаций, на когезивную прочность кристаллической решетки и другие факторы, поэтому он также может оказывать влияние на процесс зарождения микротрещин.
Математическому моделированию процессов разрушения конструкционных материалов посвящено много работ, результаты которых обобщены в большом числе монографий. В ряде работ [7, 8] математические модели образования, роста и перекрывания одномерных, двумерных и трехмерных трещин, развитие которых на конечных стадиях процесса приводит к нарушению сплошности материала и поэтому к его разрушению, базируются на позициях формальной химической кинетики ассоциативных реакций. Основные положения этих работ корреспондируются с современными представлениями о влиянии водорода на разрушение металлов и сплавов, рассмотренными выше. Однако указанные работы основаны на предположении, что процессы, рассматриваемые обычно как механиче-
24
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
ские, являются твердофазными или квазихимическими реакциями, ход которых может задаваться кинетическими зависимостями. Общепризнанным является то, что дефектам и вакансиям в кристалле могут быть приписаны концентрация и химический потенциал. Это же позволяет ввести для этих объектов кинетическую активность или реакционную способность, в частности, объединение вакансий и дефектов представлять как квазихимическую реакцию формирования ассоциатов, кластеров, коалесценцию или коагуляцию, приводящих к формированию в объеме материала микропоро-вой или микротрещинной структуры.
Для построения кинетической модели водородного охрупчивания используем подход, представленный в указанных выше работах [7, 8]. Влияние водорода будем представлять как дополнительную причину возникновения в конструкционном материале дефектов и вакансий, которые в дальнейшем являются причиной развития микротрещин различной геометрической конфигурации. За основу модели примем функцию накопления повреждений, отражающую заполнение потенциально возможного объема микротрещин, растущих статистически. Одна из таких функций может быть представлена в следующем виде [7, 8]
(3)
F(t)= 1 - expj- At3 Ц - ехр{- Bt2 (l - ехр{- k't 1 - exp£
где константы А и В являются сложными (составными):
напряжений : da/dt как функцию от k1 (обсуждаемые выше классические диаграммы). Поскольку k1 зависит от а и a в соответствии с (1), то при статическом нагружении при a=const или при фиксированном цикле усталостного нагружения коэффициент k1 будет функцией только одной переменной а. Эта переменная (длина трещины) в ходе роста трещины изменяется и представляет собою некоторую зависимость a=a(t). В таком случае качественный анализ результатов эксперимента, проводимый с позиций того, что в ходе роста трещины растет интенсивность напряжений, представляется неоднозначным, поскольку k1 зависит и от а, и от a. Кроме того, фиксируемые в таком виде экспериментальные результаты достаточно трудно представлять в форме некоторой модели, поскольку скорость изменения некоторой величины (da/dt) зависит от самой этой величины (а). Тем не менее, при наличии некоторой функции, представляющей собой кинетическую зависимость роста трещины во времени типа (3), имеется возможность представить теоретическую зависимость в параметрическом виде. Для случая зависимости (3) скорость роста трещины da/dt как функция времени будет иметь вид (принято a(t)=F(t))
da
dt
At2 - expf Bt2(l- expf k*t])]| expf kt}n
+ Bt 1-expf x
ы i!
x |j(i-exp{-k‘t])4-k‘texp{- k't)exp{- Bt2(l -expf k't
A =
В = n
(4)
k* — кинетическая константа для реакции первого порядка перехода центров из потенциальных в активные, дающие начало росту цепи ассоциирующихся дефектов; N*0 — исходная концентрация потенциальных центров, например, в межфазном слое между кристаллитами при t=0 ; S*0 — свободная от ассоциированных дефектов межфазная поверхность в начальный момент времени; k*R — константа, отражающая линейную скорость роста двумерного ядра —трещины (удельный поток мономерных дефектов на поверхность растущего ядра); k — константа скорости роста трехмерного ядра на стадии формирования «гиббсовского» зародыша, т.е. перехода из класса i в класс i+1; p — число стадий. необходимых для формирования «гиббсовского» зародыша; kR — константа скорости линейного роста трехмерного ядра после стадии формирования «гиббсовского» зародыша; V0 — некоторый исходный характеристический объем, представляющий собою часть объема межфазного слоя между кристаллитами, который потенциально может быть заполнен микропо-ровой структурой; р — доля поверхности, занятой двумерными растущими ядрами, на которых могут формироваться трехмерные ядра.
Результаты экспериментов по водородному охрупчиванию часто представляют как зависимости скорости роста трещины от коэффициента интенсивности
Ц - ехр{- Bt2 (l - ехр{- k't]
1-exp
1=0 11
x exp-
At3 Ц - exp {- Bt2 (l - exp ^ k't j)||x
1 - exp {■ kt Ц J
(5)
Зависимость (5) может быть проиллюстрирована параметрическим заданием в координатах da/dt—Va. Однако это будет отвечать развитию одного процесса. В нашей задаче модель должна отражать взаимовлияние двух кинетических процессов, имеющих разные скорости, причем эта зависимость должна отражать следующие закономерности: один процесс непосредственно влияет на другой и наоборот, накопление результата одного процесса влияет на протекание другого и наоборот. Такую зависимость можно предварительно задать, используя логику построения мультипликативных кинетических зависимостей, как произведение функций типа (3) с последующим вычислением скорости обобщенного процесса как функции времени.
Качественное исследование построенных таким способом закономерностей проиллюстрировано рис.1-6 (на этих рисунках ln(da\dt) обозначено n(t), а k1 задан в форме Va обозначен 0(t); дополнительно в формулу (3) перед первой экспонентой входит множитель b0 как параметр, отражающий начальную активацию материала; кинетические параметры имеют индексы, соответствующие первому и второму процессам k1=1; на всех рисунках параметр для первого и второго про-
25
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
цессов имеет значение p=3).
Рис. 1а. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=1; b02=1; A=0,1; A2=1; B=0,1; B=1; k’=0,1; k\=1 k==0,1; k2=1
Результаты расчета, представленные на рис. 1, показывают, что начальная активация материала (химическая и механическая) сильно влияет на характер зависимости n(t)-0(t). Небольшое уменьшение параметра b0(b01 и b02) для первого и второго процессов приводит к тому, что латентная, не фиксируемая на диаграмме стадия зарождения и медленного роста микротрещин, увеличивается. Кроме того, на этой зависимости (рис. 1.б) проявляется стадия почти постоянной скорости роста микротрещин с характерным минимумом. Подобные минимумы фиксируются экспериментально, но, по-видимому, в силу отсутствия объяснения их появления их обычно сглаживают, например, рис. 30 [9, с. 301]. Этот минимум характеризует взаимовлияние двух кинетических процессов и проявляется тогда, когда один процесс уже завершен, т.е. скорость роста микротрещин по этому механизму исчерпала свой ресурс, а процесс роста микротрещин по другому механизму находится в латентной стадии. Исчерпание ресурса роста микротрещин объясняется конструкцией модели, в которую входит стадия перекрывания микротрещин. Это дает эффект «насыщения» по данному механизму.
На рис. 2 прослеживается влияние параметра А1 на характер зависимости n(t)-0(t). Увеличение этого параметра приводит к тому, что минимум становится менее глубоким, те. при А1=10 (рис. 2в) фиксируется практически только стадия постоянной скорости роста микротрещин. Поскольку константа А1 является составной,
Рис. 1б. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=0,1; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k2=1
то такое изменение характера процесса может быть связано с изменением исходной структуры материала (значения S*0 , V0), а также с увеличением скорости роста трехмерных ядер поровой структуры (kR).
Сравнение рис. 3б, 3в и 3г с рис. 3а показывает, что увеличение констант B1, k*1 и k1, отражающее увеличение скорости соответствующих процессов, приводит к тому, что стадия постоянной скорости роста практически не проявляется. Аналогичная ситуация проявляется при уменьшении параметра А2 (рис. 4). Те же изменения характера зависимости n(t)-0(t), происходящие при уменьшении параметров B2, k*2 и k2, показаны на рис. 5.
Продолжительность латентного периода роста микротрещиной структуры, которая обычно фиксируется значением параметра КП, сильно зависит от значения параметра b02 при постоянном значении b01. Это продемонстрировано на рис. 6. На данном рисунке фиксируется ситуация, когда первый процесс практически не проявляется.
Характер зависимости n(t)-0(t) изменяется при изменении любого из кинетических параметров математической модели, включая параметр р.
В силу конструкции кинетической модели статистически растущих микротрещин, которые на конечных стадиях перекрываются, что вызывает уменьшение суммарного прироста скорости роста, модель имеет ограничения. Они заключаются в том, что перекрыва-
26
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 2а (1б). Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=0,1; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k1 =0,1; k2=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k2=1
Рис. 2.б. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=1; A=1; B=0,1; B,=1; k’=0,1; k'2=1 k=0,1; k2=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A2=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k'2=1 k=0,1; k=1
27
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 3б. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k =0,1; k2=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,2; k2=1
Рис. 3в. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=1; k’=1 k=0,1; k=1
ста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k'2=1 k=0,1; k=1
28
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 4б. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b0=0,99; A=10; A=0,1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k.1 =0,1; k2=1
Сравнение рис. 3б, 3в и 3гс рис. 3а показывает, что увеличение констант B1, k*1 и k1, отражающее увеличение скорости соответствующих процессов, приводит к тому, что стадия постоянной скорости роста практически не проявляется. Аналогичная ситуация проявляется при уменьшении параметра А2 (рис. 4). Те же изменения характера зависимости n(t)-e(t),^ происходящие при уменьшении параметров B2, k*2 и k2, показаны на рис. 5.
Продолжительность латентного периода роста микротрещиной структуры, которая обычно фиксируется значением параметра КП, сильно зависит от значения параметра b02 при постоянном значении b01. Это продемонстрировано на рис. 6. На данном рисунке фиксируется ситуация, когда первый процесс практически не проявляется.
Характер зависимости n(t)-0(t) изменяется при изменении любого из кинетических параметров математической модели, включая параметр р.
В силу конструкции кинетической модели статистически растущих микротрещин, которые на конечных стадиях перекрываются, что вызывает уменьшение суммарного прироста скорости роста, модель имеет ограничения. Они заключаются в том, что перекрывание микротрещин приводит к нарушению сплошности материала и, соответственно к его разрушению. Это приводит к тому, что на конечных стадиях разрушения значительная скорость роста трещин достигнута быть не может. Однако в некоторых эксперименталь-
ных данных этот процесс фиксируется. Для этих случаев модель должна быть переформулирована, но, по-видимому, при этом могут быть использованы те же самые принципы построения, это может быть провере-
сти роста трещины при следующих значениях кинетических параметров:
b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B=1; k’=0,1; k'=1 k=0,1; k=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01 =0,99; b02=0,99; A1=10; A=1; B=0,1; B2=0,1; k'=0,1; k'=1 k=0,1; k2=1
29
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИИ СЕРВИСА
Рис. 5в. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=0,1 k1=0,1; k2=1
рости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k*=1 k=0,1; k2=1
Рис. 5г. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,99; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k=1; k’=1 k==0,1; k2=0,1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b0=0,9; A=10; A2=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k'2=1 к=0,1; k2=1
30
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 6в. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,8; A=10; A2=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k2=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,6; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,7; A=10;A=1, B=01 B=1;
k’=0,1; k'=1 k=0,1; k=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,5; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k'=1 k=0,1; k=1
31
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 6ж. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b22=0,3; A=10; A2=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k2=1
трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,1; A=10; A=1; B=0,1; B2=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k=1
Рис. 6з. Изменение скорости роста трещины при следующих значениях кинетических параметров: b01=0,99; b02=0,2; A=10; A=1; B=0,1; B=1; k’=0,1; k’=1 k=0,1; k=1
За постановку проблемы и обсуждение полученных результатов авторы выражают благодарность Лукашеву Е.А.
32
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Список использованной литературы
1. Юдин В.М. Трибохимические исследования процессов диагностики и сервиса технологического оборудования.
—Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. —М.: МГУС, 2004.— 40 с.
2. Олейник А.В., Ивахненко А.Г Экологически ориентированное проектирование изделий. — М.: МГУС, 2004. —104 с.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безызностность. — М.: МСХА. —2001. —614 с.
4. Юдин В.М., Лукашев Е.А., Ставровский М.Е. Трибохимия водородного износа.— М.: МГУС, 2004. —281 с.
5. Юдин В.М., Лукашев Е.А., Ставровский М.Е. Методы трибохимических исследований. — М.: МГУС, 2004. —235 с.
6. Защита от водородного износа в узлах трения / Под ред. А.А. Полякова. — М.: Машиностроение, 1980. —135 с.
7. Лукашев Е.А., Посеренин С.П., Юдин В.М. Статистическая модель кинетики образования и роста двумерных и трехмерных перекрывающихся трещин // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. — 2006. - № 2 (19).
—С. 3-7.
8. Лукашев Е.А., Посеренин С.П., Юдин В.М. Качественный анализ статистической модели образования и роста двумерных и трехмерных перекрывающихся трещин// Теоретические и прикладные проблемы сервиса. — 2006.
— № 3 (20). —С. 3-7.
9. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / Под ред. К.Л. Брайента, С.К. Бенерджи. —М. : Металлургия,
УДК 677.04
Контроль качества ПАН-волокон как сырья для производства углеродных волокон
С.В. Соболев, М.А. Майоров, О.Г. Мухамеджанова
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Применение ПАН-волокон технического назначения при производстве углеродно-волокнистых материалов обусловливает ряд требований к ним как исходному сырью. Одним из основных факторов, определяющих свойства углеродных волокон, являются дефектность и неравномерность свойств исходного сырья (ПАНволокон).
Микроскопические исследования ПАН-волокон технического назначения солевого способа формования показали, что число дефектов для различных партий волокон в основном колеблется от 0,7 до 5,5 на 1 см, что свидетельствует о значительной их дефектности. Большинству ПАН-волокон присущи следующие виды дефектов: неравномерность диаметра, поверхностные инородные включения, наплывы, вздутия, углубления, фибриллизация, сплющивание, трещины, микросклейки, пустоты. Наиболее опасными дефектами, снижающими прочность ПАН-волокон, являются дефекты с нарушением поверхности: вздутия, углубления, сплющивания, трещины.
Физические методы исследования, в том числе микроскопия, ввиду их трудоемкости не часто используются в производственном контроле качества материалов. Микроскопический анализ ПАН-волокон в производственных условиях был бы слишком обременительным. Полуцикловые испытания волокон, в особенности, химических, полученных из раствора, выполняются регулярно. Покажем, что получаемые при этом результаты несут информацию о микро- и
макроструктуре волокон, а соответствующие характеристики могут использоваться при контроле качества ПАН-волокон как сырья для производства углеродных волокон.
Были исследованы ПАН-волокна отечественного производства линейной плотности 0,17 текс и волокна английской фирмы «Куртольдз» линейной плотности 0,13 текс. По результатам микроскопического анализа пять партий материала были ранжированы по степени их дефектности с учетом вида и количества дефектов. Партиям даны условные номера: с увеличением номера увеличивается дефектность волокон.
По первичным результатам испытаний разрывной нагрузки подсчитаны сводные характеристики — средняя относительная разрывная нагрузка и коэффициент вариации (см. приведенную ниже табл.). Ни один отдельно взятый показатель не дает представления о дефектности волокон.
В ЛИТЛП была разработана методика оценки физико-механических характеристик волокон и нитей, основанная на изучении масштабного эффекта разрывных характеристик. Для ПАН-волокон, предназначенных для переработки в углеродные волокна, построены эмпирические зависимости разрывной нагрузки, удлинения и условной работы разрыва. Эти зависимости описаны степенными функциями
P = apL-Bp; £=atL -BE; Ay =aAL-BA, (1)
33
