Новые методы и приборы для экспрессной оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев

На правах рукописи

ИБАТУЛЛИН Ильдар Дугласович

НОВЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКСПРЕССНОЙ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАЛОСТНОЙ

ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Тольятти 2010

Работа выполнена в НТЦ «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин» и на кафедре «Технология машиностроения» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный консультант: д.т.н., профессор Д.Г. Громаковский

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

д.ф.-м.н., профессор В.П. Алехин

д.ф.-м.н., профессор Д.Л. Мерсон

д.ф.-м.н., в.н.с. И.В. Шишковский

Ведущая организация: ООО «НПО СПЕЦПОКРЫТИЕ», г. Самара

Защита диссертации состоится «29» апреля 2010 г. в 14.00 часов в зале заседаний ученого совета (Г-208) на заседании диссертационного совета Д 212.264.03 при Тольяттинском государственном университете по адресу: Россия, Самарская область, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольяттинского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: Россия, 445667, Самарская область, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14, Тольяттинский государственный университет, диссертационный совет Д 212.264.03. Факс (8482) 54-64-44.

Автореферат разослан: «____»____________ 2010г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.264.03,

кандидат педагогических наук Пивнева С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что долговечность пар трения лимитирует срок службы, а безотказность – определяет технико-экономическую эффективность и безопасность эксплуатации машин. Поэтому методам оценки фактического состояния деталей трущихся соединений и прогнозирования их ресурсных характеристик с целью предотвращения аварийных отказов в настоящее время уделяется большое внимание. Среди различных механизмов повреждаемости поверхностей при трении наиболее важным является изучение процесса усталости, который лежит в основе большинства видов изнашивания материалов. Несмотря на большое количество работ, посвященных описанию физических механизмов и расчетных моделей усталостной повреждаемости поверхностных слоев, выполненных И.В. Крагельским, Е.А. Марченко, Л.И. Бершадским, Л.М. Рыбаковой, Л.И. Куксеновой, Д.Г. Громаковским и др. учеными, эти исследования продолжают оставаться актуальными. Открытыми являются вопросы: о выборе физических параметров, контролирующих кинетику усталостной повреждаемости; о кинетике изменения этих параметров в процессе усталостной деградации; об оценке влияния на долговечность материалов совокупности силовых, химических, термических воздействий; о методах и технических средствах для диагностики фактического состояния поверхностных слоев и др.

В последние годы развивается кинетический подход к моделированию усталостного изнашивания, основанный на теории абсолютных скоростей химических реакций Аррениуса, молекулярно-кинетической теории Я.И. Френкеля и термофлуктуационной концепции прочности академика С.Н. Журкова. Указанные теории основаны на применении фактора Больцмана, в котором основным параметром, определяющим скорость кинетических процессов, является энергия активации разрушения. Однако для исследования энергетических параметров разрушения тонких поверхностных слоев отсутствуют простые в применении методики и приборы, что является серьезным препятствием для применения в инженерных расчетах на изнашивание моделей кинетического типа.

Проблема обеспечения надежности узлов трения затрагивает все этапы их жизненного цикла и ее решение требует комплексного подхода, который может быть реализован при организации системы управления сроком службы узлов трения. Для этого, в свою очередь, необходимо создание методов диагностики и прогнозирования ресурса материалов пар трения.

Диссертационная работа посвящена разработке новых методов и приборов для оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев и созданию расчетных моделей для прогнозирования усталостного изнашивания поверхностей деталей из конструкционных металлов и сплавов.

Тема диссертационной работы поддерживалась грантами, полученными по научно-технической программе "Интеграция академической и вузовской науки" (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999-2001г.г.); научно-технической программе "Научно-инновационное сотрудничество Минобразования РФ и Министерства РФ по атомной энергетике" (МИФИ, 2000-2001г.г.); федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (СамГТУ, 2004г.); внутривузовской программе «Развитие научного потенциала университета» (СамГТУ, 2005г.); региональной научно-технической программе: «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области в 2006 году» (СНИЦ «Перспектива», 2006г.); региональной научно-технической программе «Ориентированные фундаментальные исследования» (РФФИ, 2007, 2008, 2009 г.г); аналитической ведомственной целевой программе “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».

Объект исследований. Поверхностные слои конструкционных металлов и сплавов, модифицированные в результате процессов трения, усталости и взаимодействия с внешней средой.

Предмет исследований. Критерии повреждаемости, модели, методики и приборы для оценки энергетических параметров усталостного разрушения поверхностных слоев, необходимые для прогнозирования ресурса материалов.

Цель диссертационной работы. Разработка моделей повреждаемости поверхностных слоев при усталостном механизме изнашивания, создание новых приборов и методик экспериментальной оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев и разработка на их основе метода прогнозирования остаточного ресурса материалов пар трения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи.

1. На основе применения структурно-энергетической теории разработать кинетическую модель, описывающую закономерность роста внутренней энергии в материале поверхностного слоя в процессе усталостной повреждаемости с учетом влияния совокупности внешних и внутренних факторов и показать области ее возможного применения.

2. На основе анализа и обобщения расчетных моделей усталостного изнашивания, синергетического подхода к интерпретации физических механизмов усталостного разрушения поверхностей при трении разработать расчетную модель для оценки скорости усталостного изнашивания металлов и сплавов и предложить новые методы оценки ее параметров.

3. Разработать новые, экспрессные методики экспериментальной оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев, основанные на методе склерометрии и создать программно-аппаратурные комплексы для реализации данных методик.

4. Исследовать влияние внешних и внутренних факторов на энергетическое состояние поверхностных слоев. Оценить чувствительность склерометрического метода определения энергетических параметров деформации поверхностных слоев и разработать методику экспериментальной оценки влияния среды на состояние поверхностных слоев.

5. Провести комплексные экспериментальные исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя при различных видах усталости. Выявить закономерности изменения энергетического состояния поверхностных слоев и обосновать применимость энергетического подхода к задачам диагностики состояния материалов и прогнозирования их ресурса.

6. На основе энергетических критериев прочности разработать новую методику и программное обеспечение для прогнозирования остаточного ресурса материала поверхностного слоя при усталостной повреждаемости ответственных узлов трения.

Методы исследований. Проведенные в работе исследования базируются на применении основных положений и математического аппарата термодинамики, статистической физики, синергетики, физической теории надежности, механики разрушения, сопротивления материалов, трибологии, термофлуктуационной концепции прочности твердых тел, теории вероятности и математической статистики. Для компьютерных исследований использовались лицензионные программные продукты Delphy 7.0 и ANSYS 8.0.

Экспериментальная часть работы содержит исследования: энергетических характеристик деформации и разрушения поверхностных слоев (патент РФ №2166745 от 2001.05.10); энергии активации деструкции смазочных материалов (патент РФ №2119165 от 1997.23.01); ресурсных характеристик материалов (патент РФ №2277232 от 2006.18.01); микротвердости по Виккерсу; скорости изнашивания материалов на возвратно-поступательной машине трения; кинетики контактной усталости твердых сплавов при циклическом ударном нагружении.

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам Научно-технического центра «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин», кафедры «Технология машиностроения», лаборатории «Наноструктурированные покрытия» ГОУ ВПО СамГТУ, научно-исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш» за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.

Достоверность результатов. Достоверность изложенных в работе результатов и адекватность разработанных моделей обеспечиваются строгостью использованного математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных, удовлетворительной корреляцией результатов расчетов и данных, полученных при испытаниях.

Результаты, выносимые на защиту

1. Кинетическая расчетная модель накопления внутренней энергии при усталостной повреждаемости материалов и энергетический критерий разрушения, учитывающие взаимодействие поверхностных слоев с внешней средой.
2. Расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания конструкционных материалов.
3. Новые методики: склерометрической оценки энергетических параметров деформации и разрушения тонких поверхностных слоев; исследования влияния граничных слоев смазочного материала на энергетическое состояние поверхностей; прогнозирования остаточного ресурса материалов при усталостной повреждаемости.
4. Лабораторные и переносные склерометрические программно-аппаратурные комплексы для диагностики состояния и прогнозирования остаточного ресурса поверхностных слоев.
5. Результаты экспериментальных исследований кинетики повреждаемости и разрушения конструкционных материалов при трех видах усталости (усталостном изнашивании, контактной усталости и объемной усталости).
6. Результаты экспериментальных исследований влияния различных внешних и внутренних факторов на энергетическое состояние поверхностных слоев.

Научная новизна работы, заключается в следующих положениях.

• Разработана новая кинетическая модель накопления внутренней энергии в деформируемом материале поверхностного слоя с учетом влияния среды. Показан физический смысл и вклад параметров модели в общее энергетическое состояние материала.
• Предложены две методики склерометрической безобразцовой, экспрессной оценки мольной энергии пластической деформации и разрушения поверхностных слоев. Показано, что при пластическом оттеснении материала поверхностного слоя индентором Виккерса возможна оценка кинетических параметров – энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента – термофлуктуационного уравнения долговечности твердых тел.

• Впервые приведена классификация и показана общая структура расчетных моделей изнашивания, а также разработана кинетическая расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания материалов с учетом влияния среды и наложенных вибраций.
• Исследована кинетика усталостного разрушения поверхностных слоев при усталостном изнашивании, контактной и объемной усталости. Показано, что склерометрическая оценка накопленной энергии позволяет оценивать степень усталостной повреждаемости поверхностей.
• Предложен новый метод прогнозирования остаточного ресурса поверхностных слоев, который может быть использован для управления сроком службы ответственных элементов узлов трения машин.

Практическая ценность

• Разработаны склерометрические лабораторные и переносные программно-аппаратурные диагностические комплексы, позволяющие произвести экспрессную, неразрушающую оценку мольной энергии пластической деформации и разрушения поверхностных слоев, модифицированных трением. Устройства содержат автоматизированную систему сбора данных и обеспечивают возможность диагностики состояния поверхностных слоев и прогнозирования их остаточного ресурса.
• Найдены значения энергетических параметров разрушения ряда конструкционных материалов.
• Разработано программное обеспечение для автоматизированной оценки энергетических характеристик и механических свойств поверхностных слоев при их склерометрировании.
• Разработана методика оценки влияния смазочных материалов на энергетические характеристики поверхностных слоев.

Реализация результатов

Методики склерометрических испытаний материалов внедрены в Научно-техническом центре «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин» СамГТУ, Научно-исследовательской лаборатории (НИЛ ДППИиР) ОАО «Волгабурмаш», лаборатории «Наноструктурированные материалы и покрытия» СамГТУ.

Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда трибологических дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях, что позволило улучшить методическое обеспечение кафедры «Технология машиностроения» и добиться более глубокого понимания студентами физических механизмов усталостной повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя.

Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, семинарах и симпозиумах, в том числе: Российском симпозиуме по трибологии “Актуальные проблемы трибологии”, г. Самара, СамГТУ, 1994г.; 2-nd International conference on synthetic lubricants and functional fluids, AIM-Centro Italiano di tribologia Milano, EMW In, 1995г.; международной научно-технической конференции “Надежность механических систем”, г. Самара, СамГТУ, 1995г.; VI Всероссийской конференции “Контактная гидродинамика”, г. Самара, СГАУ, 1996г.; XXVI Международном совещании по динамике и прочности двигателей, посвященном 85-летию со дня рождения Генерального конструктора академика Н.Д.Кузнецова, г.Самара, СГАУ, 1996г.; Международной научно-технической конференции “Концепция развития производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики”, г. Оренбург, ОГУ, 1997г.; Симпозиуме, посвященного итогам Международного конгресса по трибологии в Лондоне “Обеспечение надежности узлов трения машин и механизмов”, г. Самара, НИИ ПНМС СамГТУ, 1998г.; VIII Межвузовской конференции “Математическое моделирование и краевые задачи”, г. Самара, СамГТУ, 1998г.; IV Международной научно-практической конференции “Проблемы развития автомобилестроения в России”, г. Тольятти, АО “АВТОВАЗ”, 1998г.; Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», СамГТУ, Самара, 1999г.; Межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы университетского образования», СамГТУ, Самара, 2000г.; Международной научно-технической конф., посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова, г. Самара, СГАУ, 2001г.; 9 Международной научно-технической конференции «Организация и технология ремонта машин, механизмов, оборудования», г. Киев, УИЦ «Наука, Техника, Технология», 2001г.; Научно-технической конференции "Научно-инновационное сотрудничество", г. Москва, МИФИ, 2002г.; Научно-методической конференции «Компьютерные технологии обучения: концепции, опыт, проблемы», г. Самара, СамГТУ, 1997г.; Семинаре «Вопросы создания новых методик исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации», г. Димитровград, ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 2002г.; VII-th International Symposium "INTERTRIBO 2002", Slovak Republic, Stara Lesna, House of Technology, 2002; Международной конференции "Ашировские чтения", г. Самара, СамГТУ, 2002г.; Семинаре «Акустико-эмиссионный метод диагностики на железнодорожном транспорте», Санкт-Петербург, Некоммерческое партнерство «Объединение разработчиков и производителей наукоемкой продукции для железных дорог», 2003г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин», г. Самара, СамГТУ, 2003г.; Международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические», посвященной 75-летию РГУПС, г. Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения, 2004г.; Первой научно-практической конференции «Колесо», г. Похвистнево, Куйбышевкая железная дорога, 2004 г.; II-ой Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта», Российская академия транспорта, Самара, 2005г.; международной научно-технической конференции «ELPIT-2005», ТГУ, Тольятти 2005г.; Пятой юбилейной Промышленной конференции с международным участием и блиц- выставки, г. Славское, 2005г.; Международной инновационно-ориентированой конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС», г. Москва, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005, 2006, 2008, 2009 г.г.; Международной научно-практической школы-конференции «Славянтрибо-7а», г. Рыбинск, РГАТА, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Физика прочности и пластичности материалов», г. Самара, СамГТУ, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России», г. Самара, СГАУ, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», г. Самара, СамГТУ, 2007г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», г. Брянск, БГТУ, 2007 г.; V Международном симпозиуме «Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах» (ФФС-2008), Республика Беларусь, г. Минск; региональной научно-технический семинар «Актуальные проблемы трибологии», г. Самара, СамГТУ, 2008 г.; VIII Междунардной конференции «Трибология и надежность», г. Санкт Перетбург, ПГУПС, 2008г.; II Международном научном семинаре «Техника и технологии трибологических исследований», Иваново, ИвГУ, 2009; в полном объеме диссертационная работа была заслушана на Семинаре им. М.М. Хрущева, г. Москва, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2007 г. и на семинаре в Лаборатории элементарных процессов разрушения в Физико-техническом институте им. А.В. Иоффе РАН, 2008 г.