Содержание к диссертации
Введение
1 Физико-механические свойства металлов и сплавов 10
1.1 Основные закономерности контактного взаимодействия металлических сплавов 10
1.2 Физико-механические свойства материалов, обладающих эффектом памяти формы 16
1.3 Постановка задач исследования 27
2 Методики экспериментальных исследований и выбор материалов 29
2.1 Образцы для исследования и инденторы 29
2.2 Методы исследования и устройства 30
2.3 Выводы 37
3 Свойства квазигерцевского контакта: деформация, рассеяние энергии, адгезионные свойства и структурно фазовые состояния .38
3.1 Задача Герца и квазигерцевский контакт. Диссипативно демпфирующие свойства нормально нагруженного контакта .38
3.2 Адгезия в циклически сжимаемом контакте 49
3.3 Рассеяние энергии под действием сжимающих циклических сил в контакте тел из никелида титана .52
3.4 Контактное взаимодействие упругих и упруго-пластических сред 57
3.5 Напряженное и структурно-фазовое состояния .62
3.6Результаты и выводы 66
4 Свойства и структура сплавов ti-ni с памятью формы в условияхконтактных взаимодействий 68
4.1 Исследование триботехнических свойств никелида титана при высоких нагрузках .68
4.2 Исследование триботехнических свойств никелида титана при малых нагрузках 78
4.3 Результаты и выводы 90
5 Природа и механизмы трения и изнашивания поверхностей и трибологические аспекты применения никелида титана 92
5.1 Абразивное изнашивание 92
5.2 Усталостный разрушениеи повышенная износостойкость 99
5.3 Адгезионное взаимодействие тел 108
5.4 Белые слои (Условия образования, структура и свойства) 114
5.5Трибологические аспекты применения никелида титана в термомехнических соединениях .123
5.6 Результаты и выводы .137
Заключение 139
Список литературы
- Физико-механические свойства материалов, обладающих эффектом памяти формы
- Методы исследования и устройства
- Рассеяние энергии под действием сжимающих циклических сил в контакте тел из никелида титана
- Исследование триботехнических свойств никелида титана при малых нагрузках
Введение к работе
Актуальность. Сплавы с памятью формы (ПФ) находятся в настоящее время в стадии изучения и, несмотря на ряд противоречивых результатов, на некоторые расхождения в трактовке природы их аномального поведения в температурно-силовых полях и простейших напряженно-деформированных состояниях, достигнуто в целом удовлетворительное физическое понимание структурного состояния и свойств сплавов с термоупругими мартенситными превращениями.
Вопросы же механики и физико-механического их поведения в различных условиях эксплуатации изучены слабо. Хотя, несомненно, в этом есть необходимость, поскольку в настоящее время созданы и создаются конструкции и механизмы, в которых свойства контакта являются основными рабочими характеристиками, важными с точки зрения прочности и долговечности соединений (заклепочные соединения, электрические контакты, медицинские устройства). Существуют узлы и приборы, в которых элементы из сплавов с ПФ в силу конструктивного устройства работают в условиях трения покоя (фитинговые соединения), трения скольжения (инструменты), а триботехнические свойства являются одними из основных параметров, обеспечивающих эксплуатационные характеристики устройств.
В этой связи исследования особенностей контактных взаимодействий и
триботехнических свойств имеют безусловную актуальность и
своевременность. Так как яркий представитель сплавов с памятью формы –
никелид титана изучается достаточно давно и очень активно, то к
настоящему времени накоплен достаточно богатый информационный банк
данных по объемным системам как по структурным, фазовым,
механическим, термическим и другим особенностям, так и их поведению в
изменяющихся внешних условиях. По этим причинам целесообразно выбрать
никелид титана в виде модельного представителя сплавов с памятью формы
и использовать его для дальнейших исследований. Однако работ на данный
момент по свойствам и структуре как никелида титана, так и других сплавов
с памятью формы в приповерхностных слоях в условиях контактных
взаимодействий очень мало. Поэтому, естественно, возникают сложности
сопоставления, сравнения и обобщения полученных данных и
закономерностей.
Цель данной работы состоит в исследовании свойств и структуры приповерхностных слоев сплавов с памятью формы на примере никелида титана в условиях контактных взаимодействий.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: – Исследовать физико-механические свойства материалов в полях остаточных деформаций при внедрении жесткого сферического штампа в упруго-пластическое полупространство из никелида титана применительно к моделям единичных микронеровностей.
– Выявить и изучить закономерности деформации контакта тел из TiNi с
заданной микрогеометрией поверхности и его диссипативные свойства в
условиях однократного и циклического приложения нормальных нагрузок.
– Исследовать демпфирующие и триботехнические свойства сплавов TiNi
при действии нормальных и тангенциальных однократных и циклических сил
в области предварительного смещения и трения покоя.
– Исследовать структуру, физико-механические и триботехнические свойства
сплавов с памятью формы в широком диапазоне скоростей и нагрузок и
определить рациональные режимы работоспособности TiNi.
– Определить доминирующие механизмы изнашивания и изучить природу
повышенной износостойкости сплавов с памятью формы.
Научная новизна. В работе впервые в материалах с памятью формы на примере никелида титана:
– получен ряд эффектов контактного взаимодействия сплавов с памятью формы на примере сплавов группы никелида титана, заключающийся в аномальном изменении нормальной и тангенциальной жесткости контакта и диссипативных свойств, необъяснимых с позиций классической теории контактирования механических шероховатых тел;
– показано, что в зависимости от режимов контактного взаимодействия в форме трения происходит смена механизмов и видов изнашивания, а при высокотемпературном взаимодействии при умеренных и высоких скоростях скольжения, когда существование мартенситной фазы невозможно, износостойкость остается прежней (т.е. высокой), как и в нагруженном материале при комнатной температуре, при этом выявлен доминирующий механизм изнашивания;
– установлено, что силовое циклирование в области предварительных смещений термомеханических соединений приводит к повышению их прочностных характеристик, а релаксация напряжений в них мало отличается от релаксации напряжений в соединении классических материалов.
Научная и практическая значимость полученных результатов.
Выполненные исследования являются существенным вкладом в
понимание механизмов аномального поведения дискретного контакта тел из
сплавов с памятью формы, которые нельзя трактовать с позиций
классической механики контактного взаимодействия. Особенно
показательны результаты поведения сплавов, находящихся в условиях глубоких пластических деформаций. Все это развивает физические представления о структуре и свойствах приповерхностных слоев сплавов, испытывающих фазовые превращения в термосиловых полях и в различных напряженно-деформированных состояниях. Пополнение исследовательского банка данных о триботехнических свойствах и особенностях контактных взаимодействий сплавов с памятью формы важно, прежде всего, для прикладных задач исследования трения и изнашивания, поскольку они раскрывают эволюцию механизмов и видов изнашивания в функции режимов трения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментально выявлено влияние на структуру и свойства приповерхностных слоев контактного взаимодействия в сплавах с памятью формы в условиях однократных и циклических нормальных нагрузок, заключающееся в нарушении монотонности зависимостей «напряжение сдвига – смещение» в определенном интервале нормальных давлений, в принципиальном отличии от обычных материалов характера упрочнения, в относительно быстром замыкании петли гистерезиса, в демпфирующих свойствах.
-
Сложные механизмы изнашивания и их смена при изменении скоростных, силовых и температурных условий. В области невысоких давлений в зоне трения повышенная износостойкость обусловлена двухфазным с неоднородными свойствами состоянием материала, при больших давлениях возникает тонкий прочный поверхностный слой. В условиях повышенных температур, при которых мартенсит деформации не образуется, происходит пластифицирование сплава, пластическое его оттеснение с периодическим перескоком и, благодаря высокой циклической прочности TiNi, обеспечивается высокая износостойкость.
-
Характер изменения физико-механических свойств приповерхностных слоев, подтвержденный исследованиями морфологии и структурного состояния по глубине деформированного материала с помощью оригинального метода разрезных образцов. При этом четко отслеживаются четыре зоны: исходная в области недеформированного материала, смешанная аустенит-мартенситная, мартенситная и в настоящее время неидентифицированная зона (предположительно белый слой), находящаяся вблизи поверхности отпечатка, оказывающая большое влияние на триботехнические свойства.
Личный вклад автора. При выполнении диссертационной работы
личный вклад состоял в участии в постановке задач исследования,
проведении экспериментальных исследований, анализе полученных
результатов, написании статей и докладов, обосновании научных рекомендаций.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» по п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления».
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием современных методов исследования, использованием для анализа результатов апробированных теоретических представлений физики конденсированного состояния.
Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских и международных конференциях таких, как Международная научно-техническая конференция «Технические науки основа современной инновационной системы» (Йошкар-Ола, 2012); XIII Российская научно-студенческая конференция «Физика твердого тела» (Томск, 2012); Международная молодежная конференция «Современные методы механики» (Томск, 2012); V международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2013); XIII Российская научно-студенческая конференция «Физика твердого тела» (Томск, 2014); I Международная научная конференция «Молоджь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2014); Международная конференция «Effect of external influences on the strength and plasticity of metals and alloys» (Барнаул, 2015).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 21 печатных работах, из них 11 – статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ, 10 – статьи в сборниках трудов, материалах Всероссийских и Международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 161 страницах, содержит 63 рисунка, 3 таблицы и список литературы из 120 наименований.
Физико-механические свойства материалов, обладающих эффектом памяти формы
Контактное взаимодействие. В последние десятилетия в развитых странах мира широкое развитие получило научно-практическое направление, связанное с контактным взаимодействием. Это вызвано требованиями создания надежных, долговечных и экономичных машин, приборов, аппаратов, технологического оборудования и инструментов, а также экономическими проблемами [1–14].
Механика контактного взаимодействиязанимается расчётом упругих, вязкоупругих и пластичных тел при статическом или динамическом контакте. Механика контактного взаимодействия является основополагающей инженерной дисциплиной, обязательной при проектировании надёжного и энергосберегающего оборудования. Поверхность, её качество и структура поверхностного слоя. В технике под поверхностью детали понимают наружный слой последней, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренней части. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием «качество поверхности». При этом качество поверхности определяется шероховатостью, геометрией, волнистостью и физико-химическими свойствами и обусловлено процессом ее обработки. Обработанную поверхность деталей можно условно разбить на внешнюю и внутреннюю. Внешняя поверхность определяется макрогеометрическими параметрами; она доступна для прямых оптических и механических исследований. Внутренняя поверхность образована многочисленными дефектами структуры: дислокациями, вакансиями, точечными дефектами, микротрещинами и микрощелями, сообщающимися между собой и являющимися различными дефектами микроструктуры металла. Между внешней и внутренней фазовыми поверхностями металла не существует никакой физической границы – одна непосредственно переходит в другую. Сложная система соединяющихся между собой микротрещин и микрощелей, пронизывая весь объем материала детали, имеет многочисленные выходы на внешнюю поверхность в виде устьев микрощелей и микротрещин, являющихся областью перехода [5].
Трение и его виды.По молекулярно-механической теории природа трения двойственна – трение обусловлено преодолением адгезионных связей между трущимися поверхностями и деформированием тонких поверхностных слоев твердых тел [9]. В основе этой теории лежат следующие представления. Из-за волнистости и шероховатости поверхностей соприкосновение твердых тел происходит лишь в отдельных пятнах контакта, сосредоточенных на вершинах волн. Диаметр эквивалентных круглых пятен касания фрикционных связей составляет от 1 до 50 мкм в зависимости от природы поверхности, вида обработки, режима трения. Общая площадь фактического действительного контакта для реальных деталей мала и составляет от 0,01 до 0,0001 видимой площади трения. На пятнах действительного контакта образуются адгезионные мостики – мостики сварки между твердыми телами, являющиеся результатом различного рода молекулярных взаимодействий. Возникновение этих связей неминуемо, так как поверхностная энергия системы согласно второму закону термодинамики стремится к минимуму, а на границе твердое тело – воздух она значительно больше.
Помимо адгезионного взаимодействия в зонах фактического контакта более жесткие выступы внедряются в сопряженное тело. Внедрение одной поверхности в другую при действии только сжимающей нагрузки может быть и в том случае, когда поверхности трения практически не имеют шероховатостей (полированы). Это происходит вследствие того, что металлы и сплавы обладают анизотропией механических свойств. Различно ориентированные кристаллиты по-разному сопротивляются сжатию, и первоначально гладкие поверхности при сжатии становятся шероховатыми. Соприкосновение тел происходит в отдельных точках и сопровождается внедрением одного тела в другое.
При рассмотрении под микроскопом поверхностей трущихся деталей можно наблюдать, что по мере приработки на поверхностях в направлении движения образуются тончайшие канавки (желобки), глубина которых составляет доли микрометра. Материал раздвигается в стороны и поднимается твердыми неровностями. Образующиеся мостики сварки между неровностями разрушаются, срезаются и формируются вновь. Таким образом, из молекулярно-механической теории трения следует, что процесс внешнего трения представляет собой деформирование весьма тонких поверхностных слоев каждого из соприкасающихся тел, осложненное разрушением адгезионных мостиков между пленками, покрывающими эти тела. Трение значительно меняет рельеф соприкасающихся поверхностей.
Согласно молекулярно-механической теории трения износ происходит следующим образом [9]. Различные пятна контакта при трении деталей взаимодействуют по-разному. На одних пятнах происходит упругий контакт, на других – пластический, а на третьих может быть микрорезание.
В процессе трения материал испытывает многократные упругие и пластические деформации, что приводит к его разрушению на отдельных участках и отделению частиц износа. Такой процесс поверхностного разрушения при трении рассматривается как фрикционная усталость. Число воздействий n, при котором происходит разрушение материала поверхности, зависит от напряжённого состояния и стойкости (прочности) поверхности материала и варьируется в широком диапазоне. Износостойкость материала в основном определяется тем числом циклов, которое может выдержать поверхностный слой без разрушения.
Методы исследования и устройства
Площадь петли гистерезиса зависит от следующих геометрических факторов: ширины, определяющей степень несовпадения нагрузочных и разгрузочных линий, их длины или величины деформации контакта и формы. Первый фактор зависит исключительно от среднего для всех взаимодействующих неровностей напряжения сцепления и их упругих констант. Второй и третий факторы, как указывалось, определяются геометрией поверхностей, сжимающими и сдвигающими силами, физико-механическими свойствами поверхностных слоев и материала тел в целом. Поэтому в дальнейшем при анализе результатов исследования рассеяния энергии количественная его сторона будет объясняться изменением той или иной характеристики контакта.
Зависимости рассеяния энергии от величины внешней сжимающей нагрузки близки к параболе (рисунок 3.2) и качественно сравнительно мало различаются между собой для различных контактных пар. По мере увеличения сил рассеяние энергии возрастает. При средних и больших нагрузках зависимость A W от амплитуды q близка к линейной. Подобный характер изменения A W объясняется, во-первых, увеличением деформации контакта, и, во-вторых, как отмечалось ранее, - увеличиваем прочности связи с ростом сжимающих сил. Последний фактор приводит к возрастанию ширины петли, особенно существенному на средних участках деформационной зависимости сближение-давление.
В целом, влияние различных факторов (материала контактирующих тел, шероховатости, вида обработки, сжимающих нагрузок) на рассеяние энергии можно отследить из зависимостей, приведенных на рисунке 3.2 а. Среднее отклонение высоты микронеровностей, указанное в тексте, замерено на недеформированной поверхности. Из рисунка видно, что абсолютные значения рассеянной энергии для различных материалов сравнительно мало (кроме контакта образцов из индия) отличаются между собой. Имеющееся различие объясняется величиной деформации контакта, создающей более благоприятные условия для сцепления, т.к. в данных процессах не исключается и трение при относительном перемещении. С другой стороны, на рассеяние энергии влияют свойства поверхностных слоев материала. Так, например, несмотря на значительную упругую деформацию образцов из алюминия, рассеяние энергии у них ниже, чем у остальных материалов (рисунок 3.2 а), что объясняется значительной прочностью их окисных пленок. Определенное влияние на рассеяние энергии оказывает высота микронеровностей (формула 3.1). Связь между W и Rа имеет двойственный характер: с одной стороны, с увеличением Rа увеличивается доля пластической деформации, приводящей к образованию участков сцепления на добавленной площади. С другой – возрастает и доля пластической деформации. Рисунок 3.2 - Зависимости рассеяния энергии (а) и коэффициента поглощения (б) от нагрузки для различных контактных пар.о - сталь 45, Яа=0,78 мкм; А - медь; Ra=1,7 мкм; х - алюминий, Ra=4,5 мкм; - свинец,
Рассеяние энергии является мерой энергетических потерь в контакте. Как видно из графиков, оно весьма чувствительно ко многим параметрам, определяющим процесс контактирования. В этом отношении относительное рассеяние энергии представляет более инертную характеристику диссипативных свойств, но в то же время достаточно точно отражающую основные свойства взаимодействующих тел. Подобная малая чувствительность коэффициента связана с деформационными свойствами контакта. Изменение величины или характера деформации влияет на W, но в то же время аналогичные изменения происходят и с потенциальной энергией упругой деформации W, которая обратно пропорциональна ці. Следовательно, увеличение W при изменении деформации сопровождается возрастанием W и, как следствие, - слабым изменением у/. Изменение коэффициента поглощения различных материалов показано на рисунок 3.2 б. Как видно, амплитуда силы слабо влияет на у/. В целом, на основе большого объема экспериментов можно сделать вывод о незначительном влиянии внешней силы на у/, а для практического использования можно принять независимость ці от qа для конкретной контактной пары. Однако из графиков можно проследить закономерность возрастания коэффициента поглощения с увеличением пластичности материалов.
С целью исследования коэффициента ц/ для нескольких материалов, имеющих сравнительно близкие механические и физико-технические характеристики, была подвергнута испытаниям группа сталей. Как видно из рисунка 3.3, проявляется слабая тенденция к росту коэффициента поглощения для низкоуглеродистых сталей, но оценить точно это возрастание в виду его малости и разброса экспериментальных точек представляло трудности.
Так как в основу данных исследований положен адгезионный механизм контактного взаимодействия, то целесообразно полученные данные по рассеянию энергии сопоставить с результатами исследований по адгезии, проводимыми различными авторами. Идентичность тех и других параметров будет подтверждением разработанной версии связи AW и ці с адгезией. В связи с этим интересно отметить аналогию между экспериментами по исследованию у/ в нашей работе и опытами, проведенными по исследованию коэффициента адгезии на различных одноименных контактных парах [70-72]. В этих работах было показано, что коэффициент адгезииіГ, равный отношению усилия отрыва одной поверхности от другой в случае адгезионного взаимодействия к усилию сжатия образцов, возрастает с уменьшением модуля упругости, твердости, температуры образцов, толщины пленок и т.п. В частности, Сикорским [72], наряду с этими выводами приводится зависимость коэффициента адгезии от температуры плавления для различных контактных пар (см. рисунок 3.4 - пунктирная линия). Анализ наших теоретических расчетов и экспериментальные данные по исследованию рассеяния энергии показывают такое же (как и коэффициент адгезии) изменение последних в одинаковых условиях (рисунок 3.4 -сплошная линия). Так, например, как видно из графиков рисунка 3.4, зависимость коэффициента поглощения от температуры плавления материала образцов идентична зависимости коэффициента адгезии.
Можно заметить, что на пунктирной линии нет точек, полученных для TiNi, что объясняется малой известностью в 60-е годы никелида титана.
Теоретически связь между двумя этими процессами, определяющими If/ иіГ, можно представить следующим образом. Прежде всего, - это единая механика образования зон сцепления: образование физического контакта и физико-химическое взаимодействие между поверхностями. Далее, коэффициент адгезии замерялся на последней стадии деформационного процесса, когда внешняя положительная нагрузка снята и прикладывалось отрицательное (разрывающее) усилие. Промежуточные стадии разгрузки не учитывались. При этом большую роль играло упругое восстановление поверхностей, приводящее к разрушению участков сцепления [73, 74]. Результатом этого являлось уменьшение вплоть до значений, близких к нулю (сила разрыва поверхностей была крайне мала) на твердых материалах. На промежуточных стадиях разгрузки участки сцепления, хотя и разрываются, но создают силу сопротивления (Рсц), непрерывную на всей изменяющейся площади контакта в силу большого числа контактных пятен. Величина Рсц фиксируется нами при изменении деформации в интервале qо–
Рассеяние энергии под действием сжимающих циклических сил в контакте тел из никелида титана
Исследовались образцы из сплава ТН-1К – Ti50Ni47,5Fe2,5. На рисунке 3.8 приведена зависимость сближения от нормального давления для двух шероховатых поверхностей сплава при первом и повторном нагружениях. По характеру эти зависимости монотонно возрастающие. Качественного отличия кривых нагружения данных сплавов и металлов, не обладающих эффектом памяти формы, не наблюдается.
В отличие от металлов, не обладающих эффектом памяти формы, у которых прослеживается существенное увеличение сближения при увеличении высоты микронеровностей, в данном случае контактирования наблюдается слабое влияние шероховатости на величину сближения. Как видно из рисунка, в случае контакта поверхностей с Rа=0,83 мкм, Rа=0,3 мкм разница в сближении при нормальном давлении q=3,2 МПа составила 15 и 11 % соответственно. Кроме того, имеется разница в сближении в 9% между упруго-пластической и упругой деформациями для шероховатости с Rа=0,83 мкм и всего в 5 % для шероховатости с Rа=0,3 мкм, т.е. жесткость контакта при переходе от упруго-пластической деформации к упругой увеличивается незначительно. В случае контактирования металлов, не обладающих памятью формы, например, стали с Rа=0,9 мкм, увеличение составляет более 50
Отмеченная особенность легко объяснима, если рассмотреть деформацию отдельного микровыступа. Известно, что сплавы со свойствами термоупругого мартенсита в температурной зоне равновесия фаз обладают эффектом сверхэластичности, т.е. большие деформации (до 20 %), не вызывая необратимых структурных последствий при нагружении, могут полностью исчезнуть при разгрузке. Для исследуемого сплава ТН-1К данный температурный режим находится в диапазоне отрицательных температур. Известно, что воздействие поля напряжений смещает область фазовых переходов из низких в сторону повышенных температур. Тогда, несмотря на значительные деформации в локальных точках контакта, наличие в них высоких напряжений, соответствующих сложному напряженному состоянию, приводит к тому, что шероховатый слой находится в состоянии сверхэластичности. Все это ставит под сомнение правомерность использования теоретических зависимостей и корреляционных функций классической теории контактирования, выведенных для случая взаимодействия шероховатых тел из металлов и сплавов, описываемых обычной вязко-упругой классической моделью. В связи с этим была проведена проверка известных расчетных формул сближения шероховатых поверхностей под действием нормальных нагрузок. Результаты сравнения расчета сближения и экспериментальных данных отображены на рисунке 3.8, где линии 1, 2 соответствуют расчетам с Rа=0,83 мкм и Rа=0,3 мкм применительно к упругому контакту. Расхождение в обоих случаях составило 100–120 %.
На рисунке3.9 приведены процессы деформирования контакта при циклическом действии нагрузки под давлениями 3,2 МПа и 236 МПа, соответственно. Как видно из графиков, пластическая деформация при первом нагружении составляет малую долю от общей деформации, – всего около 9 % для нормального давления 3,2 МПа и 18 % для 236 МПа, несмотря на то, что напряжения в отдельных локальных точках значительны и стремятся по величине к модулю упругости. Начиная со второго цикла нагружения точки начала приложения и конца снятия нагрузки совпадают, т.е. петля замыкается. Следовательно, уже при первом нагружении выбрана вся пластическая часть деформации, что подчеркивает высокие упругие свойства сплава ТН-1К, основанные на сверхэластичности. Это является второй особенностью данного контакта. Это подтверждает указанное ранее: при циклическом действии сжимающих сил в контакте обычных материалов петли могут совсем не образовываться или замыкаться после 6–8 циклов нагружения.
В конструкционном демпфировании колебаний основная доля диссипации энергии принадлежит контакту, величина рассеяния энергии в самом сплаве на порядок меньше, чем в контакте. Мерой демпфирующих свойств является величина рассеянной энергии за один цикл нагружения и коэффициент поглощения. Рассеяние энергии в контакте численно равно площади гистерезисной петлизависимости =(q). а б
При контактировании шероховатых поверхностей образцов из сплава ТН-1К, как видно из рисунка 3.9, наблюдается достаточно широкая петля гистерезиса, что указывает на высокую демпфирующую способность сплава и наличие значительного числа адгезионных связей. Для сравнения аналогичный эксперимент был проведен на образцах из стали при указанных выше нормальных давлениях. Линия нагрузки совпадала с линией разрузки, т.е. гистерезисная петля отсутствовала в силу малой демпфирующей способности стали.
На рисунке 3.10 приведены зависимости рассеяния энергии и коэффициента поглощения от числа циклов нагружения. В обоих случаях с увеличением числа циклов нагружения заметно некоторое уменьшение соответствующих величин, но, уже начиная с четвертого цикла, характеристики демпфирующей способности сплава стабилизируются, и состояние контакта не меняется.
Для выяснения влияния адгезионных связей и физико-механических свойств контакта на величину рассеяния энергии был проведен следующий эксперимент. Под действием давления 3,2 МПа было сделано несколько тангенциальных срывов поверхностей в обе стороны силами, превышающими силу трения покоя. На рисунке 3.11 приведена зависимость рассеяния энергии от числа срывов. Видно, что первый срыв дает некоторое увеличение рассеяния энергии, а последующие на данную величину не влияют. Очевидно, уже при первом срыве сдираются незначительные окисные пленки (коррозийная стойкость сплава достаточно велика), что приводит к созданию ювенильных поверхностей и, соответственно, – к усилению адгезионных связей.
Исследование триботехнических свойств никелида титана при малых нагрузках
абразивное, классических материалов исследовано достаточно детально [1-15, 90, 99, 100]. В то же время для TiNi сведения по трению и изнашиванию представлены единицами работ, таких как [93,97]. Общеизвестно, что в технологических процессах, таких как шлифование, выглаживание, полирование деталей и образцов, притирка и доводка инструмента, никелид титана обладает аномально высокой износостойкостью по сравнению с другими металлами и сплавами. Поэтому изучение сущности и механизмов изнашивания в плане усовершенствования технологических процессов обработки TiNi, оптимизации параметров работающих в абразивных средах элементов соединений является актуальным.
Как известно, в основе абразивного изнашивания пластичных материалов лежат процессы микрорезания и усталостного разрушения при циклическом движении контртела (индентора, абразивного зерна) по поверхности исследуемого материала. Рассмотрим эти процессы с позиций метода склерометрии (царапания), созданного в свое время для измерения твердости и получившего в дальнейшем распространение для исследования ряда других свойств материалов [101]. При царапании жесткий индентор определенной геометрической формы скользит по поверхности исследуемого образца, пластически деформируя последний или срезая тонкий поверхностный слой. Деформация индентора не учитывается. При этом используются инденторы в виде сферы, конуса, пирамиды. Рассмотрим образование царапины или дорожки трения на примере схемы [90], необходимой для выявления условий перехода от пластического деформирования к резанию. Положим, что к острию 1 (рисунок 5.1) приложены силы: нормальная (придавливающая) Ру и тангенциальная (сдвигающая) Рг. При движении индентора возникает сила тренияГ, для преодоления которой должна быть приложена внешняя сила. Эта силаТ должна быть равной по величине силе N, нормальной к линии действия сил Т и Г (см. рисунок 5.1) и являющейся равнодействующей приложенных к острию сил. При достижении величины Pz значения, при котором происходит сдвиг, острие получит перемещение вдоль поверхности материала, т. е. возникнет царапающий эффект. Перемещаясь, острие будет деформировать материал, вызывая впереди и по бокам навалы или срезая микростружку (микрорезание). При этом передний угол у0острия имеет отрицательные значения, а угол резания у превышает 90. На рисунке 5.1 величина / определяет толщину среза (глубину царапины), h0 - толщина срезаемого слоя в точке k, v - скорость движения индентора. При hgh имеем у090, а у180. Увеличение углов у0 и у повышает сопротивление резанию и благоприятствует пластическому деформированию. Сила Ру вызывает лишь смятие поверхностных слоев и не оказывает влияния на стружкообразование. Если h p (при наличии закругления р при вершине), то величина угла у полностью зависит от отношения h/p, определяющего, следовательно, степень деформации в рассматриваемой точке.
В процессе воздействия царапающего острия на пластичный материал изменение Ру существенно изменяет процесс царапания. При малых величинах Ру реализуется только скольжение, при больших Ру -выдавливание материала, а при дальнейшем увеличении/ – срезание в виде микростружки. За критерии перехода от пластического деформирования к микрорезанию можно принять отношение h/p. В соответствии с [90] допускается граничные значение/2// 0,5-0,6 (передний угол равен 45-50). При значениях h/ри у0 наряду с пластической деформацией проявляются элементы резания, особенно при высоких скоростях v. Меньшие значения отношения h/p сопровождаются увеличением у0 и повышенными пластическими деформациями вплоть до перехода к скольжению. Большие значения h/p приводят к доминированию стружкообразования. ПриЛ//?=1 реализуется полное микрорезание.
Абразивное изнашивание никелида титана. Масса удаленного в навалы и срезанного материала определяются следующим образом [102]. Пусть & и S2 - площади навалов (зеленная область) и канавки (красная область)(рисунок5.2); S - общая площадь канавки с навалами; QHи Qc - массы удаленного и вытесненного материала; Q - общаямасса перемещенного материала; у - удельнаямасса сплава; / - длина канавки.
Тогда, Q=S!ly иQ=Sly Следовательно, Qc=Q-Q„=(S S1)ly =S2ly За критерий интенсивности изнашивания принимается отношение Qc/Q=S S, которое показывает массу удаленного из канавки материала относительно общеймассы перемещенного материала. Если проход многократный, то Qc и S2 содержат массу удаленного материала не только за счет микрорезания, но и в результате его усталостного разрушения.