Запитання і завдання для самоперевірки
Які види випробувань технічних об’єктів застосовують для визначення показників надійності?
Назвіть переважні випадки застосування визначальних і контрольних випробувань.
В яких випадках застосовують приймальні й періодичні контрольні випробування виробів?
У чому сутність верхньої і нижньої границь довірчої ймовірності для показників надійності?
У чому різниця між одно- і двосторонньою довірчими ймовірностями при визначенні показників надійності?
Опишіть порядок визначення верхньої і нижньої довірчих границь імовірності безвідмовної роботи невідновлюваних виробів.
Поясніть як застосувати розподіл
для оцінювання нижньої границі середнього
напрацювання на відмову відновлюваного
технічного об’єкта.Назвіть основні методи форсування випробувань.
Як визначити мінімальну кількість зразків для проведення випробувань невідновлюваних виробів за відомою односторонньою довірчою ймовірністю?
Як зменшити кількість випробуваних зразків відновлюваних виробів завдяки збільшенню тривалості випробувань?
Лекція 22. Механізм і класифікація видів спрацювання деталей
робочих вузлів машин і обладнання. Методи забезпечення довговічності і підвищення зносостійкості деталей машин і обладнання
Фрикційні зв'язки та їх руйнування
Взаємодія контактуючих поверхонь виявляється у формуванні площ контакту, в утворенні яких беруть участь не тільки виступи, а й прилеглий до них матеріал. При виникненні й подальшому роз'єднанні контактів деформується поверхневий шар матеріалу. Площі контакту (плями дотикання), що утворюються за спільної дії нормальних і тангенційних сил та зникають при їхньому знятті, називають фрикційними зв'язками.
Розрізняють механічну і молекулярну взаємодію поверхонь тертя. При механічній взаємодії відбувається механічне зчеплення поверхонь, а при молекулярній – сполучені поверхні перебувають під дією атомарних (адгезійних) сил. Проф. І. В. Крагельський запропонував розрізняти п'ять видів руйнування фрикційних зв’язків, які виникають на поверхні двох тіл під дією нормальних і тангенційних сил та зникають у разі припинення їхньої дії. Введемо такі позначення:
h – глибина впровадження одиничної нерівності, що відраховується перпендикулярно до площини плями контакту; – опір зрізу адгезійного зв'язку утворених містків зварювання.
Залежно від значення адгезії і відносної глибини впровадження (h/R, де R – радіус одиничної впроваджуваної нерівності або індентора) відбуваються такі порушення фрикційних зв'язків: пружне відтиснення матеріалу (рис. 1, а); пластичне відтиснення матеріалу (рис. 1, б); зріз впровадженого матеріалу (рис. 1, в); схоплювання плівок, які покривають поверхні твердих тіл та їхнє подальше руйнування (рис. 1,г); схоплювання поверхонь, яке супроводжується глибинним вириванням матеріалу (рис. 1, д).
Умови переходу від першого виду руйнувань до другого і третього залежать від глибини проникнення однієї деталі в іншу та значення сил адгезії. Руйнування фрикційних зв'язків, зображених на рис. 1, г, д визначається співвідношенням між міцністю плівок і основного металу. Якщо міцність плівки нижча від міцності основного металу, то маємо вид порушення фрикційних зв'язків, показаний на рис. 1, г, а якщо міцність плівки або поверхневих шарів, позбавлених плівки, більша за міцність основного металу, то відбувається руйнування, наведене на рис. 1, д. Перехід від одного виду порушення фрикційних зв'язків до другого залежить від градієнта механічних властивостей. Якщо d/dh > 0, то забезпечується четвертий вид, зображений на рис. 1, г, а якщо d/dh < 0, ─ має місце вид, показаний на рис. 1, д.
Рис. 13.1. Види руйнувань фрикційних зв’язків (пояснення в тексті)
Рис..1. Види руйнування фрикційних зв’язків
Щоб запобігти прискореному спрацюванню запропоновано забезпечити наявність позитивного перепаду механічних властивостей по глибині, тобто застосувати правило позитивного градієнта механічних властивостей.
Процес спрацювання твердих конструкційних матеріалів поділяється на три послідовних явища: безпосередня взаємодія поверхонь; зміни, що відбуваються в поверхневому шарі; руйнування поверхонь.
Ці явища не потрібно розглядати як послідовні етапи. Вони постійно перетинаються і взаємно впливають один на одний, унаслідок чого при відносному переміщенні поверхонь відбуваються зміни в поверхневому шарі поверхонь.
Руйнування є завершальним етапом спрацювання. Руйнування охоплює не всю поверхню тертя одночасно, тому інші ділянки зазнають лише певних фізико-хімічних змін. При цьому часткове руйнування і зміна властивостей поверхонь впливають на їхню подальшу взаємодію.
Зміни в поверхневому шарі
Зміни в структурі поверхневого шару матеріалу виникають унаслідок деформацій, підвищення температури і хімічного впливу навколишнього середовища. Зміни, зумовлені деформацією, такі:
багаторазові пружні деформації при терті коченні призводять до втомлювального викришування поверхонь, а при терті ковзанні ─ пружні деформації шорсткостей розпушують їхню структуру;
пластичне деформування кристалічної ґратки твердих тіл (у цьому разі ─ поверхневого шару), яке може спричинити руйнування структури, що є заключним етапом пластичної деформації;
пластична деформація за температури поверхні, нижчої за температуру рекристалізації, приводить до наклепування і подальшого зміцнення поверхневого шару. Проте безпосередньо біля самої поверхні структура матеріалу дещо ослаблена, ії мікротвердість знижена.
Слід зазначити, що крихкість і пластичність твердого тіла, незалежно від напруженого стану, не є його властивостями. При одному навантаженні тіло може бути пластичним, при іншому – крихким. Так, всебічне рівномірне розтягування створює напружений стан, унаслідок чого пластичні деформації не розвиваються, а матеріал перебуває у крихкому стані. При рівномірному всебічному стисненні більшість твердих тіл може сприймати великі навантаження без руйнування.
У разі нерівномірного всебічного стиснення, залежно від значення головних напружень, тіла можуть перебувати в пластичному крихкому або перехідному стані, причому, за певних умов всебічного стиснення навіть такі крихкі матеріали, як чавуни або загартовані до високої твердості сталі, мають значну пластичність.
Якщо виокремити елемент, у якого одна з граней буде ділянкою фактичного контакту, то всі грані цього елемента перебуватимуть під дією стискального напруження, оскільки під впливом прикладеного навантаження елемент намагається збільшити свої розміри в поперечних напрямках, а цьому перешкоджають навколишні елементи матеріалу. На площі контакту діє сила тертя Т і елемент перебуває під дією не тільки нормальних, а й дотичних напружень. Саме такий напружений стан сприяє пластичній деформації матеріалу (рис. 13.2).
Рис. 2.До пояснення пластичного деформованих матеріалів при терті
Дослідження показують, що всі метали при терті в межах активного шару, в якому відбуваються різні фізико-хімічні зміни, пов’язані з процесом тертя, зазнають пластичного деформування. Так, хром затікає у канали пористого хромового покриття і, як показують дослідження Г. О. Прейса, пластично деформуються навіть поверхневі шари емалевих покриттів.
Підвищення температури має такий вплив на зміни в поверхневому шарі:
- якщо температура поверхневих шарів вища від температури рекристалізації, то поверхневий шар не наклепується, а перебуває в стані підвищеної пластичності, внаслідок чого поверхні вигладжуються;
- висока температура і пластична деформація сприяють дифузійним процесам (навуглецьовуванню, окисненню, взаємному дифузійному проникненню матеріалів пари при терті);
- при раптовому локальному підвищенні температури можуть утворюватися загартовані структури. Цьому сприяють високі тиски, які знижують критичні точки структурних перетворень.
Хімічна дія середовища впливає на зміни в поверхневому шарі деталей таким чином:
на оголених унаслідок спрацювання чистих ювенільних металевих поверхнях утворюються оксидні плівки під дією кисню повітря або кисню, який міститься в технологічному середовищі чи в мастилі. Ці плівки захищають поверхні від схоплювання. Дослідження тертя тіл у вакуумі, азоті, аргоні, гелії показали досить високу інтенсивність спрацювання, а на повітрі – значно меншу. Це відбувається внаслідок утворення захисних плівок;
при взаємодії металевих поверхонь з хімічно-активними присадками до мастил утворюються аналогічні плівки. Плівки ефективно захищають поверхні від спрацювання, якщо швидкість їхнього утворення перевищує швидкість їх руйнування;
у результаті розкладання мастила або технологічного змащувального середовища за високої температури поверхня може насичуватись вуглецем;
агресивні рідини і гази інтенсифікують процес спрацювання.