Машиноведение и прочность материалов Закономерности

Машиноведение и прочность материалов
241
Закономерности абразивного изнашивания
А.А. Егоров, П.Е. Царев
Научный руководитель: к.т.н., профессор кафедры «Техническая механика» В.В. Зелинский
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
Изучению процесса абразивного изнашивания при скольжении посвящены ряд работ ученых трибологической школы (М.М. Хрущов, М.А. Бабичев, В.Н. Кащеев, В.Н. Львов и др.), в
основном, для условий работы машин и оборудования горнорудной промышленности и сельского хозяйства, строительно-дорожной и транспортной техники, инструмента буровых и дробильных машин [1]. Однако механика взаимодействия твердых частиц с рабочей поверхностью
при скольжении практически не зависит от конкретной принадлежности изнашиваемой поверхности к тому или иному виду трибосопряжения. Поэтому установленные закономерности
абразивного изнашивания, имеющие общий (фундаментальный) характер, вполне применимы и
для условий работы любых трибосистем.
Характерными особенностями абразивного изнашивания является нестационарность контактов твердых частиц с изнашивающейся поверхностью, широкий спектр и высокая концентрация напряжений, многообразие форм и прочностных свойств твердых частиц. Наличие такого многообразия трудноучитываемых факторов не позволяет достоверно классифицировать материалы по их абсолютной способности сопротивляться абразивному изнашиванию. Поэтому
для задач выбора и создания материалов для различных трибосопряжений ранжирование материалов производится по их относительной износостойкости ε, определяемой по формуле
h
ε=
,
h0
где h - линейный износ образца испытываемого материала, h0 - линейный износ эталонного образца.
При этом в качестве обобщающего показателя физико-механических свойств поверхности
изнашиваемого материала используется твердость по Бринеллю (НВ), как легко определяемый
стандартными методами показатель.
В результате специальных испытаний на изнашивание при трении по наждачной бумаге,
проведенных М.М. Хрущовым и М.А. Бабичевым, была установлена, качественно адекватная
для чистых металлов, а также для различных (отожженных и термообработанных ) сталей и
твердых сплавов, следующая закономерность
НВ
ε = Kε
,
q
где НВ - твердость испытываемого материала, q - контурное давление на образец, Kε - безразмерный коэффициент износостойкости, имеющий достаточно большой диапазон изменения.
Достоверность установленной закономерности иллюстрируют многочисленные экспериментальные результаты, представленные в таблице.
Установлено, что относительная износостойкость механически наклепанных металлов и
сталей, у которых в процессе наклепа не происходит фазовых превращений, не зависит от твердости, сформированной наклепом, или даже немного снижается с ее повышением [2].
Износостойкость изнашиваемой поверхности также зависит и от механических свойств
твердых частиц, царапающих ее и являющихся контртелом. В целом, применительно к стальным поверхностям, трибологические исследования позволяют сделать следующие выводы по
изнашиванию при скольжении в терминах относительной твердости сопряженных тел
• если твердость частиц значительно выше твердости изнашиваемой стали, то износ не зависит от разности твердостей стали и частицы,
• если твердость частиц близка к твердости стали, то уменьшение этой разницы в твердостях приводит к снижению износа,
242
Научный потенциал молодёжи - будущее России
• если сталь тверже частицы, то износ мал и тем меньше, чем различие в твердостях больше,
• размер частицы влияет на износ до определенного предела, после чего он остается постоянным при прочих равных условиях.
Сталь
Твердость, НRс
55Л
60
80
65Г
65Г
65Г
65Г
У10
ШХ15
Х6Ф
110Г13Л
48…60
50…60
55…62
35…44
38…51
48…55
53…58
55…62
58…63
59…62
220…260 НВ
Относительная износостойкость
1,7…2,8
1,8…3,0
2,1…3,2
1,2…1,5
1,3…1,8
1,7…2,1
3,0…3,3
2,9…3,5
3,2…3,6
4,8…5,6
1,5…2,0
Примечание: за эталон (ε = 1) принята нормализованная сталь 55Л.
Стойкость к абразивному изнашиванию зависит также от состава и структуры поверхностного слоя изнашиваемого материала. Высокая износостойкость достигается при высоком пределе прочности на сжатие, на сдвиг, высокой микротвердости структурных составляющих, высокой теплопроводности, при небольшом различии в коэффициентах теплового расширения
отдельных фаз, равномерном распределении легирующих элементов.
Для сталей установлена относительная износостойкость различных структурных составляющих. При этом наибольшую износостойкость имеют структура аустенит+мартенсит и аустенит+карбид, наименьшую феррит-перлит и промежуточные значения имеют аустенит и мартенсит.
Повышению износостойкости способствует
-насыщение поверхностных слоев высокотвердыми соединениями карбидов, нитридов, боридов металла,
-способность высокотвердых структур удерживаться в поверхностном слое,
-способность материала упрочняться в процессе деформирования при трении (например,сталь 110Г13Л).
Повышение износостойкости при абразивном изнашивании достигается различными технологическими методами упрочнения поверхности: термоообработка, химикотермическая обработка, наплавка и напыление износостойких материалов и др.
Исследование влияния состава и структуры материалов, технологических методов их обработки для повышения износостойкости является предметом триботехнического материаловедения.
Литература
1. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов. 2-е изд. перераб. и доп. / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А.Буше и др.; Под общ. ред. А.В. Чичинадзе.-М.:
Машиностроение, 2001.-664 с.,ил.
2. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В.Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д.
Браун и др.; Под общ. ред. А.В.Чичинадзе.-М.: Машиностроение, 2003.-576 с.; ил.
Машиноведение и прочность материалов
243
Расчет пространственного бруса при равномерном вращении с учетом сил инерции
Е.С. Ионова
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Н.Д. Лодыгина
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
Статическое действие нагрузок имеет место, когда при передаче давления от одной части
конструкции на другую или при действии объемных сил механическое движение этих частей
не меняется с течением времени. В этом случае каждый элемент конструкции находится в равновесии под действием внешних нагрузок и напряжений.
Постоянство движения характеризуется тем, что скорость рассматриваемых деталей и каждой их части не меняется – отсутствует ускорение частиц этих элементов. Наличие же ускорения частиц рассматриваемого тела или соприкасающихся с ним деталей характеризует уже
воздействие динамической нагрузки. Так, давление земли на подпорную стенку будет статической нагрузкой, так как ни стенка, ни земляная масса не движутся, - скорость их постоянна и
равна нулю.
Точно так же статическим будет действие поднимаемого груза на канат при постоянной
скорости подъема груза. Наоборот, это действие будет динамическим, если груз поднимается с
ускорением. Динамическую нагрузку испытывают шатуны паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, так как отдельные элементы их движутся с переменной скоростью. В качестве других примеров конструкций, работающих на динамическую нагрузку, можно указать на
фундамент машины. имеющей вращающиеся части. расположенные внецентренно относительно оси вращения. – они будут испытывать центростремительное ускорение; можно указать на
фундамент и шток парового молота, так как боек молота при ковке теряет свою скорость за
очень короткий период времени, что связано с сообщением ему весьма больших ускорений.
При проектировании машин некоторые детали совершают сложные перемещения. На частицы движущейся неравномерно детали действуют силы инерции, которые могут быть определены, если известны масса частицы и ее ускорение.
Движущую систему (или точку) можно в любой момент времени рассматривать как находящуюся в равновесии, если к действующим на систему (или точку) заданным силам и динамическим
реакциям связей присоединить силы инерции. Сила инерции материальной точки равна произведению массы точки на ее ускорение и направлена в сторону, противоположную ускорению.
Проведен расчет пространственного бруса круглого поперечного сечения при равномерном вращении с учетом сил инерции. При равномерном вращении бруса нормальные (центробежные) силы инерции постоянны во времени. Для каждого участка бруса определены центробежные силы.
Пользуясь схемой нагружения, определены реакции опор и простроена эпюры изгибающих
моментов, по которой определили опасное сечение. Далее составили условие прочности как и
для обычных балок.
По условию прочности определили максимальный момент.
Для данной схемы бруса так же можно определить диаметр бруса и наибольшую допустимую угловую скорость.
244
Научный потенциал молодёжи - будущее России
Исследование и расчет нормальных и касательных напряжений
в сечениях чугунного бруса
Н.В. Козлова
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Н.Д. Лодыгина
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирсая область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
В самом общем случае нагружения в поперечных сечениях бруса возникают все шесть
внутренних силовых факторов. При расчете на прочность, как уже указывалось, влияние поперечных сил в подавляющем большинстве случаев не учитывается и, следовательно, рассматривается работа бруса на совместное действие изгиба, кручения и растяжения (или сжатия). Для
бруса круглого сечения нормальные напряжения от изгиба определяются по результирующему
изгибающему моменту. Кроме того, в поперечных сечениях возникают равномерно распределенные нормальные напряжения от растяжения (сжатия). Нормальные напряжения вызываются
не только изгибом, но и растяжением (или сжатием). При изгибе с кручением опасными являются две точки поперечного сечения. При наличии же и продольной силы опасной будет одна
из этих точек, а именно та, в которой напряжения от изгиба и осевого нагружения имеют одинаковые знаки.
В зависимости от принятой теории прочности производится расчет прочности, причем в
M кр
N M
нее подставляются значения σ = +
иτ =
.
A W
Wp
В случае равенства нулю крутящего момента в опасных точках бруса имеет место одноосное напряженное состояние (если пренебречь касательными напряжениями, связанными с поперечными силами). Следовательно, расчет в этом случае ведется без применения теорий прочN M
ности. Нормальные напряжения в опасной точке при этом равны: σ max = +
, где М – знаА W
чение результирующего момента в опасном сечении бруса.
Проведен расчет прямого бруса, на который действуют два сосредоточенных момента,
распределенный момент и две сосредоточенные силы. Брус имеет два участка: первый участок–
круглого поперечного сечения, второй – квадратного сечения.
Брус испытывает деформации кручения, сжатия и изгиба. В поперечных сечениях его возникают продольная сила, крутящий момент, изгибающий момент (в данном расчете поперечную силу не учитываем). Построены эпюры внутренних силовых факторов.
Проверили прочность бруса в характерных сечениях, где возникают наибольшие значения
внутренних силовых факторов.
Определили напряжения от сжатия, изгиба и кручения и построили эпюры напряжений в
характерных сечениях.
Прочность чугунного бруса проверяли по теории прочности Мора
σ экв = σ 1 −
[σ р ] σ ≤ [σ ].
р
[σ ] 3
сж
[ ]
Эквивалентные напряжения на первом и втором участках σ экв ≤ σ р , следовательно, в
целом прочность на первом и втором участках обеспечена.
Машиноведение и прочность материалов
245
Стали для измерительных инструментов
А.Н. Мочалин
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Ю.Л. Широков
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
Основными требованиями, предъявляемыми к сталям для измерительных инструментов,
является высокая твердость и износостойкость, а также стабильность размеров и формы в течении длительного срока службы. К дополнительным требованиям относятся возможность получения низкой шероховатости поверхности и малой деформации при термической обработке.
Для изготовления измерительных инструментов применяется заэвтектоидные низколегированные стали Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, отрабатываемые на высокую твердость (HRC 60-64). В отличии от режущих инструментов термическая обработка проводится таким образом, чтобы затруднить процесс старения, который происходит в заклеенной стали и вызывает объемные изменения, недопустимые для измерительных инструментов. Причинами старения служат:
а) перераспределение напряжений, что может вызвать деформацию;
б) уменьшение тетроганальности мартенсита из-за выделения углерода, что приводит к
уменьшению объема и размеров;
в) превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска, что увеличивает размеры.
Для уменьшения количества остаточного аустенита, закалку проводят с более низкой температурой, кроме того инструменты высокой точности подвергают обработке холодом при
температуре -50…-80ОС. Отпуск проводят при 120-140 ОС в течении 24-48 ч.
Плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны и т.д.) нередко изготавливают из листовых сталей 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХН3А, подвергаемых цементации, или из сталей 50 и 55, нагреваемых с поверхности нагревом ТВЧ. При такой обработке неравновесная структура в этих
сталях образуется только в поверхностном слое, происходящие в нем объемные изменения мало отражаются на размерах всего инструмента.
Для инструментов сложной формы и большого размера применяют сталь 38ХЮА с азотированием на высокую твердость.
Литература
1. Материаловедение. Учеб. Б.Н. Арзомасов и др. М.: Машиностроение, 1986 – 384 с.
2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975 – 583 с.
Влияние скорости нагрева при рекристаллизационном отжиге
на структуру и свойства стали
А.В. Попов
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Ю.Л. Широков
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
При термической обработке и, в частности, при отжиге, нагрев производится с использованием электрической энергии. Экономия энергоресурсов при интенсивно развивающейся
промышленности является важной экономической задачей.
В связи с этим, важно было исследовать процесс рекристаллизационного отжига после холодной пластической деформации после более быстром нагреве. Быстрый нагрев до высоких
температур снижает затраты на электроэнергию. Для решения этой задачи образцы из стали
246
Научный потенциал молодёжи - будущее России
10 КП были подвержены холодной пластической деформации ( ε = 75 0 0 ). В результате деформации с такой степенью зерна измельчаются и вытягиваются в направлении действующих сил,
металл преобретает сложное (волокнистое) строение. При этом повышается твердость и снижается пластичность стали [1].
Для снятия упрочнения и повышения пластичности стали деформированные образцы подo
вергались рекристаллизационному отжигу при температуре (600 С) и медленном нагреве.
Вторую группу образцов Ст10КП подвергали после пластической деформации рекристаллизационному отжигу, но нагрев производился до более высоких температуры (700°С), но при
быстром нагреве. В результате такого отжига сталь преобретала мелкозернистую структуру и
повышенную вязкость. Это, по-видимому, связано с тем, что развилась интесивная первичная
рекристаллизация из многих центров, что привело к получению мелкозернистой структуры и
отсутствием текстуры, что очень важно для полуфабрикатов, идущих на глубокую вытяжку [2].
Таким образом, повышение скорости нагрева после холодной пластической деформации
при рекристаллизационном отжиге приводит к получению мелкозернистой структуры стали с
повышенной вязкостью, при этом наблюдается значительное снижение затрат на электричкую
энергию.
Литература
1. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. 566 с.
2. Бодяко М.И., Астанчик С.А., Ярошевич Г.Б. Термокинетика рекристаллизации. Минск. Наука и техника. 1968. 252 с.
Проверочный расчет бруса при простом и сложном сопротивлении
Т.В. Серегина
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Н.Д. Лодыгина
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
На практике большинство элементов конструкций и машин подвергается действиям сил,
вызывающих одновременно не одну из простейших деформаций, а две и более.
Валы машин подвергаются действию кручения и изгиба; стержни ферм (стропильных,
мостовых, крановых), помимо растяжения или сжатия, испытывают еще и изгиб, вызываемый
устройством в узлах сварных или клепаных соединений взамен шарниров, предполагающих
при выполнении расчетов. Все такие случаи сопротивления стержней, когда мы имеем дело с
комбинацией простейших деформаций, называются сложным сопротивлением.
При расчетах на сложное сопротивление обычно исходят из так называемого принципа независимости действия сил, т.е. предполагают, что влиянием деформаций, вызванных одной из
приложенных к упругой системе нагрузок, на расположение, а, следовательно, и на результаты
действия остальных нагрузок можно пренебречь. Опыт показывает, что пока деформации системы малы, этот принцип может быть использован (исключительные случаи, когда он вообще
не применим, будут рассмотрены ниже); а поэтому для нахождения полных напряжений и деформаций, возникающих в упругой системе в результате действия на нее любой сложной системы нагрузок, можно применить способ сложения действия сил, т.е. геометрически суммировать напряжения и перемещения, соответствующие различным видам простейших деформаций.
Проведен проверочный расчет детали по теории прочности максимальных касательных
напряжений (третья теория прочности). Для каждого участка детали определен вид сопротивления. Деталь испытывает: прямой изгиб; изгиб с кручением и сжатие; изгиб с кручением.
Определены для каждого участка в опасном сечении нормальные и касательные напряжения: нормальные напряжения от продольной силы и изгибающих моментов и касательные напряжения от поперечных сил и крутящего момента.
Машиноведение и прочность материалов
247
Для нахождения опасной точки в сечении построены эпюры нормальных и касательных
напряжений, соответствующих каждому из внутренних силовых факторов.
Опасными являются те точки, для которых эквивалентное напряжение имеет наибольшую
величину.
Для каждого участка в опасной точке определены эквивалентные напряжения по теории
прочности наибольших касательных напряжений. Сопоставив эти значения напряжений с допускаемыми, делаем вывод, что прочность детали в указанных сечениях обеспечена.
Природа адгезионного изнашивания при резании
А.С. Сизянова, О.А. Соловьева, Е.А. Комова
Научный руководитель: к.т.н., профессор кафедры «Техническая механика» В.В. Зелинский
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
В процессе резания контактирующие поверхности инструмента и обрабатываемой детали
находятся в экстремальных условиях трения и изнашивания. Эти условия предопределяют повышенные контактные давления, достигающие предела текучести обрабатываемого материала,
высокие скорость скольжения и температура в зоне резания. При этом для контактных поверхностей характерны малые размеры, неравномерность распределения действующих напряжений
и температуры. Очень неблагоприятным условием для контактирующих поверхностей является
повышенная ювенильность (химическая чистота) непрерывно обновляемой поверхности среза
обрабатываемой детали, что сопряжено с неизбежными явлениями адгезионного схватывания.
Таким образом, только прочность инструмента не является достаточным условием для его работоспособности. Инструмент должен обладать достаточно высокой стойкостью к адгезионному изнашиванию.
Пластическая деформация материала обрабатываемой детали протекает одновременно в
зонах контакта срезаемой стружки с передней поверхностью инструмента и контакта обрабатываемого материала с задней поверхностью инструмента. Напряженное и деформированное
состояние в этих зонах в определенной степени взаимно связаны. Эти взаимосвязи предопределяют сходство явлений, протекающих в обеих зонах контакта и сопровождающих процесс резания: тепловыделение, теплопередачу, адгезионное взаимодействие, наклеп, фазовые превращения, химические реакции со средой, микроструктурные изменения и др.
Экспериментальные исследования процесса адгезионного изнашивания при резании показали [1], что образование износа происходит путем вырыва частиц материала, как правило, с
более мягкой поверхности обрабатываемой детали. Но иногда вырванные частицы менее прочного материала переносятся на более прочную поверхность инструмента и на ней образуют наросты повышенной твердости.
Действительно, в трибологии установлены факты чрезвычайно сильного упрочнения поверхностных образований при адгезионном взаимодействии. Так на сталях зафиксирована
твердость наростов, образующихся при заедании, превышающая твердость карбида вольфрама–
1900 HV [2]. Аналогичные результаты приводятся в работе [3].
С целью количественного описания природы образования адгезионного соединения при
резании предложен критерий оценки – коэффициент интенсивности адгезии [1], получаемый в
результате специальных экспериментов по определению силы разрыва адгезионной связи, образовавшейся под действием внешнего усилия. Коэффициент интенсивности адгезии Ка подсчитывается по формуле
FУД
Кa =
,
σВ
248
Научный потенциал молодёжи - будущее России
где FУД - удельная сила адгезии, определяемая отношением силы разрыва адгезионной связи к
площади ее сечения, σВ - предел прочности испытываемого материала при температуре образования адгезионной связи.
Исследованиями процесса схватывания большой группы инструментальных материалов
(корунда, нитрида бора, алмаза и твердых сплавов) со сталью и железом Армко установлено,
что с ростом температуры коэффициент Ка экспоненциально возрастает для всех сочетаний материалов вплоть до их температурных фазовых превращений. Как показывают экспериментальные результаты с ростом температуры значение удельной силы разрыва адгезионной связи
инструментальных материалов со сталью может достигать предела прочности обрабатываемой
стали (при Ка = 1). В отдельных случаях, связанных с диффузией соединенных адгезией металлов, значение FУД может даже превышать предел прочности обрабатываемого материала.
Таким образом, анализ видов повреждений инструментов от изнашивания показал, что адгезионный износ может реализовываться двумя путями:
а) в результате схватывания на инструменте образуются наросты из обрабатываемого материала с последующим их отрывом вместе с частью инструментального материала,
б) при отсутствии наростов в результате отрыва (среза) адгезионной связи на месте ее расположения на инструменте образуются углубления.
Приведенные выводы вполне согласуются с результатами исследований адгезионного изнашивания трущихся сопряжений, проведенных отечественными и зарубежными ученымитрибологами (А.П. Семенов, С.Б. Айнбиндер, Б.И. Костецкий, А.С. Ахматов, В. Гарди, Д. Тейбор и др.).
Известны различные трактовки кинетики и механизма протекания процесса, предложены
разные названия этого вида изнашивания: молекулярно-механический, изнашивание при схватывании. Но основной признак его остается неизменным – молекулярное взаимодействие сопряженных поверхностей в результате разрушения разделительных пленок (масляных, окисных) и совместного пластического деформирования под действием нагрузки.
Действительно, любые металлические поверхности имеют субмикровыступы, на вершинах
которых местные давления могут оказаться достаточными для обеспечения пластической деформации. При этом обнажаются новые химически чистые поверхности и металлы вступают в
контакт под действием сил молекулярного притяжения, образуя прочные адгезионные соединения.
Анализ механизмов адгезионного изнашивания при резании приводит к выводу о том, что
в его основе лежит явление схватывания металлов. По мнению В.Д. Кузнецова [4] наиболее
обоснованной теорией схватывания следует считать теорию С.Б. Айнбиндера, согласно которой порог схватывания всех чистых металлов отрицательный, т.е. при соприкосновении ювенильных поверхностей металлов происходит не поглощение, а выделение энергии. Схватыванию препятствуют поверхностные пленки различного происхождения. Для начала схватывания
необходима пластическая деформация, которая разрушила бы поверхностные пленки и привела
к образованию ювенильных участков поверхности. Порог схватывания определяется как механическими свойствами поверхностного слоя металла, так и механическими свойствами пленки.
Например, окисные пленки как более хрупкие, разрушаются при меньших деформациях, чем
масляные.
Литература
1. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.- М.: Машиностроение,
1982.-320 с.
2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.:
«Машиностроение», 1977. 527 с.
3. Справочник по триботехнике / Под общ. ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. В 3 т. Т.1 Теоретические основы.- М.: Машиностроение, 1989.- 400 с.
4. Кузнецов ВД Физика резания и трения металлов и кристаллов. Избранные труды. Изд-во
«Наука», М.: 1977. 310 с.
Машиноведение и прочность материалов
249
Исследование напряжений в статически определимых и неопределимых плоских рамах
В.В. Слепченко
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Н.Д. Лодыгина
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
Способностью статически неопределимых систем воспринимать большую нагрузку по
сравнению со статически определимыми системами, сохраняя при этом прочность и жесткость
конструкции, объясняет их широкое распространение в технике.
Примерами статически неопределимых систем могут служить: мост, пролетное строение
которого представляет собой неразрезную балку постоянного сечения; каркас здания, являющегося сложной многократно статически неопределимой системой.
Статически неопределимой системой называется система, у которой общее число неизвестных реакций больше, чем число уравнений статики, выражающих условия равновесия системы. Определение реакций статически неопределимой системы возможно только на основании рассмотрения деформаций.
Проведен численный расчет дважды статически неопределимой рамы. Составлены два канонические уравнение метода сил для раскрытия статической неопределимости. Для определения коэффициентов канонических уравнений построены эпюры изгибающих моментов от заданной равномерно распределенной нагрузки и единичные эпюры.
Коэффициенты канонических уравнений определяли по способу Верещагина – перемножением эпюр.
Раскрыв статическую неопределимость рамы построили эпюры внутренних силовых факторов Q,N и М. По эпюре изгибающих моментов определили опасное сечение, для которого
определили максимальные нормальные напряжения.
Для сравнения провели расчет той же рамы, но статически определимой. Определили максимальные нормальные напряжения и сравнили с максимальными напряжениями в статически
неопределимой раме.
По результатам расчета были сделаны следующее выводы:
- в статически определимой раме возникают максимальные напряжения в 6,4 раза больше,
чем в статически неопределимой;
- опасное сечение в статически определимой раме не совпадает с опасным сечением в статически неопределимой.
Особенности изнашивания режущего инструмента
П.А. Смяткин, П.П. Евдокимов
Научный руководитель: к.т.н., профессор кафедры «Техническая механика» В.В. Зелинский
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
При резании контактные площадки на передних и задних поверхностях инструмента непрерывно изнашиваются практически при всех возможных условиях резания и физикомеханических свойствах как инструментального, так и обрабатываемого материалов. Опыт обработки металлов резанием показывает, что доминирующими видами изнашивания лезвийного
инструмента являются адгезионный и абразивный виды с сопутствующими явлениями усталостного и диффузионного характера [1]. В определенных условиях один из видов изнашивания
250
Научный потенциал молодёжи - будущее России
может быть преобладающим, в других – они могут реализовываться одновременно или сменять
друг друга.
В зависимости от условий резания и свойств инструментального и обрабатываемого материалов превалирующий износ наблюдается либо на задней поверхности, либо на передней поверхности инструмента. Износ передней поверхности инструмента проявляется в образовании
лунки на некотором расстоянии от режущей кромки с постепенным увеличением размеров лунки. При изнашивании задней поверхности инструмента происходит образование параллельных
продольных углублений (проточин), расположенных вдоль линии действия силы резания и начинающихся от режущей кромки. Обычно образование проточин является основным в износе
инструмента. Износы на передней и задней поверхностях инструмента приводят к затуплению
режущей кромки, изменению переднего и заднего углов резания, увеличению шероховатости
обработанной поверхности, изменению размеров обрабатываемой детали, увеличению силы и
температуры резания выше допустимых и др. Критерий износа, в соответствии с которым инструмент признается негодным к дальнейшему использованию, зависит от характера выполняемой операции, показателей качества поверхности обрабатываемой детали, инструментального и обрабатываемого материалов и др.
Адгезионное изнашивание при резании явилось объектом исследования многих отечественных ученых технологической школы лезвийной обработки материалов (А.А. Аваков, Т.Н.
Лоладзе, А.Д. Макаров, Н.В. Талантов, П.И. Ящерицын и др.). Экспериментальные исследования процесса адгезионного изнашивания при резании [2] показали, что образование износа
происходит путем вырыва частиц материала, как правило, с более мягкой поверхности обрабатываемой детали. Но иногда вырванные частицы менее прочного материала переносятся на более прочную поверхность инструмента и на ней образуют наросты повышенной твердости. Одновременно имеет место и обратный перенос частиц – с твердой поверхности инструмента на
мягкую поверхность обрабатываемого материала. В процессе резания наросты непрерывно
срываются, оставляя углубления в местах закрепления как на поверхности детали, так и на поверхности инструмента независимо от их прочности. Кроме того, частицы нароста, имея твердость, близкую к твердости инструмента, «пропахивают» (как частицы абразива) его переднюю
и заднюю поверхности.
Наблюдениями установлено, что наросты обычно образуются у режущей кромки инструментов, что указывает на повышенную интенсивность схватывания вдоль нее. Это обусловлено
действием как повышенных контактных давлений . так и вхождением в контакт с инструментом поверхностей с повышенной ювенильностью.
Существенное снижение явлений схватывания достигается применением смазывающих
жидкостей, Но вблизи режущей кромки смазка не в состоянии полностью устранить адгезионное взаимодействие. Смазывающий эффект снижается с увеличением скорости резания. Очевидно это связано с отставанием процесса образования адсорбированных пленок смазывающей
жидкости от процесса образования химически чистых поверхностей обрабатываемого материала. Этому способствует размягчение контактных слоев из-за высокой температуры, пластическое деформирование и закрытие пор у обрабатываемого материала в зоне резания.
Анализ работ [1], посвященных изучению абразивного изнашивания режущего инструмента показал, что повреждения при абразивном изнашивании имеют вид царапин, канавок на передней и задней поверхностях режущей части инструмента. При этом выявлена характерная
особенность, касающаяся происхождения повреждений при абразивном изнашивании и состоящая в том, что причины возникновения этих повреждений имеют двойственный характер.
Во-первых было установлено, что повреждения образуются в результате многократного
механического воздействия на рабочие поверхности инструмента твердых включений (карбидов,окислов), содержащихся в структуре обрабатываемого материала. При этом в процессе резания твердые включения внедряются в поверхности инструмента и царапают их как микроскопические резцы. Проявление царапающего действия усиливается, если твердость режущей
части инструмента уменьшается из-за нагрева. В зависимости от размера твердых включений и
характера их распределения в обрабатываемом материале интенсивносиь изнашивания может
значительно изменяться.
Во-вторых, повреждения в виде царапин, канавок, вытянутых бороздок образуются в результате воздействия на поверхности инструмента отделившихся наростов или их фрагментов
Машиноведение и прочность материалов
251
адгезионного происхождения, имеющих повышенную твердость. Измерениями твердости этих
наростов установлено, что она может существенно превышать твердость наружных слоев режущей части инструмента, тем более испытывающих повышенный нагрев при резании. Считается, что повышение твердости наросты и их фрагменты приобретают в результате деформационного упрочнения.
Существенное влияние на абразивное изнашивание режущего инструмента оказывают охлаждающие среды, могущие иметь повышенную химическую активность. В этом случае поверхностные защитные пленки на режущей части инструмента ослабляются и легче поддаются
царапанию твердыми частицами, являющимися как включениями обрабатываемого материала,
так и упрочнившимися наростами этого материала адгезионного происхождения.
Считается, что химически активные охлаждающие среды сильно уменьшают адгезию на
поверхностях инструмента, не влияя на их прочность. Поэтому интенсивность адгезионного
изнашивания снижается в некоторых химически активных средах, повышая тем самым, стойкость инструментов из твердых сплавов, для которых абразивное изнашивание не является доминирующим. Специальными исследованиями доказано, что в химически активных средах,
благодаря снижению адгезионной способности рабочих поверхностей, абразивное изнашивание
инструмента из быстрорежущей стали становится доминирующим даже при обработке заготовок из стали. Предложено считать такое изнашивание абразивно-химическим.
Рекомендуется при подборе смазочно-охлаждающих жидкостей учитывать их возможное
действие на инструмент. Среда считается эффективной, если снижение адгезионного изнашивания не перекрывается усилением абразивно-химического изнашивания.
Литература
1. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.- М.: Машиностроение,
1982.-320 с.
2. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента.- М.: Машиностроение, 1992.-240 с.
Определение напряжений при колебаниях систем с одной степенью свободы
Н.В. Сорокин
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры «Техническая механика» Н.Д. Лодыгина
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
Упругая система, выведенная каким-либо путем из равновесия, приходит в колебательное
движение. Колебания происходят около положения упругого равновесия, при котором в нагруженной системе имеет место статические деформации δ с и соответствующие им статические
напряжения рс ( σ с и τ с - в зависимости от вида деформации). При колебаниях к статическим
деформациям добавляются динамические, зависящие от вида колебательного движения и от
величины размаха (амплитуды) колебаний. В связи с этим изменяются и напряжения рс . Таким образом, при расчете колеблющейся системы на прочность необходимо уметь вычислять
динамические добавки к статическим деформациям и соответствующим им напряжениям.
Во многих случаях характер колебаний системы может быть определен одной какойнибудь величиной (одной координатой). Такие системы называются системами с одной степенью свободы; таковы, например, растянутая или сжатая незначительного веса пружина с грузом на конце, совершающая продольные колебания; небольшого (сравнительно с грузом Q)
собственного веса балка, колеблющаяся в направлении, перпендикулярном к ее оси, и т.п.
Колебания упругой системы, вызвано однократным воздействием силового импульса и в
дальнейшем происходящие под влиянием сил упругости самой системы, называют свободными
или собственными колебаниями. Такие колебания не могут быть опасны для прочности конст-
252
Научный потенциал молодёжи - будущее России
рукции, так как практически всегда есть силы внешних и внутренних сопротивлений, вызывающие затухание собственных колебаний.
Вместе с тем определение частот собственных колебаний имеет весьма большое практическое значение, так как знание их необходимо для расчета на вынужденные колебания. При вынужденных колебаниях в конструкции возникают переменные во времени напряжения, что связано с опасностью усталостного разрушения.
Проведен расчет амплитуды вынужденных колебаний статически неопределимой рамы.
Определены наибольшие нормальные напряжения, возникающие в опасном поперечном сечении рамы от действия веса двигателя и вращающейся с ротором двигателя массы.
В начале задачи раскрыта статическая неопределимость рамы методом сил с применением
метода Мора и правила Верещагина. Построена окончательная эпюра изгибающих моментов от
статически приложенного веса двигателя. Определены частоты собственных и вынужденных
колебаний от возмущающей силы.
Наибольшие нормальные напряжения возникают в сечении, где установлен двигатель от
статически приложенной силы. В том же сечении возникают наибольшие нормальные напряжения от действия возмущающей силы.
Динамические напряжения изменяются во времени по симметричному циклу, а суммарные
напряжения изменяются по асимметричному циклу.
Можно также отметить, что в данном расчете учет затухания колебаний практически не
скажется на результате расчета. Действительно, значение динамического коэффициента отличается от вычисленного без учета затухания всего лишь на 1,6%.
Основные положения адгезионной теории схватывания при трении
С.О. Степанова, Я.С. Корчагина
Научный руководитель: к.т.н., профессор кафедры «Техническая механика» В.В. Зелинский
Федеральное агентство по образованию Муромский институт (филиал)
ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
602264, г. Муром Владимирская область, ул. Орловская, 23,
E-mail: ulianatm@yandex.ru
К настоящему времени окончательно сформирована адгезионная теория схватывания, которая благодаря работам А.П. Семенова, С.Б. Айнбиндера, Н.А. Буше, И.В. Крагельского и
других стала общепризнанной. Электронная, диффузионная, энергетическая и другие теории
схватывания лишь разъясняют отдельные особенности адгезионной теории.
Основные положения адгезионной теории схватывания сводятся к следующему.
1. Большинство металлов образуют прочные соединения при соприкосновении чистых
(ювенильных) поверхностей. При схватывании происходит выделение энергии. В реальных условиях схватыванию препятствуют поверхностные пленки.
2. Ювенильные поверхности образуются в результате сдвига соприкасающихся неровностей в местах действительного контакта, площадь которых может составлять лишь доли процента от номинальной площади. При этом возникают мостики холодной сварки (адгезионные
мостики).
3. В ряде условий (наклеп, стеснение пластических деформаций, наличие твердых интерметаллидов и др.) сдвиг происходит не по границе раздела, а по менее прочному материалу и
сопровождается переносом материала.
4. Существует критическая пластическая деформация, при которой создается критическая
плотность адгезионных мостиков, что приводит к множественному схватыванию, образованию
адгезионного шва.
5. Порог схватывания определяется как свойствами материалов, так и свойствами поверхностных пленок.
Приведенным положениям соответствуют результаты исследований адгезионного изнашивания трущихся сопряжений, приведенные во многих публикациях по трибологии, основные
Машиноведение и прочность материалов
253
выводы из которых могут быть сформулированы в терминах относительной прочности адгезионного соединения, формируемого в процессе скольжения:
• если соединение более слабое, чем прочность какого-либо из металлов, тогда оно срезается по границе раздела между металлами,
• если соединение более слабое, чем прочность одного из металлов, но прочнее другого,
тогда срез происходит по более мягкому металлу и продукnты изнашивания остаются на поверхности твердого металла,
•если соединение прочнее каждого из металлов, то срезаются оба металла и повреждаются
обе поверхности.
С учетом первостепенной роли пластической деформации в адгезионной теории схватывания заслуживает внимания концепция английской трибологической школы, в соответствии с
которой начало схватывания определяется экспериментальной зависимостью, положенной в
основу модели схватывания (модели Тейбора)
q2 + α1τ2 = α2 k2
где q - нормальное давление на микронеровности, τ - касательное напряжение, α1, α2 - постоянные коэффициенты, k - константа текучести (предел прочности на сдвиг) менее прочного из
материалов.
Несмотря на простоту, отсутствие учета деформационного упрочнения и особенностей
развития повреждения эта зависимость имеет фундаментальное значение, так как связывает
важнейшие факторы напряженного состояния поверхностного слоя при трении (нормальное и
касательное напряжения) с пределом прочности материала при сдвиге аналогично критерию
текучести Мизеса. Следовательно создание условий, предупреждающих пластическое течение материала, лежит в основе предотвращения схватывания и образования адгезионной связи
с последующим его разрушением.
В соответствии с современной (и самой поздней) интерпретацией адгезионного изнашивания разрыв образовавшейся связи происходит по плоскостям максимальных касательных напряжений τmax (линиям скольжения), проходящим по телу микровыступов. Линии скольжения
не совпадают с адгезионным швом. При сдвиге зона пластически деформированных материалов сопряженных поверхностей несколько затормаживается и локализуется в линзообразной
области. При этом в зоне пластического деформирования происходит массоперенос, связанный
с изменением направления структурных волокон материала.
При продолжении сдвига в образовавшемся адгезионном соединении разноименных материалов происходит смещение линий скольжения к адгезионному шву. Поэтому, если один или
оба материала вблизи адгезионного шва не испытывают всестороннего сжатия и имеют возможность перемещаться, заторможенная область стягивается в компактный узел, ограниченный
линиями максимальных касательных напряжений, и приобретает вращательное движение. При
этом возникший конгломеративный микрообъем утрачивает связь с основными материалами и
превращается в частицу износа.
Отмечается, что адгезионный шов образуется только при отсутствии смазочных пленок и
окислов. При их наличии пластическое течение локализуется в тонком поверхностном слое без
схватывания. Кроме того, образование прочной адгезионной связи происходит при определенной нагрузке и температуре, обеспечивающих разрушение разделительных пленок.
В развитие теории адгезионного схватывания вводится понятие адгезионной совместимости для жестко пластического тела, оцениваемой величиной ητ
ητ =
τk
τk
k
≤ 1,
- напряжение среза для адгезионного соединения, k =
σТ
- константа текучести менее
2
прочного из сопряженных материалов с пределом текучести σТ .
При этом под полной адгезионной совместимостью (ητ = 1) понимается схватывание поверхностей, для наступления которого необходимо преодолеть некоторый энергетический
барьер. И для этого поверхности должны иметь достаточную энергию активации, поставляемую путем нагружения и/или нагрева. Характерно, что и в этой теоретической модели используются базовые положения и подходы из теории пластичности.
где
254
Научный потенциал молодёжи - будущее России
В заключение следует отметить следующее. Анализ и сравнение подходов технологической школы и ученых-трибологов в оценке и описании явлений адгезионного изнашивания позволяет сделать два важных вывода:
1) к настоящему времени верхний нагрузочный порог адгезионного взаимодействия трущихся поверхностей пересмотрен в сторону снижения и им является константа текучести –
предел прочности при сдвиге k =
σТ
,
2
2) для описания механизма возникновения и развития адгезионной связи используются
критерии и модели поведения материалов, применяемые в теории пластичности.
Это указывает на исключительную важность пластической деформации как ведущего фактора в механизме возникновения и реализации адгезионного изнашивания.