Механические свойства материалов (стр. 16 )

Теория подобия в сочетании с теорией плотности энергии деформации и принципами синергетики является основой количественной фрактографии, так как позволяет установить связь между микро - и макропараметрами разрушения.

Положения теории подобия сводятся к введению обобщенных безразмерных переменных, что создает условия для обобщения экспериментальных данных и пересчета данных эксперимента, полученных в одних условиях, на другие условия, в которых опыт не проводился. Известно, что при большом числе переменных привести полученные экспериментальные результаты в единую систему трудно, а часто и невозможно. Это особенно сложно, когда задача не решается аналитически. Переход к обобщенным переменным влечет за собой следующие изменения: исключаются из рассмотрения самостоятельные аргументы; другие параметры объединяются в комплексы; появляются новые аргументы (критерии подобия) в виде параметров комплексного типа.

Физическое подобие определяется аналогично геометрическому подобию. При гнометрическом подобии отношения всех соответствующих длин рассматриваемых фигур одинаковы, то есть если известен масштаб, то путем умножения размеров одной фигуры на масштаб (коэффициент подобия) можно получить размеры другой (геометрически подобной) фигуры. Аналогично этому два физических явления подобны, если по численным значениям характеристик одного явления можно получить численные значения характеристик другого явления аналогичным переходом от одной системы измерения к другой с использованием переходных масштабов.

В теории подобия вводится некоторый запас единиц измерений, что позволяет величины, для которых единицы измерения одинаковы во всех принятых системах единиц измерения, называть безразмерными, а величины, для которых в опыте (или теоретических исследованиях) допускаются различные единицы измерения, называть размерными. В физических исследованиях чаще всего за основные единицы измерения принимают единицы длины, времени и массы или единицы длины, времени и силы. Размерность записывается в виде символов: L – длина, М – масса, Т – время.

Важным для установления критериев подобия является выделение определяющих параметров, которыми называют совокупность размерных и безразмерных переменных и постоянных величин, полностью описывающих данный процесс или явление. Число определяющих параметров должно быть минимальным, и они должны отражать основные факторы процесса.

Число критериев подобия определяют на основе π-теоремы следующим образом:

- выписывают ряд определяющих параметров, имеющих существенное (определяющее) значение для процесса, включая постоянные и переменные параметры;

- определяют общее число N определяющих параметров;

- определяют число n основных единиц измерения, через которые выражаются определяющие параметры;

- рассчитывают число независимых комбинаций π=N-n.

Необходимым и достаточным условием подобия двух явлений является постоянство численных значений независимых безразмерных комбинаций, то есть явления физически подобных, если по характеристикам одного из них можно получить характеристики другого простым умножением на коэффициенты, зависящие только от размерности.

Теория подобия является своеобразной теорией эксперимента и дает возможность устанавливать параметры, которые следует определять в опыте для установления искомых характеристик процесса. Известны успешные приложения теории подобия и размерности к самым различным вопросам физики и механики сплошной среды.

было показано, что при анализе подобия механических явлений необходимо учитывать динамику и кинетику процесса разрушения. При рассмотрении процесса хрупкого разрушения материала включил в число определяющих параметров следующие: X, P, l, E, k, ρ, γ, τ с размерностями:

[X]=L; [P]=М; [l]=LM2; [k]=L-2MT; [ρ]=L-4; [γ]=LM-1; [τ]=T,

где Х – длина движущейся трещины; Р – нагрузка, l – линейный размер; Е – модуль упругости; ρ и k – плотность и вязкость упругопластической среды соответственно; γ – удельная поверхностная энергия материала; Т – время.

При числе основных единиц измерения, образующих размерности, равном в данном случае трем, и числе определяющих параметров, равном восьми, получим на основе π-теоремы, что число независимых безразмерных комбинаций равно пяти, то есть для обеспечения подобия хрупкого разрушения необходимо использовать следущие пять критериев подобия:

π1=Х/l=idem,

π1=Eρl2/k2=idem,

π1=P/(El2)=idem,

π1=τ2E/(ρl2)=idem,

π1=γ/(El)=idem.

Тогда можно записать следующее критериальное уравнение (критериальными уравнениями называют безразмерные уравнения, содержащие в качестве переменных величин критерии подобия, инвариантные по отношению к любым механическим подобным системам):

Х/l=f(P/(El2); τ2E/(ρl2); Eρl2/k2; γ/(El)).

Используя это уравнение, можно моделировать процесс разрушения упруговязкого тела, так как для двух подобных явлений их безразмерные уравнения совпадают. Это позволяет представить критериальные уравнения в виде соотношений между критериями подобия. Из определения критерия подобия, например, P/(El2)=idem, следует, что

P1/(E1l21)=P2/(E2l22)=P3/(E3l23)=…= Pi/(Eil2i).

был проведен анализ критического состояния твердого тела с трещиной в упругой постановке. Для этого в число определяющих парметров, характеризующих переход к нестабильности разрушения, были включены следующие:

Хк= idem; σ/Е=idem; γ/(El)=idem.

5.5 Изнашивание и износостойкость

Под изнашиванием (износом) как процессом понимают ненамеренное постепенное срабатывание поверхности твердого тела под механическим воздействием, в частности под воздействием трения. Под изнашиванием как величиной понимают объем, отделившийся от поверхности в процессе изнашивания, или изменение линейных размеров. Изменение линейных размеров в направлении, перпендикулярном к изнашивающейся поверхности, отнесенное к единице времени, называется скоростью изнашивания. Интенсивность износа, а следовательно, и срок службы изделия, зависят от величины давления на поверхность касания, от скорости скольжения, от величины коэффициента трения и износостойкости металла.

Износостойкость – это сопротивление материалов износу. Износ деталей не должен превышать определенной величины.

Поведение металла при изнашивании под действием различных изнашивающих факторов невозможно выразить одной объединяющей характеристикой, потому что в зависимости от ряда факторов – состояния поверхности трущихся тел; рода, свойств и поведения образующихся продуктов изнашивания или уже существующих частиц пыли; относительного движения и скорости трущихся деталей и от рода газообразного или жидкого промежуточного слоя и уровня температуры – изнашивание материала может быть совершенно различным и поведение различных материалов может изменяться.

Среди видов изнашивания, встречающихся в практических условиях в пределах области основных металлических тел (то есть типичных сочетаний основного изнашивающегося тела, сопряженного тела, промежуточной среды, соотношений скорости и контактных сил как “элементов” или начальных условий процесса изнашивания), в первую очередь различают износ скольжения и износ качения, каждый при жидком, газообразном или твердом промежуточном веществе. Дальнейшим видом изнашивания является эрозия (иначе – износ в потоке, то есть вымывание замкнутым потоком среды, смешанной часто с твердыми частицами). При воздействии часто повторяющихся ударов сосредоточенных кавитационых объемов говорят о кавитации, при воздействии часто повторяющихся ударов свободно летящих частиц жидкости – о капельном изнашивании. Самый рапространенный износ – износ от коррозии (10 % в год). На практике различные виды изнашивания часто протекают одновременно.

В зависимости от характера отделения частиц от поверхности различают также формы изнашивания металлические или оксидные продукты изнашивания, заедание (схватывание), образование углублений и другие.

При трении сопряженных деталей различают следующие виды износа:

механический, характеризуемый в основном явлениями механическими (абразивный износ, износ вследствие пластического деформирования, износ вследствие усталостного разрушения в поверхностном слое при трении качения);

молекулярно-механический, характеризуемый проявлением молекулярных сил (износ, сопровождаемый схватыванием металлов);

коррозионно-механический, характеризуемый проявлением химических взаимодействий металлов со средой или смазкой (окислительный износ).

Закономерности протекания процесса изнашивания справедливы только ограниченно в пределах определенных изнашивающих нагрузок; поведение различных металлов, установленное для изнашивания определенного вида, нельзя безоговорочно переносить на их поведение при других видах изнашивания.

Между поведением какого-либо металла при изнашивании и другими физическими и технологическими свойствами, а также химическим составом не существует ясно выраженной зависимости, как и между скоростью скольжения и изнашиванием. В первую очередь оказывает влияние твердость, а также микроструктура, величина зерна, восприимчивость к наклепу и вязкость.

Для предупреждения износа используют:

а) смазку трущихся поверхностей. Подбор каждого вида смазки для нового изделия производится испытаниями на стенде. Испытывают работу изделия с несколькими видами смазок. При работе замеряют температуру нагрева деталей и в дальнейшем используется тот вид смазки, температура нагрева при котором минимальна;

б) антифрикционные материалы. Они имеют высокий коэффициент скольжения и низкий коэффициент трения;

в) упрочняют трущиеся поверхности специальными видами химико-термической обрабтки.

Легирующие элементы, благоприятствующие восприимчивости к наклепу (фосфор и азот), обусловливают меньшее изнашивание в случае нелегированных незакаленных сталей (рельсы, проволока, применяемая для разрезки). Стали с большим содержанием в структуре тонкопластинчатого перлита проявляют малую склонность к отслаиванию; их изнашивание при скольжении обычно уменьшается с увеличением величины зерна. Повышенное содержание включений, как и повышенные температуры, увеличивает склонность к отслаиванию. При сухом изнашивании скольжения оксидная пленка может оказывать защитное действие, а оксидные или металлические продукты изнашивания могут служить шлифующим средством. Изнашивание может наступить в результате заедания (схватывания) двух скользящих одна по другой металлических поверхностей, причем сначала происходит местное сваривание, а затем вырывание этих частиц; заедание, которому способствуют недостаточная маслянная пленка и повышенные температуры, возникает в особенности тогда, когда в процессе трения сопряжены стали аналогичного состава и структуры. При трении качения (в условиях небольшого дополнительного скольжения) возникают очень высокие и большой частоты переменные напряжения в поверхностном слое; химический состав, вид и поведение продуктов изнашивания обусловливают при этом дополнительное шлифующее действие. В результате наклепа интенсивность изнашивания может быть существенно снижена.