КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ УПРОЧНЁННОГО МЕТОДАМИ ППД
, Штынь C. Ю.
Эффективные технологии поверхностного пластического деформирования и комбинированной обработки, Ростов-на-Дону, Россия
В работах [1,2] научно обоснованно, что плотность скрытой энергии поверхностных слоев, подверженных ударно - импульсному воздействию свободнодвижущимися инденторами при обработке динамическими методами ППД является интегральным показателем их физико-механического состояния. Величина плотности скрытой энергии численно равна мгновенной совокупной работе всех сил, затрачиваемых на активацию локальной неустойчивости деформируемого материала. При его оценке можно абстрагироваться от вклада конкретных микромеханизмов и видов подводимой энергии в диссипацию энергии. По мере увеличения степени пластической деформации энергия для ее последующей активации возрастает. В тот момент, когда материал достигает состояния предразрушения вследствие усталостного охрупчивания, энергия активации пластической деформации становится эквивалентной энергии активации разрушения. Последний параметр в рамках одного механизма повреждаемости является характеристикой прочности каждого конкретного материала.
Практическая ценность этих параметров заключается в том, что посредством их устанавливается связь между входными внешними силовыми воздействиями, отклоняющими систему от равновесия, и ее реакцией, выраженной как временем обработки материала в процессе ППД, так и продолжительностью его эксплуатации. Сопоставление их значений с различными физическими константами дало повод считать их параметрами, имеющими определенный физический смысл. Так, используя в работе[2 ] аналогию между процессами поглощения энергии кристаллической решеткой при механическом нагружении и при нагреве, позволило вполне обоснованно приравнять энергию активации пластической деформации к скрытой теплоте плавления.
В основе экспериментальной оценки энергетического состояния пластически деформированного материала должна быть заложена активация его до достижения им точки бифуркации и оценка затраченной на это энергии. Для выбора конкретного способа требуется учет следующих факторов :
1) выбранный метод оценки активации материала должен создавать условия для самоорганизации в материале диссипативных механизмов, соответствующих исследуемому процессу;
2) активация материала поверхностного слоя должна быть локализована в пределах исследуемой диссипативной системы;
3) методика и технические средства для перевода материала в возбужденное состояние должны быть максимально простыми, доступными, наукоемкими и отвечающими современным требованиям к средствам и методикам технической диагностики.
На основе анализа специфики и состояния поверхностного слоя модифицированного ППД при разработке методики исследования его энергетического состояния необходимо принимать во внимание следующие обстоятельства.
1.Mатериал поверхностного слоя после ППД потоками свободнодвижущихся инденторов сохраняет кристаллическое строение, а структура поверхностного слоя имеет моногенный характер.
2. В процессе ППД происходит накопление повреждений в материале поверхностного слоя. В заданных условиях ППД толщина граничащего с внешней средой слоя, накапливающего повреждения (debris-слой), сохраняет устойчивое значение. При достижении критической плотности повреждений этот слой разрушается в виде скалывающихся или отслаивающихся частиц. Как было отмечено ранее, наиболее характерная глубина этого слоя имеет размеры соизмеримые с размерами кристаллических зерен (1-3 мкм). Этот размерный порядок соответствует мезоскопическому масштабу.
3. Энергетическое состояние упрочнённого поверхностного слоя, зависит от создаваемой схемы напряженно - деформированного состояния. При ППД создается весьма сложное напряженно-деформированное состояние материала поверхностного слоя, обусловленное нормальными и касательными нагрузками, упругими и пластическими деформациями контактирующих тел, которое приблизительно можно описать как двухосное сжатие с наложенным гиростатическим давлением. Поэтому эксперименты должны выполняться при создании напряженно-деформированного состояния, адекватного тому, которое создается в зоне контакта сбоднодвижущихся инденторов с обрабатываемой поверхностью при реальном процессе.
4. В результате многократной стохастической пластической деформации поверхностного слоя при ППД потоками свободнодвижущихся инденторов анизотропия свойственная поверхности до ППД практически нивелируется.
5.В условиях ППД доминирующим механизмом повреждения, обуславливающим энергию активации пластической деформации поверхностного слоя является скольжение дислокаций.
Структурно-энергетическая интерпретация процесса ППД, предложенная в работе[1] рассматривает энергию активации пластической деформации поверхностного слоя как необратимую энергию изменения термодинамического потенциала локальной системы, при которой процесс пластической деформации сопровождается необратимым накоплением повреждений в материале (увеличение плотности дислокаций). Совершаемая при этом механическая работа деформации единицы объема будет равна увеличению термодинамического потенциала системы при появлении единичной дислокации в единице объема. Поскольку дислокации при пластической деформации накапливаются в объеме, то повышение внутренней энергии системы, будет нелинейно расти с увеличением их плотности.
Формируемый в процессе ППД свободнодвижущимися инденторами упрочнённый поверхностный слой есть результат механических, тепловых, химических, волновых и др. воздействий, на поверхность обрабатываемого материала. Совокупность этих воздействий активирует термофлуктуационные акты повреждаемости материала на микроуровне, а кинетика этого процесса определяет долговечность поверхностного слоя в условиях эксплуатации.
С точки зрения термодинамической теории прочности, безразлично, какой энергетический вклад вносит тот или иной разрушающий фактор в потерю устойчивости материала, но с точки зрения методологии проведения испытаний по оценке энергетического состояния упрочнённых поверхностных слоев имеется существенная разница в доступности и точности определения их энергетических параметров.
Из энергетической модели процесса ППД, следует, что основной вклад в потерю устойчивости активируемого материала и как следствие его упрочнение вносят термический и механический факторы. Термическая часть внутренней энергии обусловлена термическими флуктуациями атомов в материале поверхностного слоя, вызванных тепловым эффектом. Механическая часть внутренней энергии формируется за счёт механических напряжений и пластических деформаций.
Учитывая, что активация пластической деформации поверхностных слоёв при ППД свободнодвижущимися инденторами имеет механический характер был проведён анализ методов экспериментальной оценки скрытой энергии при механической активации материалов, который позволил разработать калориметрический метод экспериментальной оценки энергетического состояния поверхностного слоя упрочнённого методами ППД.
Суть калориметрического метода заключается в следующем. Металлический образец 1 (рисунок 1) диаметром 20 мм и толщиной до 5 мм помещается в цилиндрическую камеру 2, выполненную из текстолита, обладающего низким коэффициентом теплопроводности. Базирование образца в камере осуществляется по плоскости и цилиндрическому отверстию. Камера закрывается текстолитовой крышкой 3 , в которой предусмотрено отверстие, обеспечивающее доступ к образцу индентора 4, ввинченного в ударник 5 , осуществляющего на образец ударно-силовое воздействие. В цилиндрической камере предусмотрено отверстие, через которое в камеру вводится датчик измерения температуры образца 6. Результаты измерений температуры, фиксируемые датчиком выводятся на измерительный прибор.
Цилиндрическая калориметрическая камера устанавливается на плите 7, которая в свою очередь прикрепляется к маятниковому хопру 8.
Ударное воздействие на образец реализуется посредством индентора, совершающего перемещения по окружности путем поворота его на определенный угол. Энергия удара, развиваемая индентором, зависит от массы груза и высоты его подъема, регулируемого углом поворота.
Задачей метода является определение количества энергии, накапливаемой в поверхностном слое, используя уравнение термодинамического баланса:
А=Е +q, (1)
где А - работа внешних сил; Е - внутренняя (скрытая) энергия накапливаемая в процессе ППД; q - величина теплового эффекта.
Оценив тепловой эффект по величине изменения температуры в зависимости от количества ударов индентора по формуле:
Q=mcДt, (2)
величину плотности скрытой в поверхностном слое энергии определим как разницу:
Ei=Ai-qi, (3)
Рисунок 1.Принципиальная схема устройства для оценки энергетического состояния поверхностного слоя образца в процесс ППД
Соотношение (3) позволяет обосновать долю энергии накапливаемой в поверхностном слое взависимости от затраченной энергии на его деформирование:
D=E/A. (4)
Проведенные исследования являются основанием для раскрытия кинетической сущности процесса упрочнения поверхностного слоя методами ППД и оценки его физико-механических свойств.
________________________________________________________
1.Лебедев динамических методов поверхностного пластического деформирования. Научное издание – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2006 – 183 с.
2.Лебедев аспекты упрочнения деталей динамическими методами поверхностного пластического деформирования: монография/ .- Ростов-на Дону: Издательский центр ДГТУ, 2007.-156с.
