Модельные представления термического удара при трении скольжения со смазочным материалом и оценка его влияния на структурно фазовые превращения в поверхностных слоях сталей

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 669. 14:531. 44:621. 892
МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО УДАРА ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ СО СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ И ОЦЕНКА ЕГО ВЛИЯНИЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ СТАЛЕЙ
П. И. Маленко, А.Ю. Леонов
Даны модельные представления термического удара в континуальном приближении (сплошная среда) и на уровне кристаллической решетки, возникающего при трении скольжения сталей со смазочным материалом. Показано, что термический удар приводит к появлению высоких давлений, распространяющихся в поверхностных слоях сталей в виде волн расширения-сжатия. Определено, что эти волны вызывают как бездиффузионные (полиморфные) превращения, так и аномально высокую скорость диффузионного массопереноса при температурах ниже температур кинетических превращений диаграммы состояния «температура — процентное содержание». Определены расчетные значения возникающих давлений и коэффициентов диффузии.
Ключевые слова: трение со смазкой, вторичные структуры, структурнофазовые превращения, термический удар, термоупругие напряжения, фазы высокого давления, полиморфные превращения, диффузионный массоперенос, коэффициент диффузии.
Введение
Экспериментально установлено, что в процессе трения в контактирующих поверхностных слоях сталей формируются вторичные структуры, фазовый состав которых отличается от исходного состава и определяет эксплуатационные (адгезионные) свойства пар трения [1, 2]. Подобный процесс характерен и для деталей узлов автоматики стрелково-пушечного вооружения, работающих в условиях трения скольжения с ресурсным смазыванием, подверженных повышенному износу. Режимы эксплуатации узлов следующие: давление на контакте Рк & lt- 10 МПа, скорость трения Утр & lt- 10 м/с, зазоры (щели) между контактирующими поверхностями И = 10−5 … 10−4 м, параметр шероховатости поверхности трения
Яа = (1,2 … 0,63)-10& quot-6 м. Детали изготавливаются из теплостойкой стали 25Х3М3НБЦА и проходят операцию низкотемпературного насыщения азотом и углеродом (никотрирование).
Анализ экспериментальных данных, полученных методом рентгеноструктурного анализа, показал, что структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях деталей имеют свои особенности [2]:
изменение диаграммы изотермических превращений «температура-процентное содержание» в результате смещения кинетических кривых превращений в сторону пониженных температур-
аномально высокую скорость диффузионного переноса в направле-
нии поверхности трения, то есть против температурного градиента.
Из литературных данных известно, что аналогичные аномалии возникают при высокоинтенсивном импульсном воздействии на сталь источниками различной физической природы, в частности, механической и тепловой [3, 4]. В результате в стали возникают фазы высокого давления и отмечается высокая скорость диффузии. При трении имеют место подобные явления, определяемые морфологией контактирующих поверхностей в виде суб- и микрошероховатостей и условиями нагружения на контакте.
Моделирование температурных процессов показало, что на площадках контакта, формирующихся на суб- и микрошероховатостях в результате приложенного давления, возникают высокотемпературные пульсирующие поля со следующими параметрами [5, 6]: темп тепловвода

— = 106 … 109 К/с- скорость тепловвода U = 104 … 107 1/с, плотность dт
мощности теплового потока q0 = 109 … 1010 Вт/м2. За исключением параметра q0, который на два-три порядка ниже, они соответствуют параметрам лазерного облучения металла, приведенных в работах [4]. Высокие значения темпа тепловвода позволяют говорить о существовании термических ударов, инициированных на площадках контакта микронеровностей температурой трения. Помимо термических ударов в результате тангенциального соударения микронеровностей скорость деформации е = 103… 104 1/с, что соответствует механическому удару [5].
Динамическая реакция поверхностного слоя на термические удары состоит в возникновении термоупругих напряжений на механические удары — вязких контактных напряжений [7].
Цель работы заключается в моделировании параметров термического удара и исследовании влияния динамической реакции среды на отмеченные выше особенности структурно-фазовых превращений.
Методика проведения исследований. Исследования производились расчетно-аналитическими методами на основе теории термоупругости, теории теплопроводности и теплопередачи, динамической теории кристаллической решетки с последующим сопоставлением полученных результатов с экспериментальными данными.
Результаты исследований. Следует выделить два подхода при моделировании термического удара и реакции среды на удар: в континуальном приближении (среда предполагается сплошной) и дискретном (среда рассматривается на уровне кристаллической решетки).
Континуальное приближение. В отличие от классической теории теплопроводности, основанной на гипотезе Фурье о распространении тепла в сплошной среде q = -1-, уравнении теплопроводности параболического типа и постулирующей бесконечную скорость распространения теп-
ла Ут ®?, континуальный подход предполагает конечность Vт, основанную на гипотезе о релаксации теплового потока (для стали время релаксации тр ~ 10−11 с). Влияние скорости Ут становится заметным, когда в нестационарном температурном процессе рассматривается малый промежуток времени т. Термический удар соответствует данным условиям, так как с учетом инерционных эффектов т = 10−4 … 10−6 с. В этом случае урав-
, dT dq
нение распространения тепла имеет вид q — -1---------------------тг-, а скорость
dx dt
Ут —
ТІ
а з
-, где, а — коэффициент температуропроводности (Ут = 10 м/с).
тг
Процесс распространения тепла носит волновой характер и описывается гиперболическим уравнением теплопроводности.
Проанализируем более детально процесс распространения тепла. Согласно классическим представлениям в сталях с примесями и в неупорядоченных сплавах перенос тепла осуществляется электронами и связан с их рассеянием на тепловых колебаниях ионов со скоростью УТ, а также фононами, то есть звуковыми волнами со скоростью Ур [8]. Качественная оценка соотношения электронного Х1 и фононного Х2 механизмов переноса
гот Л 1 Т М т ге.
тепла дается следующим выражением [9] Л- -----л-, где т ~ (5 …
І2 Є т
7)-10& quot- эВ — температура в энергетических единицах, е ~ 10 эВ — энергия электрона, М, т — соответственно массы атома и электрона.
Расчеты показывают, что Д = 2 … 3.
В работе [10] определена динамическая реакция среды на термический удар на основе обобщенного уравнения энергии, предполагающая совместность рассмотрения действия термического удара, температурного поля и динамической термоупругости.
Задача рассматривается в безразмерных переменных
2 з
г7 — {г -1), Ра —, ?3 — ^ - 5,
а, а Ут 10
м / с
с / / {г7,Ра) — {г, Т — Т^, Ра) — Т{2,г)-Т0 — 5 — аТЕ
22 '- '- 5{ТС — То) '- '- '- Тс — То ' 1 — 2п '
где I — размер, определяющий на оси г точку приложения термического удара (ТУ), т — продолжительность ТУ, Тс — температура среды, Т0 — начальная температура, аТ — коэффициент линейного расширения, Е, V — соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона.
Основное уравнение динамической термоупругости в напряжениях
2 2 имеет вид
д 2 О
і і
д 2 О
і і
_д 2 Т (г/, т)
д2/2 дГ°
Краевые условия
2
о / / И
г г
О / /М
г г
, Ро) Ро_(
(^Н /_0 _
дРо
до
2
г & gt- 0, Ро & gt- 0.
(1)
г г
дРо
до / /
і і
Ро0
дРо
0.
_ 0.
і _?
Функция температуры является решением следующей задачи
дтУ, Р°_ь2т[?/, р°)_ьд2т:/ & gt-(1 Р°& gt-0.
дРо
Краевые условия
Т (г/, ро)
дг'-
дРо
(2)
(3)
(4)
Ро _0
дТ (г/, Ро дРо
Ро0 _ 0, г & gt- 0 •
(5)
Р? дтІ/У) (Ро_ТЛ
Г -------'- / _0 ехР
0
дг/
V
с
У
Т _Р2Б1Т (г/, Ро) 20_1, Ро & gt- 0 • (6)
(7)
где Т? Тр — текущее время, с
Т (і/, Ро))& lt-?, і/ & gt- 0, Ро & gt- 0 Т
Условие (6) отражает ТУ, возникший вследствие нагрева средой. В рассматриваемом в статье случае под средой понимается слой смазки в зазоре (щели) между контактируемыми деталями (стенками). В работе [10] не рассматривается решение термоупругой и тепловой задач с краевым условием (6). В этой связи остановимся на решении данной задачи. Во-первых, авторы работы [10] ошибочно включили в условие (6) критерий подобия Био Ы, отражающий теплообмен стенки со средой, так как Тст& lt-Тсм. В данном случае нужно вводить критерий Нуссельта Иы, учитывающий конвективный теплообмен между смазкой со стенкой. Во-вторых, анализ правой части условия (6), сделанный на основе положений работы [5] показал, что правая часть в размерных переменных должна иметь вид
Р2Ч0 1
где д0 — плотность теплового потока от смазки к стенке, Хсм — коэф-
см
фициент теплопроводности смазки. Для пульсирующих ТУ в безразмерных переменных правая часть (условие (6)) будет равна
* Р2до до —
а
1 см Ур (Тс _ Т0)
Определим плотность мощности теплового потока д0. Так как температуры Тж = 200 … 500 0С, то смазка будет находиться в состоянии пленочного или пузырькового кипения. Максимальное значение д0 имеет при пузырьковом кипении. Собственно смазка отделена от поверхности нагрева кипящим слоем, в результате чего возникает интенсивный молярный
перенос и температура на поверхности скачкообразно изменяется АТ ~ 100
0 8 С. На субшероховатостях данный скачок имеет место при тсуб = 10 с, то
есть практически мгновенно после начала процесса трения. В этом случае
д0 рассчитывается по зависимости [11]
д0 -(тж + ЛТ)
т
0
где коэффициент теплопроводности слоя Хк = 0,24 Вт/(м- С), теплопроводность ск = 2,4−103 Дж/(кг-°С), плотность р = 18 кг/м3, т = 3−10& quot-12 с.
9 2
Расчеты показали, что д0 = (5,6 … 11)-10 Вт/м.
Решения дифференциальных уравнений (1), (4) гиперболического типа связано с применением функции Грина и пространства изображений по Лапласу. Опуская далее громоздкие вычисления, приведем для пульсирующего режима нагревания окончательные результаты в безразмерных переменных.
Безразмерные термоупругие напряжения по оси г / = 2,2 …
2 г
5,4, где / = 1 … 8 — отражает распределение напряжений по временной оси ?°. Отметим, что каждая из составных частей & amp-<-'-*/) /, вызванная пульси-
г г
рующим тепловым потоком от нагрева средой, порождает диффузионную волну, возникающую сразу в каждой точке поверхностного слоя, и продольную волну расширения, время подхода которой к сечению г поверхно-
2 ^
стного слоя определяется как тп — -, где Ур — скорость распространения

звуковой волны.
Можно предположить, что диффузионная волна возникает за счет электронного механизма переноса тепла, а продольная упругая волна — за счет фононного механизма.
В теории термического удара важный элемент исследования — расчет скачков напряжения на фронте термоупругой волны через внешние граничные функции теплового воздействия.
Формулы для расчета скачков термоупругой волны имеют вид [10]
* В
Л1 — 4? — Л4 -Аб — д0-------------ехр
В2 -1
г
2
2 В
3 _^5 _^7 _^8 _ 40 Ь, (10)
В2 -1
где д*0 = 1. 2,4.
(у) *
Суммарные напряжения & amp-куу -о// + д0 = 3,2. 7,8. График функции аг/ / - р°) приведен на рис. 1. Напряжения в абсолютных величинах для температур Т = 200 … 500 0С а22 = (9,8 … 24)-1010 Па.
Величина давления в поверхностном слое стали определяется как взятое с обратным знаком среднее из трех главных напряжений
р — ° 22 + °хх + °УУ (11)
3
V
где Охх _ Оуу _~7 Ои •
М 1 _V
Рис. 1. Зависимость безразмерного напряжения от времени Го в сечении / = 2 пульсирующего теплового потока (-------------------Т = 500 0С, (--------Т = 200 0С)
При отрицательных термоупругих напряжениях происходит сжатие поверхностного слоя, при положительных — растяжение.
Значения максимальных давлений Р для температурных диапазонов АТ = 200 … 500 0С, возникающих на суб- и микрошероховатых площадках
контакта приведены в табл. 1.
Механический удар вызывает в поверхностной зоне вязкие напряжения ав = Ц ?, где п = (5 … 5,8)^105 Пах [12], коэффициент динамической вязкости стали при скорости деформации е = 103 … 104. Следовательно ав = (0,5 … 1) ГПа.
Таким образом, приповерхностный слой находится в вязкоупругом состоянии в течение времени релаксации т = (1 … 2)-10& quot-6 с [13] и в нем возникают вязкоупругие напряжения. Однако, как показали расчеты, динамическая реакция вязкоупругих сред Максвелла на термический удар несущественно отличается от динамической реакции упругих сред и при изучении поведения вязкоупругих сред под действием термического удара могут применяться соотношения для упругих сред [7].
Дискретный подход.
Дискретный подход рассматривает структурное состояние поверхностного слоя на уровне кристаллической решетки и предполагает, что в результате действия термического удара в среде возникают ударные волны расширения-сжатия с образованием отрицательного давления и с амплитудой, пропорциональной плотности мощности теплового потока Ж [14]. В результате в поверхностном слое образуется неравновесная область с характерным временем акустической релаксации тр ~ 10−6 с.
В данном случае релаксация представляет собой частный случай, когда система стремится к равновесию по изменению одного параметра -давления Р. Релаксация достигается либо акустической разгрузкой, либо структурно-фазовыми превращениями в стали, если давление не успевает релаксировать путем акустической разгрузки. Так как время фазовых превращений Тф & lt-<- тр, в частности, время полиморфных превращений составляет 10−13 с, то в стали будут происходить фазовые превращения (диффузионные и бездиффузионные).
Таблица 1
Значения давления Р в поверхностном слое в континуальном и дискретном приближении
Подходы Испытание Тип контакта Микрошероховатость Субшероховатость
Континуальный подход Сжатие о О 200 300 400 500
Р, ГПа 6 8,9 11,8 14,7
Растяжение Р, ГПа 6 8,9 11,8 14,7
Дискретный подход Т, оС 200 300 400 500
Параметр Г 8 8 8 8
Р, ГПа 5,4 8,1 10,8 13,8
Давление от термического удара целесообразно определять по зависимости [14]
Т1
Р ~ Гер | сГГ, (12)
То
где с и р — соответственно теплоемкость и плотность стали, Т1 — Т0 — диапазон исследуемых температур, Г — параметр Грюнайзена.
* Т
Для приведенных температур Т = -, где в'-- температура Дебая.
О
Г = 1,5 … 2,5. Однако в поверхностной зоне, как показали экспериментальные исследования, параметр Г увеличивается от 2 до 5 раз [15].
Результаты расчетов по формуле (12) для температурного диапазона АТ = 200. 500 0С приведены в табл. 1.
Полученные результаты позволяют, в частности, выявить причину полиморфных превращений а^у^в в сталях (рис. 2) [3] и объяснить характер изменений значений Jp рентгеновских пиков для фаз в различных температурных зонах (рис. 3) [5].
Рис. 2. Фрагмент диаграммы «Т-Р& quot- для стали [3]
Причиной полиморфных превращений является релаксация давления Р сжатия в зоне действия термического удара. В микроконтактной зоне трения (Т = 200. 300 0С) а^в превращения отсутствуют. Об этом свидетельствует постоянство значений Зр рентгеновских пиков для в-Ре (рис. 3). В субшероховатой зоне (Т = 400. 500 0С) происходят а^в превращения. Об этом свидетельствует синхронное изменение а-Ре и в-Ре значений Зр рентгеновских пиков. Сл

Статистика по статье
  • 51
    читатели
  • 11
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц. сети

Ключевые слова
  • ТРЕНИЕ СО СМАЗКОЙ,
  • ВТОРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ,
  • СТРУКТУРНО ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ,
  • ТЕРМИЧЕСКИЙ УДАР,
  • ТЕРМОУПРУГИЕ НАПРЯЖЕНИЯ,
  • ФАЗЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ,
  • ПОЛИМОРФНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ,
  • ДИФФУЗИОННЫЙ МАССОПЕРЕНОС,
  • КОЭФФИЦИЕНТ ДИФФУЗИИ,
  • FRICTION WITH LUBRICATION,
  • SECONDARY STRUCTURES,
  • STRUCTURAL PHASE TRANSITIONS,
  • THERMAL SHOCK,
  • THERMOELASTIC STRESS,
  • HIGH PRESSURE PHASE,
  • POLYMORPHIC TRANSFORMATIONS,
  • DIFFUSION MASS TRANSFER,
  • DIFFUSION COEFFICIENT

Аннотация
научной статьи
по физике, автор научной работы & mdash- Маленко П. И., Леонов А. Ю.

Даны модельные представления термического удара в континуальном приближении (сплошная среда) и на уровне кристаллической решетки, возникающего при трении скольжения сталей со смазочным материалом. Показано, что термический удар приводит к появлению высоких давлений, распространяющихся в поверхностных слоях сталей в виде волн расширения сжатия. Определено, что эти волны вызывают как бездиффузионные (полиморфные) превращения, так и аномально высокую скорость диффузионного массопереноса при температурах ниже температур кинетических превращений диаграммы состояния «температура процентное содержание». Определены расчетные значения возникающих давлений и коэффициентов диффузии.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой