Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения)

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 631.3. 235. 036
В.й. Молчанов (Орел, ОрелГАУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ (ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ)
Приведены экспериментально-расчётные результаты определения характеры-стик трещиностойкости капролоновых зубьев червячных колёс редуктора 480−20.
Разрушение капролоновых зубьев червячных колёс является сложным, многоэтапным и многокритериальным процессом.
Первой стадией рассматриваемого процесса является прирабагывае-мость пары сталь — капролон продолжительностью 16 ч, когда трещины ещё нет, но концентрация напряжений и выделение водорода на растянутой стороне переходной поверхности у основания капролонового зуба уже происходят. Капролон в основном является высокоэластичным материалом при Г & gt-ТС= 318 К, где Тс — температура его стеклования. Эта особенность прямо вытекает из того, что он имеет большие (цепные), т. е. длинные и гибкие молекулы с расстояниями между цепями 0,3−0,4 нм. Одной из причин гибкости молекул является их длина, но главная причина гибкости молекулы — некоторая свобода внутреннего вращения атомов основной цепи при сохранении валентного угла. Степень этой гибкости определяется химическим составом и расположением атомов в молекуле полимера. Из этого вытекает способность капролона к значительным удлинениям, так как длинная свернутая молекула способна распрямляться за счет гибкости цепи без разрывов- большую деформацию могут вызвать малые силы, потому что происходит изгибание цепи, а не увеличение расстояний между атомами, составляющих всего 0,1−0,15 нм. В результате энергия химической (валентной) связи составляет для капролона 364−462 кДж/моль, а физической (водородной) всего 26−33 кДж/моль.
Вторая стадия — интенсивное выделение водорода в зоне трения из смазочного материала и капролона в результате трибохимической реакции. Термическая деструкция капролона сопровождается окислением, она вызывает интенсивное изменение его свойств, снижение прочности и носит название термоокислительной деструкции. Процесс начинается с отрыва водорода от метиленовой группы и происходит по схеме:

К-СНг-т-СО-Я'- -& gt-Я-СЯ-Ш-СО-Д'--^К-СН-ИН-СО-Я'- -& gt-
ООН о. он
-*я-сн-мн-со-я1 -«д-ся-лщ'-сс?-л/ -& gt-/г-ся-лгя-со-л'- -& gt-
-«д — с!10 + мн2 — с,/0
'-» 2 V
Энергия активации при термодеструкции капролона составляет 180 кДж/моль. При протекании цепной реакции атомарный водород ока-
зывается агентом-переносчиком, он активен и инициирует разложение органической молекулы. После разложения молекулы капролона водород молизуется, и в дальнейшем уже менее активная молекула водорода входит в состав других продуктов как примесь.
Третья стадия — концентрация водорода в зоне переходной поверхности у основания зуба вследствие наличия растягивающих напряжений и осуществление в ней водородного охрупчивания. При этом зарождается очаг разрушения и начинает развиваться только одна трещина с характерной для начальной стадии «шероховатой» зоной из-за разрыва образовавшихся ранее микротяжей. Движение трещины сначала происходит в плоскости, перпендикулярной к направлению действия приложенной нагрузки, а затем она менят это направление, ориентируясь на менее прочные аморфные участки полимера. Согласно адсорбционной гипотезе разрушающее напряжение снижается пропорционально росту концентрации водорода вследствие уменьшения поверхностной энергии на ус в известной формуле Журкова, т. е. внутри трещины водород действует как поверхностно-активное вещество. Структурно-чувствительный коэффициент для капролона у = 0,67- 107 Дж/(кмоль МПа) получен по результатам испытаний червячных пар с колёсами из капролона. Кроме того, водород под действием температурного градиента диффундирует в глубь трещины, там концентрируется и вызывает охрупчивание поверхностных слоев. Распространение трещины по всему основанию зуба вследствие созданной новой необратимой благоприятной структуры полимера завершает четвертый акт разрушения.
Последний, пятый этап разрушения — раскрытие трещины, т. е. отделение зуба от обода колеса, происходит в момент преодоления сил взаимодействия вдоль молекулярных цепей (рвутся валентные связи) за счёт сложения действующих напряжений и от молизаоти атомарного водорода, поступившего в трещину. Водород не имеет возможности выйти обратно при уменьшении объёма, стремится расширить полость, создавая высокое напряжение. Повторение цикла вызывает эффект накопления, продолжающийся до тех пор, пока внутреннее давление в трещине не вызовет разрушения капролона по аморфной части. Чаще всего наблюдается излом группы зубьев при ЫгЕ= 1,15−106, а = 27 МПа и Т — 341 К. Зарождение усталостной трещины и излом группы капролоновых зубьев червячного колеса редуктора 480−20 приведены на рисунке.
По результатам испытаний червячных пар Сталь 40Х — капролон В определены основные характеристики трещиностойкости согласно ГОСТ 25. 506−85: силовые (критические коэффициенты интенсивности напряжений), деформационная (раскрытие в вершине трещины) и энергетическая (критический. Г-интеграл).
б
Зарождение усталостной трещины (а) и излом группы капролоновых зубьев (6) червячного колеса редуктора 480−20
В формулах для расчёта использованы следующие обозначения и значения:
о — растягивающее напряжение для трещины отрыва, а = 85 МПа-
— исходная длина трещины, согласно ТУ 6−05−988−87 /о & lt- 1,0 мм, принято для расчёта 10~ 1 мм-
1, н — длина трещины, учитывающая поправку гу на пластическую деформацию у вершины трещины: /, Л = 10 + гу- с учётом поправки Ирвина при объёмном напряжённом состоянии можно принять 10 ~ гу = 1 мм, тогда /й=1 + 1 =2 мм-
//с — критическая длина трещины отрыва, замеренная непосредственно на капролоновом зубе перед его изломом, /* = 12 мм-
и — коэффициент Пуассона, для капролона ц = 0,4-
от-условный предел текучести, для капролона аТ~ 53 МПа-
Е — модуль упругости, для капролона Е = 2 • 103 МПа.
3 результате анализа проведённых испытаний и расчёта характеристик трещиностойкости впервые введена и определена величина критического коэффициента интенсивности охрупчивания под влиянием водорода Сно- Результаты расчёта характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) приведены в таблице.
Результаты расчёта характеристик трещиностойкости
Термин Формула для расчёта Единица измерения Величина
Критический условный коэффициент интенсивности напряжений Ч? ь & gt-1 о * МПа -мг 4,86
Критический коэффициент интенсивности напряжений II С* 1 МПа -м2 6,74
Критический коэффициент интенсивности напряжений для трещин отрыва К, с ~ 1 МПа -м2 17,82
Раскрытие в вершине трещине при максимальной нагрузке 3 к*е (1-Л 2& lt-т ?Е м 0,18
Критический I- интеграл (~і2)К2 с с Е МДж/м2 0,19 079
Критический коэффициент интенсивности охрупчивания под влиянием водорода Кіс К с 3,6
По результатам испытаний червячных пар Сталь 40Х-капролон В определены характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения), позволяющие более достоверно производить расчёты на прочность.
Впервые при рассмотрении вопроса усталостного разрушения полимерных зубьев объединены идеи двух теорий: термофлуктуаций и водородного охрупчивания с введением нового показателя — критического коэффициента интенсивности охрупчивания под влиянием водорода Сцо
Базовые принципы построения уравнений теории разрушения полимеров по мере накопления и обобщения экспериментальных данных создают основу для разработки структурно-аналитической теории прочности с целью решения задач инженерного плана.
Получено 23. 04. 08

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой