Технология и проектирование металлокерамических контактных пластин с прогнозируемым износом при высокоскоростном токосъеме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Горячев, Илья Николаевич

• Горячев, Илья Николаевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горячев, Илья Николаевич

ВЕДЕНИЕ.

1АВЛ 1. Проблема высокоскоростного токосъема, особенности применения временных контактирующих материалов.

Существующие методики комплексных исследований. Тенденции поиска перспективных материалов. Разработки в области металл окемических контактных пластин.

1 Перспективные керамические материалы, сверхпроводниковая керамика.

• Выводы по главе 1. Направление исследований.

АВА 2. Задача определения сил трения при высокой скорости движения.

1 Усталостная теория износа твердых тел.

2 Молекулярно-механическая теория внешнего трения.

3 Контактное предварительное смещение.

4 Адгезионная составляющая коэффициента трения.

5 Тангенциальное сопротивление скольжению (сила трения) шероховатой поверхти по деформируемому полупространству.

6 Зависимость коэффициента трения от нормальной нагрузки.

7 Соотношение между адгезионной и деформационной составляющими коэффициатрения.

8 Коэффициент трения как функция физико-механических свойств материала.

9 Зависимость коэффициента трения от микротопографии поверхности.

10 Экспериментальное определение коэффициента внешнего трения.

11 Адгезия при трении композиционных материалов.

Внешнее трение и износ материалов разной природы.

1 Сухое трение материалов на основе железа и меди.

2 Влияние влажности и осадков на трение пары «провод - пластина».

3 Износ контактной пластины в зависимости от времени эксплуатации.

4 Абразивное изнашивание КП.

Выводы по главе 2.

ABA 3. Технология и свойства металлокерамических материалов для контактных астин.

Технология металлокерамических контактных материалов.

1 Программа экспериментов по изготовлению образцов и исследование свойств мешокерамических контактных материалов. Изучение свойств образцов композтов. i Результаты технологических экспериментов. г Выводы по главе 3.

ABA 4. Критерий разрушения машиностроительной керамики, условия механичеэго износа.

Механизмы процесса разрушения спеченных композиционных материалов консгной пластины при износе трением. К методике механических испытаний керамических материалов. i Методы определения механических характеристик материалов, опытные образцы.

• Критерий разрушения керамических контактных пластин. г.1 Критерий конструкционной прочности керамических конструкционных материав нагруженных силами трения.

-.2 Критерий структурной прочности керамических конструкционных материалов. i Рекомендации по аттестации машиностроительной керамики при разработке и в со-ше изделия.

Выводы по главе 4.

ABA 5. Математическая модель износа трением.

Структура модели. Математических метод моделирования.

• Расчетная система анализа НДС произвольных КП.

1 Основные предположения.

2 Характеристики расчетной процедуры.

Анализ НДС керамических величин и геометрических характеристик износа.

1 Сплошные керамические пластины.

2 Модели керамических контактных пластин с армированием.

3 Линейное армирование (продольное). к4 Линейное угловое армирование (косое). к5 Линейное наклонное армирование (объемное). к 6 Напряженное состояние керамической контактной пластины в области крепежноотверстия. к 7 Оценка достоверности использованной математической модели. к8 Выводы по главе 5.

ЛСЛЮЧЕНИЕ

1ТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология и проектирование металлокерамических контактных пластин с прогнозируемым износом при высокоскоростном токосъеме»

Актуальность проблемы. Экономическое развитие России ввиду ее географических особенностей, распределения источников сырьевых ресурсов и расположения крупных производственных центров, составляющих основу отечественной промышленности, справедливо связывают с состоянием и развитием транспортных сетей. Это, в первую очередь, относится к железнодорожному транспорту. В России протяженность электрифицированных железных дорог составляет более 120000км. На железные дороги приходится более трех четвертей всех грузо- и пассажиропере-возок. Поэтому для России, особенно в условиях экономического роста, эффективность эксплуатации железных дорог связывается с ростом скоростей движения (до 350км/ч и выше) при уплотненных транспортных потоках. Реализация высокоскоростного движения на электрифицированных железных дорогах существует в России в виде общегосударственной, неосуществленной до сих пор программы, уже более трех десятков лет. Одной из слагаемых технической части этой программы является создание материалов и конструкций для скоростных токосъемных элементов контактных полозов токоприемников, обладающих повышенной надежностью. Этой части, выделенной в самостоятельную научно-техническую комплексную задачу, так же около тридцати лет. Исчерпывающих решений до сих пор не найдено. Увеличение надежности узла «провод - контактная пластина пантографа» является традиционной и многолетней исследовательской и инженерной задачей во всех странах, имеющих электрифицированные железные дороги. В нашей стране актуальность данной проблемы подчеркнута в правительственных программах развития скоростного железнодорожного транспорта, в частности в решениях коллегии МПС РФ № 20 от 13.07.94 и № 34 от 22.11.95, в указании МПС РФ № 19 от 27.02.95г. «Разработка и создание технических средств железнодорожного транспорта для организации движения пассажирских поездов со скоростью 200 км/ч», а также в указаниях МПС РФ № К-647У от 22.07.96г. и № А-267А от 04.03.97г, утвержденных Правительством России. Перечисленные документы МПС рекомендуют создание низколегированных контактных проводов и несущих тросов и являются основополагающими для реализации программ исследований в смежной области - создания новых конструкций токосъемных устройств и технологии производства контактных пластин (КП) из новых материалов, отвечающих требованиям эксплуатации контактных сетей в условиях высокоскоростного токосъема. («Правила содержания и эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог.» М., «Транспорт», 1998г. 96с., ГОСТ 12058-92). В основе задачи разработки материалов КП, которой посвящена данная работа, лежит проблема минимизации взаимного износа пары «КП - контактный провод» путем оптимизации параметров физически противоречивых процессов трения и токосъема (при соблюдении постоянства и минимума электросопротивления контакта при скоростях движения до 350 км/ч). В целях решения указанных задач, как в современной России, так и в экономически развитых странах мира предпринимаются почти одинаковые по содержанию и методологии исследования, направленные на разработку теоретических положений и инженерных средств, адекватно представляющих процессы в парах скоростного контакта. Они включают в себя, прежде всего, экспериментальные методики и испытательные стенды, воспроизводящие реальные условия контактирования. Цель их применения - получение достоверных исходных данных для построения оптимизируемой целевой функции на основе анализа комплексных зависимостей показателей износа пар и электрофизических параметров контактных процессов для различных материалов в условиях движения, близких к натурным. Формулировка оптимизационной задачи подразумевает разработку математической модели контактных процессов. Одной из ее частей является модель процессов износа, которые для многопараметрических нестационарных явлений в подвижной системе «КП - контактный провод» не нашли исчерпывающих количественных решений, применимых в инженерной практике. Испытательные стенды являются сложными и дорогостоящими сооружениями. В мире их насчитывается менее десятка штук. Известны разработанные в шестидесятых годах прошлого века стенды Британских железных дорог BR и TELDIX, а также стенд JNR (Норвегия и Великобритания). Разработаны и эксплуатируются стенды разного назначения фирмы Daimler Benz (Франкфурт - на -Майне). Известно об аналогичных машинах производства Франции и Японии. В

России подобный стенд существует в единственном экземпляре в ЦНИИ МПС, но по своим возможностям далек от решения задач по проблематике высокоскоростного токосъема. В настоящее время в целях реализации правительственных решений и программ в области высокоскоростного железнодорожного движения ведется проектирование нового экспериментального стенда, способного моделировать процессы на скоростях до 350км/ч и выше. Разрабатываются и изготавливаются скоростные вагоны-лаборатории для проведения натурных испытаний новых конструкций и материалов токосъемных узлов. Основным содержанием проводимых исследовательских работ является создание современных инженерных средств и методов выбора новых материалов контактных узлов, новых технологий, а также конструкций токоприемников и их контактных узлов, отвечающих требованиям повышенной надежности.

Целью работы явилось обоснование и разработка методических принципов проектирования металлокерамических КП токоприемников с прогнозируемыми характеристиками износа в условиях высокоскоростного токосъема. Содержание работы лежит в русле комплексных исследований в области минимизации износа скоростных контактных узлов и, в первую очередь, перспективных конструкций , материалов и технологий КП, проводимых в НИИЭФА-ЭНЕРГО. В работе решены следующие задачи:

1. Предложена и обоснована методическая схема численного решения задачи износа контактных пластин токоприемников.

2. Получен вид уравнения состояния трибосистемы, характеризующийся нестационарными механизмами взаимодействия при контактировании, зависящими от скорости движения.

3. Разработана математическая модель износа КП, универсальная по отношению к материалам пластин, а также к величинам внешних усилий.

4. Сформирован и введен в состав математической модели критерий оценки предельного состояния (износа) материалов КП, нагруженных силами трения.

5. С применением модели получены решения в отношении армирования КП, обеспечившего минимизацию объемных показателей износа, реализован предложенный методический прием направленного выбора вариантов армирования КП.

6. Приведены результаты исследования технологических параметров изготовления металлокерамических материалов КП перспективных химических составов, даны заключения и рекомендации по выбору составов в целях серийного производства.

7. Разработана методика аттестации машиностроительных металлокерамических материалов широкого применения, обоснована методология и установлен ряд испытаний.

8. Произведено внедрение результатов исследований в производство. Методы исследований. Для решения указанных задач использовались: теория внешнего трения твердых тел; гидродинамическая теория смазки; теория упругости, пластичности; механика многослойных конструкций; механика деформируемых сплошных сред и ее часть — теория предельных состояний; теория разрушения и ее часть - теория разрушения композитов; метод конечных элементов в варианте метода перемещений, САПР «Pro/E» и ее часть «Pro/Mech»; методы металлографии и физических исследований, применяемые в исследованиях в области химической технологии керамики.

Научная новизна. В соответствии с формулировкой задач в области высокоскоростного токосъема, создания новых материалов, конструкций и технологий, обеспечивающих разработку высоконадежных контактных узлов, системно рассмотрена задача проектирования металлокерамических КП токоприемников с прогнозируемыми характеристиками износа.

1. В работе доказано физическое и методическое единство задачи износа и задачи прочности материалов механики деформируемых сплошных сред.

2. Проанализированы и методически структурированы три составляющие общей задачи оценки износа: задача определения внешних усилий контактного взаимодействия с учетом условий контактирования (скорость, температура и т. д.); задача определения внутренних усилий - параметров напряженно-деформированного состояния материалов в составе конструкции КП; задача оценки предельного состояния материала пластины, т. е. обоснована формулировка критерия разрушения (износа).

3. Показано, что усилия взаимодействия элементов контактного узла «КП - провод» могут быть найдены как результат решения предложенного уравнения состояния нестационарной трибосистемы, характеризующейся переменными, зависящими от скорости движения механизмами взаимодействия в паре трения. Дана аналитическая оценка вклада различных физических составляющих скоростной трибосистемы. Показана доминирующая роль адгезионных механизмов взаимодействия, их режимных зависимостей, определяющих усилия в паре трения.

4. Обусловлено применение объемных тетраэдрических конечных элементов как методической основы построения основной МКЭ - системы математической модели определения параметров напряженно-деформированного состояния КП, как содержащей, так и не содержащей слоистые структуры. Даны количественные оценки точности и достоверности численных МКЭ - решений в отношении параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) произвольных по конструкции КП.

5. Предложен, обоснован и введен в математическую модель износа комплексный критерий прочности, имеющий смысл критерия разрушения материала КП усилиями трения. С общих позиций теории предельных состояний и механики разрушения получена формулировка критерия для описания условий структурной прочности.

6. Разработана методология аттестации материалов, получаемых по керамической технологии, имеющих общемашиностроительное применение.

7. Установлены зависимости свойств материалов металлокерамических КП от свойств исходных компонентов и важнейших технологических параметров. Практическая ценность.

1. Применение математической модели износа КП силами трения не имеет ограничений в отношении применяемых материалов и конструкций, опирается на общие фундаментальные положения механики деформируемых сплошных сред, механики разрушения, теории внешнего трения и рассматривается как методическая основа

САПР контактных пластин и других элементов пар трения, является средством расчетного прогнозирования износа.

2. Модель износа внедрена в НИИЭФА-ЭНЕРГО как составляющая часть методики исследований на разрабатываемом экспериментальном стенде моделирования высокоскоростных процессов токосъема и в ряде случаев может быть использована как альтернатива экспериментальным работам.

Даны результаты анализа важнейших технологических операций, а также предпочтительные химические составы сырьевых компонентов металлокерамических материалов КП в целях их серийного производства.

Рисунки по диссертации помещены в Приложения 4-7.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Горячев, Илья Николаевич

3.4. Выводы по главе 3.

1. Важнейшим результатом можно считать воспроизведение в лабораторных условиях металлокерамических композитов серии составов, изучавшихся и считавшихся перспективными в начале семидесятых годов прошлого века.

2. Подтверждена возможность получения широкой группы (по составам) материалов по обычной технологии металлокерамического производства, определены оптимальные технологические параметры.

3. Откорректированы температуры обжига керметов по отношению к опубликованным (табл. 1.2.5.), установлены временные выдержки процесса спекания. Установлены и документированы режимные параметры всех технологических операций изготовления контактных металлокерамических материалов. Изучен их состав.

4. Комплексом исследований, выполненных на современном оборудовании по новейшим методикам, получены и проанализированы характеристики строения и свойств материалов, выделены базовый и группа предпочтительных составов для дальнейших материаловедческих исследований (вне данной работы).

5. Определено направление изменений по составам материалов и технологии по ее отдельным составляющим.

6. Полученные характеристики металлокерамических материалов подтверждают их практическую ценность и перспективность использования в качестве высокотехнологичного материала для получения контактных пластин высокоскоростных токоприемников.

Глава 4. Критерий разрушения машиностроительной керамики, условия механического износа.

4.1. Механизмы процесса разрушения спеченных композиционных Материалов контактной пластины при износе трением.

Спеченные композиционные материалы для контактных пластин принадлежат к большой группе искусственных (синтезированных) материалов, получаемых в рамках технологии, относящейся к керамической. Важнейшим признаком ее является спекание перссовок из многокомпонентной шихты. Составы шихты, дисперсность исходных материалов, температура и среда спекания определяют существо физико-химических механизмов взаимодействия исходных материалов с образованием твердого тела в конце процесса. При этом возможно образование химических соединений, всех видов сплавов и физических новообразований (газовой фазы, стекловидной, конгломерированной тугоплавкой и т. п.). Управление процессами подготовки шихты, формообразования заготовок и спекания, включая режимные параметры этого многочастного процесса, позволяют получить материалы сильно отличающиеся как по своим физическим и механическим характеристикам друг от друга, так и от исходных компонентов.

Всем материалам, полученным по керамической технологии свойственно существование как минимум трех фаз, определяющих структурный состав: матрицы - основной, на фоне которой условно выделяется вторая - распределенная в матрице фаза и поры или газовая фаза. Эти три структурные составляющие обычно выделяются четкими границами раздела и видны при металлографических наблюдениях. Однако, следует иметь ввиду, что реально обе твердые фазы обычно имеют свой собственный микроструктурный субсостав, проявляющийся лишь при тонких физических исследованиях и сильно влияющий на физические свойства полученного твердого тела и разброс их характеристик. Кроме того, следует рассматривать границы фаз как самостоятельные новообразования, которые являются продуктами физико-химического взаимодействия граничащих основных фаз. Состав, структура, геометрия пограничных слоев (межфазных границ) зависят от параметров всех слагаемых керамической технологии и, в первую очередь, от температуры и времени спекания (при прочих равных условиях). Свойствами материалов граничных образований во многом определяется прочность всего керамического материала и, в частности, механика его разрушения (микропрочность или прочность в масштабе объемов структурных элементов материалов).

В частности, прочность пограничного тела может быть меньше или больше прочности любой из двух твердых фаз. В первом случае прочность всего изделия определяется суммарной протяженностью межфазных границ, видом и характеристиками вероятностного распределения сдвиговых и нормальных (растягивающих) напряжений вдоль границ, частотой, протяженностью и формой разрывов (по порам), вероятностными характеристиками распределения пор в областях экстремумов макронапряжений (первого рода). В любом случае трещина разрушения приобретает сдвиг из исходного дефекта, расположенного именно в зоне границы фаз и движется вдоль границы от поры к поре, ветвясь между зерен, в областях максимума макронапяжений. Трещина на всем своем пути имеет постоянную скорость. Излом в этом случае однороден по фрактоструктуре и не содержит зеркальных зон (интеркристаллический излом).

Упомянутый второй случай, т. е. вариант близости по прочности материала матрицы и зоны на границе распределенной второй фазы, излом отличается выраженной зональностью. Это свидетельствует о переменности скорости движения трещины - нарастании от зеркальной зоны в области исходного дефекта (полюса трещины) до рыхлой, с крупно фрагментированным рельефом, в зоне долома.

На рис. (4.1.23 и 4.1.24) представлены фрактограммы изломов, а на рис.(4.1.25-4.1.27) - микрофотографии изломов в области полюсов для образцов (раздел 3.3), показавших наибольшие значения прочности (составы 1, 2, 4). В зеркальной зоне и по площадке разгона наблюдается типичный транскристаллический излом. Исходные дефекты типа: свищеобразной поры, аномально крупного зерна или, в противоположность - «потерянного» зерна, выкола» в глубину более двух зерен, микротрещины (поперечной по сечению), локального разрыхления всегда расположены на грани или, еще чаще, на ребре образца в растянутой зоне при испытаниях на изгиб.

Дефекты указанных типов всегда обнаруживаются в очаговых зонах трещины разрушения в виде локальных повреждений обожженных образцов, что свидетельствует об общем характере процессов трещиноообразования, установленном в ходе механических испытаний.

Следуя [73], можно допустить что прочность керамики представляет собой некоторую случайную величину т. к. изначально неизвестны ни размеры, ни пространственное расположение трещинообразующих дефектов, вызывающих макроразрушение в процессе нагружения. Тогда прочность контактной пластины, содержащей все виды структурных несовершенств, регламентируется локальной прочностью структурно неоднородной среды, т. е. ее «слабейшего звена» в области любого типа дефекта, способного к инициированию трещины разрушения при заданном виде напряженного состояния [69, 70]. Высказанное предположение представляет собой методическую, постановочную часть задачи изучения структурной прочности. Следуя Болотину, оценка структурной прочности керамики в составе металло-керамического соединения (МКС) может быть дана при использовании следующих допущений: в процессе нагружения при испытаниях в материале не возникает новых дефектов; не происходит изменений размеров, формы и распределения структурных повреждений, накопленных на технологических операциях, предшествующих испытаниям. В соответствии с установленным методическим принципом, а также на основе сделанных допущений и условий подобия в качестве критерия сопротивления трещинорас-пространению керамики контактной пластины, необходимо принять величину критического коэффициента интенсивности напряжений определяемого для гладкого (без надрезов) образца представителя материала в условиях чистого изгиба или краевого среза.

Рассматривая процесс разрушения при изгибе, при котором возможно точное координирование на образце зоны наивысшего риска трещинообразова-ния, всю совокупность дефектов (источников исходной трещины) можно представить в виде идеализированных разрезов, размеры которых соответствуют ширине и глубине поверхностных несовершенств, находящихся в области старта трещины и обнаруженных фрактографическим исследованием изломов. По данным [71] с учетом уточнения [72] для определения критического коэффициента интенсив ности К]с в случае мономорфного изгиба может быть использовано следующее выражение: при (0<а/Ь<0.5), где а - радиус полукруга (идеализированного трещинновидного разреза); И - толщина образца в плоскости изгиба;

М - изгибающий момент, приходящийся на единицу ширины образца; © - угловая координата радиуса контура трещины, равная нулю на нормали к поверхности трещины и изменяющаяся в пределах (-л;/2=<©=<+л;/2).

Поиск экстремумов Кл при переменных © свидетельствует, что Клтах достигается на границах диапазона варьирования угловой координаты (+тс/2; -л/2), и соответствует распространению трещины первоначально с краев вдоль ширины образца по его растянутой поверхности до момента выравнивания интенсивности напряжений по контуру трещины. Затем развитие трещины переходит в неустойчивый режим.

На основании экспериментальных данных можно принять, что контур поверхностной трещины в процессе ее устойчивого развития (в пределах видимой зеркальной зоны излома) принимает эллиптическую форму. Контур такой трещины с равномерным распределением интенсивности напряжений [71] соответствует эллипсу с центром на границе образца и с отношением длин осей, равным 3/2 (т. е. в/а=2/3, где а - большая - приповерхностная полуось, в - малая, нормальная к поверхности образца).

К , = 6.8 МЬ

4.1.91),

Тогда, в общем случае поверхностной полуэллиптической щели, в изгибаемой балке прямоугольного сечения, может быть использовано приближенное (сокращенное) выражение для коэффициента интенсивности напряжений [72] (с погрешностью менее 10%):

К, = 6.8МЬ — а I И а

-■•«тЬН'-т' югде 0 < Ь/а < 1 0 < Ь/Ъ =< 0.4 ' 1.15- 60(Ь/Ъ)2

4.1.92), при0<ЬЛ1<0.05. 1

0.05 < Ь/Ъ < 1.

Если, следуя Г. П. Черепанову, принять, что в процессе стабильного развития трещина сохраняет эллиптическую форму, то исследование функции Кл=Кл(02) позволяет получить, что: при положительном коэффициенте при переменной 0 трещина развивается вдоль кромки (в направлении наибольших Кл), прилегающей поверхности, глубина (Ь) не изменяется, т. е. отношение Ь/а уменьшается; состояние, предшествующее переходу трещины в динамический режим, достигается при обращении в нуль коэффициента 0 ; при отрицательном коэффициенте при 0 трещина развивается вглубь при неизменной ширине, что не характерно для хрупких изломов при изгибе, однако, проявляется при комбинированном и вязком типе разрушения.

Приведенное в [72] выражение для предельного момента, вызывающего распространение трещины, полученное на основе (4.1.92), позволяет определить величину (глубину) поверхностного дефекта, явившегося источником трещины разрушения: при условии, что Ь/Ъ < 0.4 и

0.12 К1СИ2г М 1 '

1+0.1 при 0 < Ь/Ь <1. К

1.1-1.2ЬЛ1 ± 0.1 при 0.1 < Ь/Ъ <0.4. ъ м

К1С - величина критического коэффициента интенсивности напряжений, полученная по (3.5.92) с учетом фрактографических оценок соотношений размеров исходных дефектов (Ь/а и Ь/Ъ).

На рис. (3.5.28) показана расчетная зависимость коэффициента Кк от величины дефекта типа крупной поры или включения, обнаруживаемого как на поверхности, так и в подповерхностной зоне образца, в месте старта трещины.

Как следует из анализа предпосылок линейной механики разрушения и допущений, положенных в основу расчета К1С керамики составов 1 и 2, достоверность полученных результатов снижается по мере увеличения доли вязких слагаемых в механизме разрушения [69, стр. 17, 74-76]. Полученные зависимости критического коэффициента интенсивности напряжений К1С могут быть трактованы как режимные условия структурной прочности рассматриваемых материалов. Исследование физических условий и режимных изменений развития трещины в структурно неоднородном материале, оцениваемых количественно величиной К1С [76], в совокупности с качественной оценкой процесса движения трещины в полифазном материале, позволяет (на основе модели макроразрушения Н. Н. Давиденкова [77]) утверждать, что:

- температурные, скоростные при нагружении и иные режимные изменения соотношений прочностных и деформационных свойств твердой фазы, матрицы и пограничных (межфазных) прослоек, зон спайности зерен и конфигурация границы твердой и газовой фаз, предопределяют изменения траектории трещины в направлении наименьшей вязкости разрушения;

- совокупные режимные изменения прочностных и деформационных свойств структурных элементов проявляются в изменении вида разрушения (например, от транс- к интеркристаллитному) и контролируется изменениями слагаемых микромеханизма трещинораспространения.

С рассмотренных позиций и с учетом модели разрушения Н. Н. Давиденкова находят объяснение известные факты переменного влияния на прочность величины зерна [78-80], пористости [180-85] и теряют смысл устанавливаемые функциональные зависимости, отражающие влияние структурной неоднородности на макропрочность [80, стр. 150, 81, 82].

Использование модели Н. Н. Давиденкова [77], результатов макрофракто-графического исследования изломов, которые находятся в соответствии с кинетическими характеристиками взаимодействия трещины разрушения с материалами в макрообъемах тела [70 стр. 174-176, 197-207] позволяют рассмотреть причины разброса результатов механических испытаний керамических материалов. Так степень отклонения направления наибольшего нормального напряжения (стн) от благоприятной ориентации по отношению к трещинам, зарождающимся под действием сдвигового механизма, определяет величину разброса. При этом роль сдвиговых механизмов зарождения трещин увеличивается по мере увеличения температуры и снижения скорости деформирования, т. е. по мере приближения состояния материала к идеально пластическому. Приведенный выше сопоставительный анализ параметров процесса разрушения: <7шг. , С7сж., т=а(/);

К1С=К(/); в керамике составов 1 и 2, позволяет отметить следующее: структурная чувствительность прочности и деформационной способности полифазной керамики рассмотренных типов, благодаря переменности механизмов, контролирующих процессы разрушения и деформирования, позволяют рассматривать составы 1 и 2 в отношении указанных свойств как динамически и термически не стабильные; изменения механизмов деформирования и разрушения обусловлены режимными зависимостями соотношений деформационных и прочностных свойств в кристаллах твердой фазы, матрицы и процессами на границах («твердая фаза - газ» в том числе), которые проявляются в изменении вязкости разрушения материалов указанных структурных элементов; увеличение вклада группы сдвиговых процессов с переходом от внутри-кристаллитных к преимущественным пограничным (при повышении температуры и снижении скорости деформирования), способствует увеличению доли неупругих деформаций, «разрыхлению» структуры, подготавливающей разрушение отрывом, что проявляется в соответствующих изменениях строения изломов и подтверждает правомерность применения к полифазной керамике модели макроразрушения Н. Н. Давиденкова.

Качественно установленная при исследовании механических свойств полифазной керамики решающая роль неупругих процессов, контролирующих механизмы деформирования и разрушения, требует количественной характеристики реологических свойств керамики во всем диапазоне режимных параметров тер-монагружения при различных напряженных состояниях материалов. Эта часть исследований является весьма важной методически, громоздкой по объему работ, требует специального оборудования (машин типа ИМАШ - АЛАТОО или ПРВ - 302), полученные результаты не будут впрямую использованы в настоящей работе. Поэтому изучение реологических свойств керамики КП не производилось и отнесено в план последующих исследований.

4.2. К методике механических испытаний керамических материалов.

При рассмотрении условий нагружения узла (глава 2) установлены основные факторы, определяющие механический износ элементов узла. Подчеркнуто, что наибольший вклад в процесс поверхностного разрушения (износа) дают механическое и комплексное - термо-электро-механическое разрушение поверхностей материалов контактного узла.

Учитывая данные раздела 4.1, отсутствие опробированных методик проектирования керамических изделий и оценки свойств керамических материалов как конструкционных требуется обоснование модельных подходов, создания взвешенной методики лабораторных испытаний материалов узла, которая могла бы сфомировать базу данных для проектирования его конструкции [69], т. е.:

- соотношений напряжений и деформаций, их зависимостей от режимных параметров термонагружения;

- предельных параметров прочности, феноменологических характеристик име-ханизмов разрушения;

- температурных зависимостей деформациооно-силовых соотношений, характеризующих неупругие явления в процессе разрушения;

В соответствии с целями экспериментов определение истинных механических характеристик материалов соединений, в отличие от сопоставительных, достаточных в задаче разработки, материалов (глава 3), можно сформулировать следующие требования к методике механических испытаний [79, 84]:

- возможность получения макромеханических характеристик на основе феноменологии процессов деформирования и разрушения собственно материала;

- соблюдение адекватности между испытуемым образцом и материалом элемента конструкции по условиям нагружения и масштабу объемов, участвующих в деформировании и разрушении. Первое требование удовлетворяется при использовании общих предположений классической теории упругости (о сплошности, структурной однородности материалов, принципа независимости действия сил, условия малости деформаций от внешних нагрузок по сравнению с размерами тела [85-89], на основе которых еще в 1886г. разработаны модельные критерии - макромеханические условия подобия, применяемые при испытании материалов [90]. Удовлетворение второго требования достигается в результате обеспечения эквивалентности реальных и экспериментальных условий нагружения, деформирования и разрушения материалов в составе конструкции контактной пластины и опытных образцов [84, 69, 91], на основе анализа составляющих масштабного фактора [92-103]. Анализ теорий масштабного фактора [87, 94, 95, 102, 103] позволяет заключить, что в основе представлений о его влиянии на прочность тел в условиях хрупкого, вязкого и промежуточных форм разрушения лежат следующие допущения:

- прочность объекта определяется наиболее слабым элементом его объема («цепная» многоэлементная схема [73,103]);

- прочность всех элементов, составляющих объект, является независимой, случайной величиной, непрерывно распределенной вдоль цепи элементов, с постоянным видом распределения.

Подобный поход к объяснению масштабного фактора в реальных телах впервые предложен В. Вейбулом [104], развит затем Т. А. Конторовой, Я. И. Френкелем [105], В.В. Болотиным [106], С. Д. Волковым [107]. В указанных работах подчеркнуто, что сопротивление разрушению всего тела должно быть рассмотрено с учетом:

- различий в режимах технологических операций при изготовлении изделий различных объемов, размеров, конфигурации (И. А. Одинг) [94, 95, 87,108];

- отклонений от условий подобия при испытаниях образцов различных размеров (по Я. И. Фридману, скорость изменения напряжений, зависящая от размеров сечения и жесткости системы «образец - машина», является динамическим критерием подобия).

Следуя авторам указанных работ, и в результате анализа экспериментальных и теоретических трактовок масштабных явлений в прочности твердых тел, можно заключить что, масштабный фактор является формой проявления влияющих на прочность конструктивно-геометриических и физических параметров материала объекта и не характеризует какие-либо его физические свойства [107]; свидетельствует о подобии: а) по геометрии, б) технологии изготовления, в) условий деформирования и нагружения в процессе испытания образцов по отношению к изделию (контактной пластине). Следуя трактовкам проявления масштабного фактора (табл. 4.2.10) может быть построена классификация основных слагаемых, совокупность проявлений которых определяет принцип моделирования при опытном исследовании механических свойств твердого тела. Следуя авторам работ [79, 84, 91-101, 109, 110] можно заключить, что при разработке образцов - представителей пренебрежение масштабным анализом или проведение его не в полном объеме приводит к появлению зависимостей, связывающих прочность с частными технологическими факторами, влияющими на состояние поверхности образцов, величину зерна, пористость и т. д., [87, 107109], которым обычно придается смысл параметрических. Однако, подобные оценки не являются правомерными и обусловлены неучетом условий подобия образца изделия [79, 111] и принципов моделирования механических процессов [80, табл. 29, стр. 151].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горячев, Илья Николаевич, 2002 год

1. Этап 1. Контрольные испытания.

2. Настоящие рекомендации являются вариантом систематизации определения свойств машиностроительной керамики, поэтому в дальнейшем они, вероятно, потребуют определенной доработки.