3 Анализ фрикционной усталости с позиций общих закономерностей кинетических процессов

Согласно публикациям последних лет, базу испытаний в условиях циклических воздействий необходимо расширять, поскольку характеристикиусталостивобласти 108 – 109 циклов нагружения значительно снижаются. Это, в свою очередь, требует анализа пороговых характеристик усталости и общих закономерностей развития разрушения при циклических нагрузках. В работах [20, 21], в частности, показано, что многие кинетические процессы могут быть описаны на основе теории фазовых переходов и с использованием степенного соотношения, связывающего характеристики процесса с параметрами порядка, а так же степенного соотношения, подобного уравнению Пэриса – Эрдогана, связывающего скорость процесса с управляющим параметром. Возможность рассмотрения процессов разрушения с позиций теории фазовых переходов обусловлена тем, что кинетические кривые разрушения при различных условиях нагружения близки по своей форме к изотермам фазового перехода жидкость – газ, построенным в координатах давление -плотность. По аналогии с фазовым переходом жидкость – пар близость к критической точке процесса разрушения определяется параметром порядка, который является степенной функцией характеристик, контролирующих условия нагружения. Оценка критических индексов в этих соотношениях позволяет предсказать характеристики достижения критического состояния материала при нагружении, сопровождаемого сменой механизма разрушения.

Для оценки критической точки процесса разрушения могут быть использованы нагрузка или напряжение, при которых исчезает участок кривых разрушения, соответствующий второй установившейся стадии процесса. При этой критической нагрузке кривые разрушения становятся близкими к прямой, как и изотермы фазового перехода жидкость — пар при достижении критической температуры. Такой переход сопровождается сменой механизма разрушения. На второй стадии процесса накопления повреждений материал состоит из поврежденных и неповрежденных объемов и может рассматриваться как двухфазный. В конце этой стадии происходит слияние поврежденных объемов (микротрещин) с образованием макротрещины. По-видимому, можно допустить, что акой “фазовый переход” происходит с образованием новой фазы — макротрещины. При критической нагрузке этот переход происходит сразу после окончания первой стадии накопления повреждений. В случае развития магистральной трещины процесс слияния микротрещин развивается в пластической зоне вблизи вершины трещины и вызывает увеличение скорости роста трещины. Длина участка стабильной стадии развития процесса на кривых накопления повреждений или разрушения может использоваться в качестве параметра порядка кинетического процесса. Это позволяет установить новые соотношения, описывающие кинетику процесса, и оценить критические экспоненты, характеризующие скорость достижения критического состояния материала при нагружении. Подобные оценки были ранее выполнены для процессов разрушения, развивающихся в условиях ползучести, усталости и динамического нагружения [20, 21].

В данной работе показано, что отмеченные выше общие закономерности обнаруживаются и при изучении фрикционной усталости, и предложен параметр, контролирующий зарождение и развитие повреждений в этих условиях. Для анализа использовали экспериментальные данные по усталости фрикционной пары углеродистая сталь 45 — полимерФ4-ВМ [22], полученные на базе 108 циклов нагружения. В процессе испытаний образец размером 10 × 10 × 10 мм прижимали к оси диам. 10 мм, вращающейся со скоростью 3000 мин–1. Предельное состояние полимера характеризовали достижением износа, равного 1 мм. Испытания проводили на многоцелевой износофрикционной машине SI при различных контактных нагрузках [23].

В результате испытаний были построены [22] кривая фрикционной усталости, а так же кинетические кривые износа в координатах величина износа — время. При этом кривая фрикционной усталости оказалась подобной обычной кривой усталости с тремя участками, соответствующими малоцикловой (I), многоцикловой на базе 106 (II) и высокоцикловой на базе 107 – 108 (III) усталости. Переход от одной области на кривой усталости к другой происходил при контактных нагрузках, равных 330 Н (I – II) и 80 Н (II – III). Данным режимам фрикционной усталости соответствовали кинетические кривые износа различной формы (рис. 7). Форма этих кривых связана со стадийностью фрикционной усталости. При средних значениях контактной нагрузки (режим II) кривые износа обнаруживали все три стадии развития процесса износа (см. рис. 7): начальную стадию накопления повреждений (участок A), установившуюся (B) и ускоренную (C) стадии роста дефектов. При малых значениях контактной нагрузки не обнаруживалась первая стадия, а при высоких нагрузках исчезала вторая стадия износа, поскольку предельный износ достигался уже в конце первой стадии накопления повреждений. Такое изменение стадийности развития усталостного разрушения обусловлено тем [22], что механизм износа был связан с увеличением вклада пластической деформации в процессе разрушения при высоких контактных нагрузках.

По аналогии с ранее рассмотренными процессами разрушения допустим, что в торая стадия фрикционной усталости (B) связана с накоплением и развитием повреждений в зоне процесса, которая включает две “фазы” — поврежденные и неповрежденные объемы материала. Тогда ускорение износа в начале стадии С связано со слиянием пор и микротрещин, предшествующим образованию новой фазы — макротрещины, т. е. дефекта следующего порядка и большего по размеру по сравнению с дефектами данного уровня. С увеличением нагрузки стабильная стадия В на кинетической кривой износа уменьшается и при критической нагрузке Fс исчезает. Дальнейшее повышение нагрузки приводит к интенсивному износу уже на первой стадии процесса (A).

Для описания процесса фрикционной усталости используем подходы теории фазовых переходов. Для этого в качестве параметра порядка фазового перехода в процессе разрушения примем долговечность на второй стадии усталости, которая становится близкой к нулю при критической контактной нагрузке Fс = = 320 Н (см. рис. 7, кривая 8). На рис. 8 представлены зависимости нормированных значений параметра порядка от нормированных значений контактной нагрузки.

Рис. 7. Кинетические кривые износа полимера Ф4-ВМ при различной контактной нагрузке F, равной 10 (1), 30 (2), 50 (3), 80 (4), 140 (5), 200 (6), 260 (7), 320 (8), 340 (9), 380 (10), 400 (11), 440 Н (12)

Рис. 8. Зависимость параметра порядка процесса фрикционной усталости полимера от контактной нагрузки (Fс= 320 Н)

Видно, что наклон кривой увеличивается при приближении к критической нагрузке, т. е. она может быть представлена степенной функцией вида (F – Fс )/Fс = A[(N – Nс)/Nс]α с различными показателями, отражающими ускорение развития процесса вблизи критической нагрузки.

Рис. 9. Кинетические диаграммы фрикционной усталости полимера Ф4-ВМ при различной контактной нагрузке F, равной 10 (1), 30 (2), 50 (3), 80 (4), 140 (5), 200 (6), 320 (7), 440 Н (8) (a), и зависимость пороговых значений управляющего параметра Тth от контактной нагрузки, построенная в полулогарифмических (нижняя кривая) и двойных логарифмических (верхняя кривая) координатах (б)

Ммногие кинетические зависимости разрушения отражают также и другую общую особенность процессов развития разрушения, состоящую в следующем: скорость процесса может быть описана степенной функцией некоторого управляющего параметра, подобного по физическому смыслу коэффициенту интенсивности напряжений. В случае фрикционной усталости в качестве такого параметра может быть использован T = F i, где F — контактная нагрузка; i — величина износа. На рис. 9, а приведены зависимости скорости износа v = di/dlgN от предложенного параметра Т. Видно, что форма этих кинетических диаграмм фрикционной усталости подобна диаграммам Пэриса, построенным для обычной усталости. Это позволяет оценить пороговые значения этого параметра Tth = F i и показатели в степенном соотношении v = ATm, описывающем линейный участок кинетической диаграммы, построенной в двойных логарифми- ческих координатах. С увеличением нагрузки значения T и m растут, однако при нагрузке, превышающей 200 Н, на диаграммах появляется участок уменьшения скорости износа. На рис. 9, б показана зависимость пороговых значений T-параметра от нагрузки, подчиняющаяся соотношению Tth = BFn. Хотя управляющий параметр Т имеет размерность коэффициента интенсивности напряжений и подобен ему по физическому смыслу, его использование не позволяет получить универсальную диаграмму v – T при различных нагрузках, подобную обычной диаграмме усталостного разрушения. Вероятно, для ее получения требуется вводить ограничения на размер зоны процесса, определяющей его скорость. Однако, учитывая подобие по форме диаграмм фрикционной усталости, полученных при различной нагрузке, универсальную диаграмму можно по- строить в нормированных координатах v/vsc – T/Tsc, где vsc и Tsc — координаты точек пересечения диаграмм с прямой скэлинга (штриховая линия на рис. 10).

Рис. 10. Диаграммы фрикционной усталости полимера, построенные в универсальных координатах

Полученная таким образом универсальная диаграмма свидетельствует о самоподобии исходных кривых и описывается степенным соотношением.

Итак, установлено, что процесс фрикционной усталости подчиняется общим кинетическим закономерностям накопления повреждений в твердых телах и может быть рассмотрен с позиций теории фазовых переходов. Предложены новые параметры и соотношения, которые облегчают анализ экспериментальных данных и предсказание поведения материала в условиях фрикционной усталости.