В.И. Бутенко, В.В. Гусев, Л.П. Калафатова
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
Донецкий национальный технический университет
В настоящее время в мире наблюдается тенденция производства изделий из неметаллических и композиционных материалов, которые все шире заменяют металлы во многих отраслях промышленности. Особое место среди неметаллических материалов занимает конструкционная керамика. Работы по керамическим материалам во всем мире резко интенсифицируются. При получении изделий из КК каждая предыдущая стадия изготовления оказывает решающее влияние на последующие. При использовании КК в деталях с точными размерами без окончательной механической обработки обойтись не возможно. Главным препятствием является высокая твердость и хрупкость КК. Широкое и успешное применение в промышленности технической керамики определяется разработкой эффективных технологических процессов обработки таких материалов, обеспечивающих повышение производительности обработки при обеспечении высоких эксплуатационных свойств деталей.
Характер разрушения материалов при механической обработке можно предсказать, пользуясь феноменологическим критерием прочности, предложенным Г.С. Писаренко и А.А. Лебедевым на основе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [1]. В соответствии с этим критерием параметр X характеризует степень участия в разрушении сдвиговых деформаций, приводящих к предразрушеиию и затем к разрушению. Для ситаллов и керамики параметр X находится в пределах от 0,04 (АС-418, АС-370) до 0,14 (Si3N4). Таким образом, рассматриваемые материалы близки к идеально хрупким материалам, в которых связи между напряжениями и деформациями подчиняются закону Гука вплоть до разрушения. Критерий разрушения преобразуется в соответствующее уравнение теории максимальных растягивающих напряжений. Данный критерий согласуется с подходами механики квазихрупкого разрушения. Лишь введением дефектов в модель материала, задаваемых их определяющими параметрами, можно отразить реальность строения поверхностного слоя после механической обработки. В работе будем рассматривать влияние на прочность и разрушение тел наиболее опасных дефектов - трещин. Дефекты структурного низшего уровня в модели распределены равномерно и учитываются прочностной характеристикой материала, в качестве которой возьмем величину сопротивления материала развитию трещин при разрыве (Klc).
Целью работы, которая выполнялась в соответствии с грантом Т02-06.3-65 Минобразования России 2002, является исследование влияния режимов шлифования и физико-механических свойств керамики на составляющие силы резания при шлифовании керамики и формирование поверхностного слоя деталей при алмазном шлифовании.
Исследования были выполнены при плоском однопроходном врезном шлифовании периферией круга 1А1 250x76х20 АС-6 125/100-4-М2-01. Перед экспериментом круг подвергался правке электроэрозионным методом. В качестве исследуемых материалов были приняты Al2O3(Cп), Al2O3(Гп), Si3N4(Гп), ZrO2. Так как твердость по Виккерсу HV и статическая трещиностойкость Klc керамических материалов сильно зависят от фазового состава и метода получения, то физико-механические свойства керамики определялись методом индентирования на образцах, которые подвергались и дальнейшем механической обработке. Испытания проводились на твердомере ТП-2 при нагрузке 150 Н. В качестве математической модели, описывающей связь составляющих сил шлифования с режимами обработки и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала (ОМ), была принята степенная зависимость. Для исследования структуры нарушенного при обработке поверхностного слоя керамических образцов использовался метод люминесцентной дефектоскопии [2].
Для установления зависимости сил резания от физико-механических свойств (ОМ) был проведен корреляционный анализ значений сил резания в зависимости от трещиностойкости Klc, индекса хрупкости HV/Klc, параметров Klc4/HV3 и (Klc*HV)0,8/E0,6 (определяющих соответственно образование радиальных и боковых трещин [3]). Наиболее высокие значения коэффициента корреляции (в пределах от 0,999 до 0,7) были получены между нормальной составляющей силы резания, индексом хрупкости и значением критической силы при индентировании, при которых образуются медианные трещины (Klc4/HV3).
При увеличении индекса хрупкости с 2 до 5 для всех рассматриваемых материалов уменьшается нормальная составляющая силы резания. Это связано, прежде всего, со снижением доли пластических деформаций при резании материала алмазным зерном, так как снижается предельная глубина перехода от пластических деформаций к хрупкому разрушению керамики. В результате проведенных экспериментальных исследований и последующей статической обработки данных были получены математические модели нормальной удельной (на единицу ширины шлифовального круга) составляющей силы шлифования с учетом индекса хрупкости материала
Pyн=127(HV/Klc)0,52Vд0,35*t0,53*Vк-0,46.
С ростом режимов резания температура на поверхности заготовки увеличивается, а твердость ОМ в зоне резания уменьшается. При этом индекс хрупкости возрастает, что приводит к увеличению доли пластических деформаций при разрушении материала припуска, а следовательно, и сил резания.
С другой стороны, критический размер медианной трещины, при которой она начинается развиваться: устойчивым образом при индентировании, обратно пропорционален квадрату индекса хрупкости материала[3]:
lм=Kм/(HV/Klc)2, (1)
где - Kм постоянная.
Экспериментальные исследования поверхностного слоя керамических образцов показали [4], что условные плотности распределения поверхностных дефектов по полудлине их размеров адекватно описываются упрощенным B-распределением. Плотность распределения дефектов по длине имеет вид
f(l)=r+1/lmax(1-l/lmax)r,
где r - параметр трещиноватости; lmax - максимальная полудлина трещин.
Как показали экспериментальные исследования, максимальная величина полудлины обработочных дефектов в поверхностном слое керамики определяется зависимостью (1). Чем меньше индекс хрупкости материала, а, следовательно, больше величина критической медианной трещины при индентировании, тем больше значение полудлины максимальной обработочной трещины в поверхностном слое. Для исследуемых материалов были получены регрессионные зависимости параметра трещиноватости от нормальной удельной составляющей силы резания Pyн. Корреляционное отношение имеет вид
r=B*Pyн-d,
где B,d - постоянные, зависящие от режима резания свойств ОМ.
Полученные результаты свидетельствуют, что силы резания и повреждаемость поверхностного слоя керамики при алмазном шлифовании зависят от физико-механических характеристик - трещиностойкости и твердости по Виккерсу. Таким образом, обрабатываемость керамических материалов и формирование дефектного слоя в них согласуются с подходами механики квазихрупкого разрушения. Это позволяет прогнозировать качество изделий из керамики по результатам разрушения материалов при индентировании, осуществлять выбор режимов резания из условий формирования эксплуатационных показателей поверхностного слоя изделий.
Список литературы: 1. Панасюк В.В. Механика квазихрупкого разрушения. – Киев: Наукова думка, 1991. - 416 с. 2. Дубовик В.Н., Райхель А.М. Дефектность и уровни прочности ситаллов //Проблемы прочности.-1984. - №7. - С.79-84. 3. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения-М.: Машиностроение, 1999.-544с. 4. Гусев В.В. Обеспечение эксплуатационных характеристик поверхностного слоя конструкционной керамики // Справочник. Инженерный журнал с приложением. - М.: Машиностроение. Приложение №9 к журналу Инженерия поверхности, 2002. - С.2-5.
Другие работы по теме:
Ионная имплантация
Общее понятие и особенности ионной имплантации. Структура и свойства имплантированных слоев. Физические основы метода. Влияние энергии ионов на процессы энергообмена при их столкновении с атомами мишени. Преимущества процесса ионной имплантации.
Табличные значения наиболее распространенных жидкостей
П.В.Скулов, Физический факультет БГПУ В таблице приведены значения:плотность, удельная теплоемкость, удельная теплота плавления, удельная теплота парообразования,температура плавления, температура кипения, коэффициент поверхностного натяжения, динамическая вязкость, скорость распространения звука.
Термомеханическая обработка стали
Лабораторная работа Термомеханическая обработка сталей (ТМО) Высокая прочность в сочетании с удовлетворительной вязкостью, ослабление или даже устранение отпускной хрупкости первого и второго рода достигается применением термомеханической обработки, которая заключается в пластическом деформировании аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском.
Анализ современного состояния структурного и технологического обеспечения процессов изготовления
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТРУКТУРНОГО И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД Ресурс и надежность авиационных двигателей в основном определяются несущей способностью лопаток компрессора (рис. 1), являющихся наиболее ответственными и высоконагруженными деталями, испытывающими в процессе эксплуатации значительные знакопеременные и циклические нагрузки, которые воздействуют на них с большими частотами.
Технология изготовления деталей из керамики
Работа посвящена технологии изготовления деталей из керамики. Химический анализ и подготовка керамического сырья. Тонкий помол и смешивание компонентов. Способы, которыми осуществляется формование заготовок. Механическая обработка необожженных заготовок.
Стекло Керамика
Text Керамика- изделия и материалы, получаемые спеканием. Керамика- изделия и материалы, получаемые спеканием. Искусство керамики насчитывает несколько тысячелетий.
Структура и свойства цементованной стали
Технология цементации изделий и режим их термической обработки, микроструктура цементованного слоя, его глубина. Назначение цементации и последующей термической обработки. Диссоциация. Абсорбция. Диффузия. Закалка. Предел выносливости изделий.
Гравитационное поле плоского слоя
Гравитационное поле плоского слоя В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук Рассмотрим очень важную задачу притяжения, создаваемого плоским слоем в точке А, расположенной на некоторой высоте z над ним. Пусть плотность слоя = const. Вырежем в нем диск радиусом r и толщиной z.
Гравитационное поле плоского слоя
Рассмотрим очень важную задачу притяжения, создаваемого плоским слоем в точке А, расположенной на некоторой высоте z над ним. Пусть плотность слоя = const. Вырежем в нем диск радиусом r и толщиной z.
Культура Плакемин
Введение 1 Описание 1.1 Архитектура и курганы 1.2 Керамика 2 Археологические памятники Список литературы Введение Культура Плакемин, или Плакеминская культура, англ. Plaquemine culture — археологическая культура в низовьях реки Миссисипи на западе современного штата Миссисипи и востоке Луизианы.
Уинтервильские курганы
Введение 1 Курганы 2 Керамика Список литературы Введение Уинтервильские курганы, англ. Winterville Mounds — археологический памятник, состоящий из платформенных курганов с субструктурами, окружающих центральную площадь. Является типовым памятником для Уинтервильской фазы культуры Плакемин-миссисипской культуры.
Керамика Саладо
Стиль Tonto Polychrome Красная (полихромная) керамика Рузвельт (Саладо) , англ. Roosevelt Red Ware, англ. Salado Red Ware, англ. Salado Polychrome — традиция керамики, распространённой в поздний доевропейский период (около 1280—1450 гг, по данным дендрохронологии) на территории штатов Аризона и Нью-Мексико.
Белая керамика Рио-Гранде
Мелкая чаша в стиле Wiyo чёрным по белому Термин « Белая керамика Рио-Гранде » охыватывает несколько традиций доисторической керамики древних пуэбло на территории штата Нью-Мексико. Около 750 г. н. э., после усвоения ряда различных региональных керамических традиций (например, белая керамика Сибола), гончары из региона Рио-Гранде на территории будущего штата Нью-Мексико стали развивать своеобразные местные разновидности керамики с росписью чёрной минеральной (до 1200 г.) или растительной (после 1200 г.) краской по белому или светло-серому фону.
Скопинская керамика
Скопинский гончарный промысел развивался как и многие другие в России, производя гончарную посуду для крестьянского быта, печные трубы, кирпич, черепицу. Но во второй половине XIX века в Скопине появилась отрасль, прославившая его далеко за его пределами
Глэдвин, Гарольд
Введение 1 Молодость 2 Археологические исследования 3 Избранный список публикаций Список литературы Введение Гарольд Стерлинг Глэдвин, англ. Harold Sterling Gladwin (1883, Нью-Йорк — 1983[1]) — американский археолог, антрополог и фондовый брокер. Как археолог, специализировался в доколумбовых культурах юго-запада США, раскопал Снейктаун.
Доколумбова история Кокле
Археологический регион Гран-Кокле охватывает ряд культур доколумбовой эпохи на территории современной Панамы с наибольшей концентрацией в провинции Кокле. Археологи идентифицировали данные культуры по стилям местной керамики. Наиболее ранний и плохо изученный период Ла-Мула (La Mula) длился с 150 г. до н. э. по 300 г. н. э.
Среднестоговская культура
Введение 1 Погребальный обряд 2 Хозяйство 3 Антропологический облик Список литературы Введение Среднестоговская культу́ра — археологическая культура эпохи энеолита (4500-3500 до н.э), распространённая в степях Приазовья между Днепром и Доном. На востоке её локальные разновидности доходили до среднего Поволжья[1].
Гнафия
(Gnathia) — стиль греческой вазописи, популярный в IV в. до н. э. Получил свое название по городу Гнафия в восточной Апулии, где в середине XIX в. были обнаружены первые керамические изделия, выполненные в этом стиле. Производство керамики, украшенной гнафией, началось около 370—360 гг. до н. э. в Апулии, когда краснофигурная вазопись стала полихромной.
Арретинская керамика
Арентинская керамика Керамика из Ареццо — род керамической посуды, получивший наибольшее распространение в районе Ареццо на рубеже тысячелетия с 30 года до н. э. по 40 г. н. э. Изготовление такой посуды стало одним из наиболее известных cо времён древности примеров массового изготовления предметов потребления (ширпотреба) [1]; [2].
Кабала город
Предположительный вид древней Кабалы, (панорама в историческом музее г.Габала, Азербайджан) Кабала́ (Кабалака, Кабалак, Габала), (лезг. Кьвепел - "два холма", азерб. Qəbələ), — древний город и столица Албании Кавказской (до VI века), крупный торговый центр до XV века[1].
Бутмирская культура
Культуры неолита Европы Бутмирская культура — балканская неолитическая культура. Существовала в период 2600—2400 г. до н. э. Является одной из потомков культуры кардиальной керамики.
Чиму
Введение 1 Ремёсла 2 Религия 3 История 4 Язык 5 Первоисточники Введение Чиму́ (кечуа Chimu) — высокоразвитая доколумбова культура в Южной Америке, существовавшая примерно с 1250 по 1470 год на севере современного Перу в области города Трухильо. Предком культуры Чиму является культура Мочика. В эпоху наибольшего расширения влияние Чиму распространялось до границ Эквадора на севере и до Лимы на юге.
Табличные значения наиболее распространенных жидкостей
В таблице приведены значения:плотность, удельная теплоемкость, удельная теплота плавления, удельная теплота парообразования,температура плавления, температура кипения, коэффициент поверхностного натяжения, динамическая вязкость.