Напружений поверхневий стан дискретно зміцнених поверхонь тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 57 Сорокатий Р.В., Диха М.О., Посонський С.Ф. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-m ail: t ribosenator@gmail.com НАПРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНЕВИЙ СТАН ДИСКРЕТНО ЗМІЦНЕНИХ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ УДК 621.891 Пр оведений р озр аху нковий аналіз напр у женого стану дискр етно зміцненої повер хні пр и р ізних сту пеня х дискр етності та встановлені його оптимальні знач ення за кр итер ієм мініму му напр у жень в повер хневому зміцнено му шар і. Клю чові слова: напружений с тан, повер хневий шар, дис кретне зміцнення . Вступ Дискретне зміцнення [1 - 2] е лектрокон тактною цементац ією повер хні формує в локальни х об’ємах повер хнево го шару структури з міц ніс тними властивостями, які відмінн і від власти востей осно- ви матеріа лу. Змінюючи конструкти вно-те хно логічні параметри Д ЕКЦ в повер хневому шарі можна сформува- ти дискре тні с труктури з заданим розміщенням та площею зміцненої повер хн і. Сукупн іс ть яви щ, які відбуваються в повер хневому шарі є визначальними для ме хан ічни х влас тивос тей повер хн і зміцненого зразка. В я кості фактора, який суттєво вп ли ває і дозволяє ефективно керувати ме хан ічними власти во- стями зміцнено го повер хневого шару вибрано площу зміцнено ї повер хні, яка кількісно оцінює ться коефіцієн том дис кретнос ті. Метою дано го дос ліджен ня є ана ліз вп ли ву площ і зміцнено ї повер хн і на особливості поведін ки зміцненого шару в умова х тер тя. Для аналізу проведено моделю вання неоднорідного матеріа лу, повер хня я кого армована елемен- тами цементованого шару з більш високими місціс тними влас тивос тями в порівнян ні з матер іалом осно- ви в умова х тер тя. Для моде лювання викорис тано скінчено-елементну модель бруска з розмірами 15 × 15 × 15 мм, кожна із с торін я кого пре дста влена у вигля ді 30 елемен тів (рис. 1). Рис. 1 – С кі нче но-елементна модель тіла Рис. 2 – Розрахункова модель в умовах те ртя Умови тертя матеріа лів моделю валися прикладан ням до зміц неної повер хні нормальни х (рис. 2, А) та до тични х (рис. 2, В ) нава нтаже нь, величиною відповідно 5 та 0,1 МПа . У повер хні, яка зна ходиться на впроти зміц неної повер хн і було забрано всі ступен і вільнос ті. Розра хункова моде ль пре дста влена на рис. 2. Для прове дення порівня льного ана лізу в першу чергу було проведено розра хун ковий ана ліз на - пружено деформованого стану тіла, в якого повер хневий шар зміц нено повніс тю, тобто коефіцієн т дискре тності має значення 1. Отримані резуль тати відображено на рис. 3 - 4. Вра ховуючи, те що на поверхню тіла діють дотичні наван тажен ня в площи ні XY, важ ливо зна ти характер розпо ділу дотични х напружень в дан ій п лощин і (рис. 4). Аналіз напружено-деформованого стану тіла із повн іс тю зміцненою повер хнею під дією нор- мальни х та до тични х на ванта жень на одн ій з площин по казує, що розподіл до тични х напружень в площин і XY носи ть симетричний характер відносно напрямку дії до тичного наван таження (рис. 4). При цьому стискаючі та розтягуюч і напруження носят симе тричний характер і досягаю ть абсолю тни х значень 21 М Па. При цьому максимальні евіва лен тн і (за М ізесом) напруження сягаю ть значень 215 МПа (рис. 3). Напружений поверхневий стан дискретно зміцнених поверхонь тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 58 Рис. 3 – Екві вале нтні (за Мі зесом) напруже ння змі цне ного тіла (коефі ці єнт дискретності KD = 1,0) Рис. 4– Дотичні напруження в площині XY змі цне ного тіла (коефі ці єнт дискретності KD = 1,0) Зразки, піс ля Д ЕКЦ з коефіцієн том дис кретнос ті меншим від 1, з точки зору механ іки деформ о- ваного тіла, є не що інше, як тіла з неоднорідною повер хнею, армованою сторонніми включеннями. Поя- ва в повер хневому шарі дискре тно розмішени х с торонніх включень призводить до зміни напружено- деформованого стану тіла в процесі наван таження , при цьому сторонні навантажен ня відіграють роль концентра торів напружень. Резуль та ти розра хункового аналізу напружено - деформованого стану поверхні тіла піс ля Д ЕКЦ з різн ими коефіц ієнтами дис кретнос ті наве дено на рис. 5 - 16. Рис. 5 – Екві вале нтні (за Мі зесом) напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,25) Рис. 6 – Дотичні напруже ння в площині XY змі цне ного тіла (KD = 0,25) Рис. 7 – Максималь ні дотичні напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,25) Рис. 8 – Екві вале нтні (за Мі зесом) напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,45) Рис. 9 – Дотичні напруже ння в площині XY змі цне ного тіла (KD = 0,45) Рис. 10 – Максималь ні напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,45) Рис. 11 – Екві вале нтні (за Мі зе сом) напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,65) Рис. 12 – Дотичні напруження в площині XY змі цне ного тіла (KD = 0,65) Напружений поверхневий стан дискретно зміцнених поверхонь тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 59 Аналіз напружено - деформованого стану тіла при різни х коефіцієн та х дискре тності вка зує, що наявніс ть сторонніх включень може суттєво зміни ти напружено - деформований стан, як с торону змен- шення наван тажень так і в с торону їх збільшен ня. Рис. 13 – Максималь ні напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,65) Рис. 14 – Екві вале нтні (за Мі зе сом) напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,75) Рис. 15 – Дотичні напруження в площині XY змі цне ного тіла (KD = 0,75) Рис. 16 – Максималь ні напруже ння змі цне ного тіла (KD = 0,75) Аналіз отримани х резуль татів показує, що по мірі росту коефіц ієн та дискре тності від значень 0,25 до 0,65 відбувається зменшення е квіва лен тни х напружень в повер хневому шарі. Так при DK  0,25 значення максимальних еквівалентни х (за Мізесом) напружень складає 47 МПа, при DK  0,45 – 31 МПа, і при значення х DK  0,65 – 19 М Па. Аналогічний характер за лежностей спостерігається і для максимальни х до тични х напружень. При DK  0,25 значення максимальни х до тични х напружень скла дає 25 МПа, при DK  0,45 – 17 МПа, і при значення х DK  0,65 – 10 М Па. При цьому дотичні напруження в площи ні XY зм інюються не су ттєво – від 4 до 5 МПа. При збільшен ні коефіц ієнта дис кретнос ті до 0,75 вс і характерис тики напруженого стану поверхні су ттєво зростаю ть . Так максимальн і еквівален тн і (за Мізесом) напруження зросли до 207 М Па, а максимальні до тичні – до 114 М Па. Резуль та ти розра хунків напружено-деформованого стану зміцненої повер хн і з доста тньою мірою адеква тнос ті підтвер джують результа ти , отримані екс периментальн им шля хом. Проведений ана ліз дозволяє с тверджувати , що особливості напружено - деформованого стану поверхн і, я кі ви никаю ть в процесі функціонування дис кретно зміцнено ї повер хн і суттєво впли вають на перебіг процесів зношуван- ня. Так за рахунок змін и ступені дискре тизац ії повер хні можна досягну ти мінімаль ної концен трації на- пружень в поверхневому шарі і тим самим суттєво збільши ти зносостійкіс ть, що спостерігається при значення х коефіц ієн та дискретності близь ки х до 0,6. При зб ільшен і, або зменшені площ і зміц неної поверхні відбуває ться ріс т значень вс іх скла дови х характерис тик напружено-деформованого стану. Висновки 1. Розра хун ковий ана ліз напруженого стану дискре тно зміцнено ї повер хн і при р ізни х коефіцієн та х дискре тності вказує, що напружено-деформований стан, який ви никає в повер хневому шарі при тер ті є одним із основни х факторів, що визначаю ть зносостій кість шару. 2. Чисельне моде лювання напруженого стану дискре тно зміцненої повер хн і в процесі функціонування вка зує, що при значення х коефіц ієн та дискретності наближе ни х до 0,6 спос терігає ться мінімальна концен трація напружень, і всі компоненти напружено-деформованого стану є найнижчими. Літе ратура 1. Ди ха О.В. Дис кретна е лектроконта ктна цементація цилін дричної повер хн і [Текс т] / В.П. Ве льбой, С. Ф. Посонський, О.В. Д и ха, О.С. Дробот // Проблеми трибології (Proble ms of Tribology). – 2011. – № 3. – С. 29-30 2. Ди ха О.В. Модиф ікац ія повер хнево ї будови трибосполучень комбінованою електрофізичною обробкою [Текст] / О.В. Ди ха , С.Ф. Посонський, О.П. Бабак, А.А. Вичавка // Наукові но татки. – 2011. – № 31. – С. 124–128. Поступи ла в редакц ію 25.05.2015 Напружений поверхневий стан дискретно зміцнених поверхонь тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 60 Sorokaty R.V., Dy kha M .O. Posonsky S.F., The tense superficial state of the discretely fixed surfaces of fric- tion. The calcu lation an aly sis of the tense state of the discretely fixed surface is conducted at the different degrees of discreteness and set it op timum values after the criterion of a minimu m of tensions in the sup erficial fixed lay er. Key words: tense state, superfic ial layer, discrete strengthening. References 1. Dy kha O.V. Dyskretna elektrokontaktna tsementatsiia tsylindrychnoi poverkhni, V.P. Velboi, S. F. Posonskyi, O.V. Dy kha, O.P. Drobot, Proble my trybolohii (Proble ms of T ribology). 2011. № 3. P. 29-30 2. Dy kha O.V. Modyfikatsiia poverkhnevoi budovy trybospoluchen kombinovanoiu elektrofizychnoiu obrobkoiu, O.V. Dy kha, S.F. Posonskyi, O.P. Babak, A.A. Vychavka, Nau kovi notatky. 2011. № 31. P. 124– 128.