Не так давно инженер спросил меня:
У них есть оборудование POM, и первоначальный процесс проверки прошел гладко.
Были проведены два раунда испытаний на износ, которые выявили минимальные изменения размеров и отличное состояние поверхности, подтвердив, что материал не имеет существенных проблем с износом.
Однако во время недавних испытаний на весь- срок службы машины, проведенных после достижения примерно 200 000 циклов, в нескольких образцах начали проявляться поломки зубьев в удивительно одинаковых местах.
В настоящее время в сообществе ведутся споры: некоторые объясняют это стрессом при обработке, другие — дефектами конструкции, а третьи подозревают различия в партиях материалов.
Он задал очень хороший вопрос-
Если с материалом действительно были проблемы, то почему предыдущее испытание на износ дало такие отличные результаты?
На самом деле это очень распространенная проблема, и многие команды сталкиваются с ней.
На самом деле это указывает не на конкретную аномалию параметров, а, скорее, на фундаментальное когнитивное заблуждение.
Почему материал, обладающий превосходной износостойкостью, на самом деле становится более склонным к усталостному разрушению в реальных-условиях эксплуатации?
01
Многие люди с самого начала неправильно понимают «тип проблемы».
Когда большинство людей сталкиваются с описанием «малый износ + последующий перелом», их первой реакцией является выявление отклонения от нормы.
Эта партия материала нестабильна? Есть ли проблемы с обработкой? Или условия тестирования несовместимы?
Но если вы разберетесь в проблеме, вы действительно поймете, что...
Износ и усталость — это принципиально разные категории проблем.
Износ, по сути, является поверхностным явлением.
Вы можете думать об этом как о том, что поверхность материала постоянно «режется» и «царапается».
Какие материалы необходимы, чтобы выдержать этот процесс?
Все просто: твердый, плотный и его сложно прорезать.
Образец цитирования: Исследование и характеристики механизмов абразивного изнашивания
Как видите, многие износостойкие-материалы обладают следующими характеристиками:
Высокая кристалличность
Высокий модуль
Низкая поверхностная энергия (со смазывающими компонентами)
Другими словами, испытания на износ проводятся следующим образом:
Выдержит ли поверхность внешние повреждения?
Но усталость следует совершенно другой логике.
Усталость возникает внутри материала и представляет собой накопительный процесс.
Каждое включение передачи — это, по сути, крошечный цикл изгиба и растяжения.
Для одного просмотра это нормально, но проблема в том...
Это действие будет повторяться сотни тысяч или даже миллионы раз.
Что происходит внутри материала во время этого процесса?
Молекулярная цепь подвергается многократному растяжению и восстановлению.
Необратимая деформация возникает в локализованных областях.
Микроскопические дефекты постепенно увеличиваются в трещины.
Сначала вы не заметите никаких изменений.
Но когда трещина вырастет до определенного критического размера-
Макропроявление: внезапный разрыв.
Поэтому ключевой вопрос не в том, «почему сломалось», а в следующем:
Использование «испытаний на износ» для оценки условий эксплуатации с преобладанием-усталости с самого начала в корне нецелесообразно.
02
Почему «повышение износостойкости» на самом деле приводит к более частым усталостным отказам?
Как только вы правильно классифицируете проблемы, вы заметите явление, которое не поддается интуиции, однако широко распространено среди случаев с-высокой оценкой:
Многие методы повышения износостойкости существенно ухудшают усталостную прочность материала.
Это не совпадение; это определяется структурой.
1. Чем выше кристалличность, тем менее подвижными становятся сегменты цепи.
Почему такие материалы, как ПОМ, ПБТ и ПЭТ, обладают превосходной износостойкостью?
Молекулярные цепи имеют очень компактную и четко-структурированную структуру.
Посторонним чрезвычайно сложно проникнуть в эту среду.
Но вот в чем проблема.
Подвергаясь периодическим нагрузкам, материал должен выполнять одну задачу:
Энергия высвобождается посредством микроскопического движения молекулярных цепей.
Однако проблема со структурой с высокой-кристалличностью заключается в следующем:
Сегмент связан.
Свободный объем небольшой.
Локально почти нет буферного пространства
Результат:
Когда применяется внешняя сила, ей некуда рассеиваться-поэтому она концентрируется исключительно в определенных сегментах цепи-и в конечном итоге приводит к разрыву основной цепи.
2. Филлер часто усугубляет проблему.
Многие инженеры рецептур интуитивно полагают, что:
Для износостойкости → Добавить отверждающий наполнитель.
Например, стекловолокно, углеродное волокно и неорганические порошки.
В краткосрочной перспективе такой подход является разумным:
Поверхность более твердая
Повышенная устойчивость к царапинам
Но что происходит с этими элементами в условиях усталости?
возбудитель стресса
Причина проста:
Смола «деформируема».
Наполнитель «практически не-деформируемый».
При многократной нагрузке граница между двумя компонентами испытывает значительное напряжение сдвига.
Что происходит со временем?
Расслоение интерфейса
Формировать микроотверстия
Трещина начинает распространяться от края наполнителя.
Наконец, то, что вы наблюдаете на поверхности излома, не является однородным изломом.
Скорее, это типичный случай усталостной трещины, развивающейся внутри.
Подводя итог этому разделу, его можно сформулировать в одном предложении:
Вы стремитесь сделать материал «более устойчивым к царапинам-и более «жестким», однако сопротивление усталости требует, чтобы он был «динамичным и способным рассеивать энергию».
03
Как можно разрешить это противоречие с инженерной точки зрения?
При производстве таких компонентов, как шестерни, подшипники или скользящие соединения, требования клиентов обычно просты:
Он не должен быть поврежден или сломан!
Итак, вот проблема:
Как мы можем найти баланс между «жесткостью» и «устойчивостью»?
Подход 1: Вместо увеличения твердости сначала сосредоточьтесь на уменьшении трения.
Если сосредоточить все свои усилия на «повышении стойкости материала к резанию»,
Систему легко направить по траектории «высокая жесткость → низкая усталость».
Попробуйте другой подход:
Вместо того, чтобы напрямую сопротивляться трению, уменьшите трение.
Как именно это следует сделать?
Добавьте смазывающую фазу-на основе силикона.
Добавьте микро-порошок сверх-полиэтилена со сверхвысоким молекулярным весом.
Разработка самосмазывающейся-системы
Характеристики этих предметов следующие:
✔ Не значительно увеличивает модуль
✔ Однако он может образовывать на поверхности слой с низким сдвигом.
Результат:
Часть внешней силы «ускользает», а не «врезается».
Ущерб, вызванный усталостью, гораздо менее значителен.
Подход ②: Разработать «структуру энергопотребления», а не полагаться на один материал.
Именно здесь многие заводы по модификации демонстрируют свою истинную техническую компетентность.
Ядро не «更强», а скорее:
Обеспечьте пространство внутри материала для рассеивания энергии.
Типичный подход:
В качестве системы сплавов, например ПОМ/ТПУ.
ПОМ обеспечивает жесткость и износостойкость.
ТПУ обеспечивает эластичность и рассеивание энергии.
При распространении трещины:
Как только наступает гибкая фаза...
Энергия поглощается.
Трещины пассивируются или даже заделываются.
Вы можете пожертвовать небольшой степенью износостойкости.
Однако это привело к значительному увеличению продолжительности жизни из-за усталости.
Подход 3: Если позволяет бюджет, используйте непосредственно материалы правильной структуры.
Некоторые материалы по своей сути разрешают это противоречие за счет своей молекулярной структуры.
например ПЭЭК.
Его определяющей особенностью является то, что «ни один индикатор не является особенно экстремальным».
Скорее, он одновременно обладает следующими структурными характеристиками:
Жесткие звенья (ароматические кольца, кетоновые группы)
Гибкая связь (эфирная связь)
Результат:
Прочные и-износостойкие
также демонстрирует определенную сегментарную мобильность
Итак, вы обнаружите, что:
Множество высококачественных-динамических компонентов (используемых в авиации и медицине),
Наконец, совершив круг назад, мы возвращаемся к этим материалам.
И дело не в том, что это дорого, а в том, что:
«Структурные дефекты» недорогих материалов трудно полностью компенсировать только за счет рецептуры.
Фундаментальная проблема этого типа проблем заключается не в «использовании неправильных материалов», а в следующем:
Система оценки использовалась неправильно.
Износ – это энергетическое взаимодействие между поверхностями.
Усталость – это накопление внутренней энергии.
Если вы сосредоточитесь исключительно на оптимизации одной метрики в TDS,
Легко достичь совершенства в одном измерении, полностью потеряв контроль в другом.
По-настоящему опытные инженеры не сосредотачиваются на «оптимизации одного показателя»; вместо этого они стремятся:
Найдите точку баланса между жесткостью, прочностью, трением и рассеиванием энергии, которая обеспечит долгосрочную-работу.
Если вы когда-нибудь сталкивались с этим:
Первоначальное тестирование прошло гладко; однако возникли проблемы, связанные со сроком службы продукта после его ввода в эксплуатацию.
Особенно этот-
Ситуация, когда «он почти не нуждался в шлифовке, но все равно сломался».
Скорее всего, это не совпадение, а типичный отказ,-вызванный усталостью.
Внимательно посмотрите на перелом под микроскопом-часто ответ уже есть.