Неотдавна един инженер ме попита:
Те имат POM оборудване и първоначалният процес на валидиране е протекъл гладко.
Бяха проведени два кръга тестове за износване, разкриващи минимални промени в размерите и отлично състояние на повърхността, потвърждавайки, че материалът не показва значителни проблеми с износването.
Въпреки това, по време на скорошни тестове за продължителността на живота на цялата-машина, проведени след достигане на приблизително 200 000 цикъла, няколко проби започнаха да показват счупване на зъбите на забележително еднакви места.
В момента има известен дебат в общността: някои го приписват на стреса при обработката, други на недостатъци в структурния дизайн, докато трети подозират вариации в партидите на материала.
Той зададе много добър въпрос-
Ако материалът наистина е имал проблеми, защо предишният тест за износване даде толкова отлични резултати?
Това всъщност е много често срещан проблем и много отбори попадат в него.
Това, към което наистина сочи, не е конкретна параметърна аномалия, а по-скоро фундаментално когнитивно погрешно схващане.
Защо материал, който проявява отлична устойчивост на износване, всъщност става по-податлив на разрушаване поради умора при реални-условия на работа?
01
Много хора разбират погрешно „типа проблем“ от самото начало.
Когато повечето хора се сблъскат с описанието „слабо износване + последващо счупване“, първата им реакция е да идентифицират аномалията.
Тази партида материал нестабилна ли е? Има ли проблеми с обработката? Или условията за тестване са непоследователни?
Но ако разбиете проблема, всъщност ще разберете, че...
Износването и умората по същество не са една и съща категория проблеми.
Износването по същество е повърхностно явление.
Можете да си представите това като материална повърхност, която непрекъснато се „нарязва“ и „надрасква“.
Какви материали са необходими, за да издържат на този процес?
Просто е: твърдо, плътно и трудно за разрязване.
Цитиране: Изследване и характеристики на механизмите на абразивно износване
Както можете да видите, много устойчиви-на износване материали споделят тези характеристики:
Висока кристалност
Висок модул
Ниска повърхностна енергия (със смазочни компоненти)
С други думи, тестовете за износване са следните:
Може ли повърхността да издържи на външни повреди?
Но умората следва съвсем друга логика.
Умората възниква в материала и е кумулативен процес.
Всяко зацепване на предавка е по същество малък цикъл на огъване и разтягане.
Добре е за едно гледане, но проблемът е...
Това действие ще се повтори стотици хиляди или дори милиони пъти
Какво се случва вътре в материала по време на този процес?
Молекулярната верига претърпява многократно разтягане и отскачане.
Необратима деформация възниква в локализирани региони.
Микроскопичните дефекти постепенно се увеличават в пукнатини.
Първоначално няма да забележите никакви промени.
Но когато пукнатината нарасне до определен критичен размер-
Макро проявлението е: внезапно разкъсване.
Следователно ключовият въпрос не е "защо се счупи", а по-скоро:
Използването на „изпитване за износване“ за оценка на „-доминирано от умора“ работно състояние от самото начало е фундаментално неподходящо.
02
Защо "подобрената устойчивост на износване" всъщност води до по-чести повреди поради умора?
След като правилно категоризирате проблемите, ще наблюдавате феномен, който се противопоставя на интуицията, но е силно разпространен сред-случаите с висок резултат:
Много методи за подобряване на устойчивостта на износване по същество компрометират устойчивостта на умора на материала.
Това не е случайно; това се определя от структурата.
1. Колкото по-висока е кристалността, толкова по-малко мобилни стават сегментите на веригата.
Защо материали като POM, PBT и PET показват отлична устойчивост на износване?
Молекулярните вериги са подредени в изключително компактна и добре{0}}дефинирана структура.
За външни лица е изключително трудно да проникнат в тази среда.
Но точно там е проблемът.
Когато е подложен на периодичен стрес, материалът трябва да изпълнява една задача:
Енергията се освобождава чрез микроскопично движение на молекулни вериги.
Проблемът със структурата с висока{0}}кристалност обаче е:
Сегментът е обвързан.
Свободният обем е малък.
Локално почти няма буферно пространство
Резултатът е:
Когато се приложи външна сила, няма място, където тя да се разсее-поради което се концентрира единствено в определени сегменти на веригата-и в крайна сметка причинява скъсване на основната верига.
2. Пълнителят често изостря проблема.
Много инженери по формули интуитивно вярват, че:
За устойчивост на износване → Добавете втвърдяващ пълнител
Например фибростъкло, въглеродни влакна и неорганични прахове.
В краткосрочен план този подход е стабилен:
Повърхността е по-твърда
Подобрена устойчивост на надраскване
Но какво се случва с тези елементи при условия на умора?
повишаващ стреса
Причината е проста:
Смолата е "деформируема".
Пълнителят е „по принцип не-деформируем“.
При многократно натоварване интерфейсът между двата компонента изпитва значително напрежение на срязване.
Какво се случва с времето?
Разслояване на интерфейса
Оформете микродупки
Пукнатината започва да се разпространява от ръба на пълнителя.
И накрая, това, което наблюдавате на повърхността на фрактурата, не е равномерна фрактура.
По-скоро това е типичен случай на пукнатина от умора, която се развива вътрешно.
За да обобщим този раздел, той може да бъде обобщен в едно изречение:
Вие се стремите да направите материала „по-{0}}устойчив на надраскване“ и по-„твърд“, но устойчивостта на умора изисква той да бъде „динамичен и способен на разсейване на енергия“.
03
Как може да се разреши това противоречие от инженерна гледна точка?
Когато се произвеждат компоненти като зъбни колела, лагери или плъзгащи се съединения, изискванията на клиентите обикновено са ясни:
Не трябва да е нито повреден, нито счупен!
Ето го проблема:
Как можем да постигнем баланс между "твърдост" и "устойчивост"?
Подход 1: Вместо само да увеличавате твърдостта, първо се фокусирайте върху намаляването на триенето.
Ако съсредоточите всичките си усилия върху "подобряване на устойчивостта на материала на рязане",
Лесно е да насочите системата към траектория на "висока твърдост → ниска умора".
Опитайте различен подход:
Вместо да се съпротивлявате директно на триенето, намалете триенето.
Как точно трябва да стане това?
Добавете смазваща фаза-на основата на силикон
Добавете PE микро-прах с ултра-високо молекулно тегло
Разработване на-система за самосмазване
Характеристиките на тези елементи са:
✔ Не увеличава значително модула
✔ Въпреки това, той може да образува слой с ниско срязване на повърхността
Резултатът е:
Част от външната сила се „изплъзва“, а не „врязва“.
Щетите, причинени от умората, са много по-малко значими.
Подход ②: Разработете „структура на потреблението на енергия“, вместо да разчитате на един материал
Това е точно мястото, където много заводи за модификация демонстрират своята истинска техническа експертиза.
Ядрото не е „更强“, а по-скоро:
Осигурете пространство в материала за разсейване на енергията.
Типичният подход е:
Като система от сплави, например POM/TPU
POM предлага твърдост и устойчивост на износване.
TPU осигурява еластичност и разсейване на енергията.
Когато пукнатината се разпространи:
След като се срещне гъвкавата фаза...
Енергията се абсорбира.
Пукнатините са пасивирани или дори прекратени.
Можете да пожертвате малко устойчивост на износване.
Това обаче доведе до значително увеличаване на продължителността на живота поради умора.
Подход 3: Ако бюджетът позволява, използвайте директно материали с правилната структура.
Някои материали по своята същност разрешават това противоречие чрез тяхната молекулярна структура.
например PEEK.
Неговата дефинираща характеристика не е „един индикатор да е особено краен“.
По-скоро той притежава следните структурни характеристики едновременно:
Твърди единици (ароматни пръстени, кетонови групи)
Гъвкава връзка (етерна връзка)
Резултатът е:
Здрави и{0}}устойчиви на износване
също показва определена сегментна подвижност
Така ще откриете, че:
Много динамични-компоненти от висок клас (използвани в авиационни и медицински приложения),
Накрая, след като се върнахме назад, се връщаме към тези материали.
Не защото е скъпо, а защото:
„Структурните дефекти“ на евтините материали е трудно да се компенсират напълно само чрез формулировка.
Основният проблем с този тип проблем не е „използването на грешни материали“, а по-скоро:
Системата за оценка е използвана неправилно.
Износването е енергийното взаимодействие между повърхностите.
Умората е натрупване на вътрешна енергия.
Ако се фокусирате единствено върху оптимизирането на един показател в TDS,
Лесно е да постигнете съвършенство в едно измерение, докато напълно губите контрол в друго.
Истински опитните инженери не се фокусират върху „оптимизиране на един показател“; вместо това те имат за цел:
Намерете точка на баланс между твърдост, издръжливост, триене и разсейване на енергия, която гарантира дългосрочна-производителност.
Ако някога сте се сблъсквали с това:
Първоначалното тестване протече гладко; възникнаха обаче проблеми относно продължителността на живота на продукта, след като той беше пуснат в употреба.
Особено този-
Ситуацията, в която "едва ли се нуждаеше от смилане, но все пак се счупи."
Това най-вероятно не е съвпадение, а по-скоро типична повреда,-причинена от умора.
Погледнете отблизо счупването под микроскоп-отговорът често е вече там.