Analiza naprężeń w ceramicznych elementach tocznych

Materiały ceramiczne od kilkunastu lat znajdują coraz większe zastosowanie w technice. Wynika to z charakterystycznych właściwości materiałów ceramicznych takich, jak duża twardość, odporność na korozję, możliwość stosowania w środowiskach agresywnie chemicznych, a także z uwagi na mniejszy ciężar właściwy w porównaniu z materiałami stalowymi. Przykładem zastosowań tej grupy materiałowej mogą być: powłoki ceramiczne nakładane na powierzchnie cylindrów silników samochodowych, elementy pomp drukarskich, elementy zaworów kulowych itp. Materiały ceramiczne znajdują także zastosowanie w inżynierii łożyskowania, czego dowodem są między innymi hybrydowe łożyska toczne. Jednak zastosowanie materiałów ceramicznych wiąże się z wieloma ograniczeniami. Podstawową ich wadą jest mała odporność na kruche pękanie, która wiąże się z ich strukturą chemiczną i właściwościami mechanicznymi. Drogą do szerokiego zastosowania tego typu materiałów jest znajomość mechanizmów propagacji pęknięć i momentu ich inicjacji w określonych warunkach pracy. W pracy przeprowadzono metodą elementów skończonych (MES) analizę stanu naprężenia w strefie pęknięcia kolistego kulki ceramicznej wykonanej z azotku krzemu poddanej naciskom hertzowskim. Naprężenia analizowano dla pęknięć, które najczęściej są spotykane na powierzchni kulek ceramicznych. Obliczenia numeryczne prowadzono za pomocą programu ANSYS. Rozwiązania numeryczne porównywano z wynikami badań doświadczalnych propagacji tego typu pęknięć.

Some ceramic materials have been found to have the optimum combination of properties that are suitable for rolling element bearing applications (high speeds, high loads, different environments). Cracks, structure defects, and manufacturing faults are the main problem connected with fatigue life. These defects decrease the rolling contact fatigue considerably. A stress analysis of crack propagation by the finite element method of silicon nitride material was described in the paper. Ring cracks were modelled based on microscopic analysis of artificial induced cracks made onto silicon nitride balls. The stress analysis of cracks was performed in relation to the contact position of two ceramic balls. Numerical stress analysis shows that the maximum value of von Mises stresses is 0.04 – 0.05 mm below the ceramic ball surface where the cracks change direction. The results are in accordance with experimental research and confirm that crack propagation takes place directly below the ball surface.