Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
4.28 Mб
Скачать

ГПУ-решеткой, если/* <J* , т = 0,76, если/* =У* (гдеУ* и/* - критическое и докритическое значения коэффициента трения соответственно).

При т = 0,50...0,53

tfmv = 1,40...1,38;

при т = 0,60...0,64

Kmv = 1,34... 1,32;

при т = 0,70...0,76

tfmv - 1,30—1,28.

По формуле (10) для пластического и упругого контактов можно рас­ считать значение / смазанных и несмазанных материалов реальных пар в ус­ ловиях граничного (внешнего) трения при сохранении усталостного меха­ низма разрушения, описываемого уравнением малоцикловой усталости.

Необходимо отметить также теорию изнашивания Мак-Грегора /4/, разработанную группой специалистов IBM. Согласно этой теории для пары трения задается два уровня: 1 - нулевой износ и II - измеримый износ. Если сопоставить теории Мак-Грегора и Крагельского, то окажется, что уровень I совпадает с порогом внешнего трения при гидродинамической смазке, а уро­ вень II - с порогом внешнего трения при граничной. Несмотря на то, что данная теория физически обоснована, ее практическое использование за­ труднено из-за большого числа констант, которые необходимо находить экс­ периментально.

Энергетические методы расчета трения и изнашивания наиболее полно разработаны Г Фляйшнером /4,8,9/. В этой теории трение характеризуется работой сил, затраченной на преодоление трения WR. Её величина находится из закона сохранения энергии в предположении функциональной связи меж­ ду объёмом изношенного материала и WR . В процессе трения может не со­ храняться первоначальное состояние материала - в короткие отрезки време­ ни (10"6 с) материал находится в жидком состоянии. Вследствие дискретного характера контактирования при трении энергия поглощается и выделяется

импульсами. Теория Фляйшнера интересна тем, что объясняет основные за­ кономерности трения и изнашивания с энергетической точки зрения (форму­ лы структурно совпадают с формулами усталостного изнашивания) и тем са­ мым открывает новые возможности исследователям.

Адгезионные теории основаны на том, что сила трения возникает в ре­ зультате преодоления молекулярных сил взаимодействия между твердыми телами. Главный недостаток такого похода - отсутствие учета деформации при трении. Это, однако, не исключает возможности решения конкретных задач трибологии на основе только адгезионных предпосылок. Эксперимен­ тально установлено, что величина износа во многом определяется уровнем адгезионного взаимодействия пары, который в свою очередь зависит от со­ отношения атомных радиусов. При взаимодействии сталей с нитридами и карбидами адгезия минимальна тогда, когда происходит наименьшее пере­ крывание валентных (внешних) электронных орбиталей‘/10/0

Несколько иная кинетическая модельизнашивания предложена Самар­ ским трибологическим центром под руководством Д.Г. Громаховского /11/. Особенностью этой модели, которую условно также еледуетютнести к знер- ' гетическим, является использование для описания акта отделения частиц из­ носа кинетической теории прочности С.Н. Журкова.

Наибольшее практическое применение в России нашли теория устало­ стного изнашивания И.В. Крагельского (её улучшенный вариант - теория А.М. Ряховского) и кинетическая теория изнашивания. Обе теории имеют сходные недостатки. И.В. Крагельский полагал, что в зависимости от вида контакта число воздействий, приводящих к разрушению поверхности, может быть задано как показательная функция отношения напряжений или дефор­ маций. В свою очередь Д.Г. Громаховский вводит представление о времени существования под нагрузкой единичной связи. Однако разрушение массив­ ного тела или отделение частицы износа происходит тогда и только тогда, когда концентрация напряжений в вершине дефекта достигнет критической

величины, и, следовательно, для описания процесса изнашивания с физиче­ ской точки зрения будет обоснованным применение критериев механики сплошной среды. Кроме всего прочего, кинетическая теория прочности имеет весьма существенный недостаток: разрушение металлов в общем случае не может быть объяснено простым нарушением связи между отдельными ато­ мами или их группами. Это подтверждает вся мировая практика эксплуата­ ции деталей машин и конструкций.

Что касается природы трения, то наибольший практический интерес представляют теория третьего тела Крагельского, импульсивная теория

Свирского /12/ и энергетическая теория трения Рабиновича /13/.

Теория Крагельского предполагает молекулярно-механическую приро­ ду внешнего трения. Автор предполагает, что с достаточно хорошим при­ ближением силу трения можно представить как сумму сопротивлений, обу­ словленных межмолекулярным взаимодействием и деформированием по­ верхностных слоев внедрившимися микронеровностями. Природа молеку­ лярного поверхностного взаимодействия, объясняется образованием между трущимися поверхностями третьего тела, вязким течением которого и опре­

деляется молекулярная составляющая коэффициента трения.

Теория трения Свирского рассматривает трение как импульсное, не­ прерывное и необратимое превращение механической энергии в другие фор­

мы. Для расчета коэффициента трения/ им получено выражение

 

/ = /о('1 + а2К2;-е - (а2к2) + ^ — V,

(11)

И-р

 

гдеf Q- коэффициент трения покоя; а - коэффициент, определяемый свойст­ вами материала; V - скорость скольжения; ср - коэффициент вязкости; h -

толщина слоя, в котором происходит дислокация энергии; р - номинальное контактное давление.

Практическое применение теории Свирского затруднено из-за большо­ го числа эмпирических коэффициентов.

Рабинович нашел связь между коэффициентом трения и поверхностной энергией твердого тела:

2 ^ c t ge

( 12)

- р 2 — +К)>

где т - прочность на срез мостиков сварки; Wад - энергия адгезионной связи, приходящаяся на единицу площади контакта; 0 - угол наклона неровности;

~ фактическое давление на контакте; г - радиус пятна контакта.

Согласно теории Рабиновича, определяющим при выборе пары трения является отношение энергии адгезионной связи к фактическому давлению: чем оно ниже, тем более благоприятны условия для трения скольжения.

нованной и доступной для практического применения является теория Крагельского. Достаточно полный обзор теорий трения имеется в работе /4/.

1.3. Абразивный износ

Абразивный износ хорошо изучен, как уже отмечалось ранее, основ­ ным механизмом абразивного износа является микрорезание. Этот вид изно­ са вызывает наибольшие потери массы деталей.

М.М. Хрущевым /14/ дана представляющая несомненный практический интерес оценка объема износа V в зависимости от нормальной нагрузки N, пути трения S, начальной твердости металла Я и размера абразивного зерна:

у- г N 'S 'a

Н

где С - коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей по­ верхности, условий взаимодействия контактирующих тел, кинематики дви­ жения и закрепления абразива, остроты ребер абразива.

При абразивном изнашивании относительная износостойкость сталей

зависит от соотношения твердостей абразива На и металла Нм . При Нл <кНм

в диапазоне к =0,1..Л износ незначительный, при На> к Н м в диапазоне

к -1,3... 1,7 относительная износостойкость сталей, кроме сталей Гадфильда, не зависит от твердости абразива 191. В переходной области износ металла возрастает с повышением твердости абразива. Сталь Гадфильда имеет высо­ кую износостойкость только при больших нагрузках, при которых возможно превращение у - а'.

Практически твердость далеко не всегда определяет абразивостойкость. Например, в процессе изнашивания тепловое воздействие может при­ водить к такой трансформации структуры, что абразивная износостойкость закаленной стали оказывается ниже отпущенной /15/. Принятый в настоящее время критерий износостойкости стали при абразивном изнашивании (ГОСТ

23.218-84) включает в себя твердость и энергоемкость, которую определяют по значениям прочности и относительного сужения /16/. Ещё более верный подход к прогнозированию износостойкости даёт эмпирическая формула

Ifl = К™СН " '

(14)

полученная для широкого класса керамических материалов. Всё чаще стал применяться аналогичный критерий и в нашей стране /17,18/. Для разработки теорий абразивного, эрозионного изнашивания и фреттинг-коррозии хрупких массивных материалов (В4С, Si3N4, AI2O3 и др.) трещиностойкость (К\с) в

качестве одного из критериев разрушения поверхности используют доста­

точно широко.

1.4.Взаимосвязь структуры, механических свойств

иизносостойкости. Поверхностные эффекты при трении

Вработах последних десятилетий большое внимание уделено исследо­ ванию связи физико-механических свойств сталей с их износостойкостью. Учитывалось влияние пределов прочности и текучести, твердости, относи­ тельного удлинения, относительного сужения, ударной вязкости, энергоем­ кости, удельного электрического сопротивления. По характеру влияния на сопротивление износу все характеристики механических свойств сталей можно разделить на две группы: повышение одних при раздельном учете увеличивает износостойкость, повышение других снижает ее.

Кпервой группе относятся предел прочности, предел текучести, твер­ дость. Они все однозначно влияют на износостойкость, например, существу­ ет линейная зависимость износостойкости от твердости HV при абразивном изнашивании.

Согласно /15/ одному значению предела прочности и предела текуче­ сти соответствует несколько разных значений износостойкости стали одного состава. На износостойкость стали влияют не только прочностные характе­ ристики, но и структура, соответствующая этой характеристике.

Более определенную связь с износостойкостью имеет твердость стали:

вхрупкой и вязкой областях с повышением твердости стали ее износостой­ кость увеличивается.

Зависимость износостойкости закаленных сталей от температуры от­ пуска имеет сложный характер, что во многом объясняется изменениями структуры и механических свойств закаленной стали при отпуске.

Структура отожженных углеродистых сталей представляет собой смесь феррита и перлита (для доэвтектоидных сталей) или перлита и цементита (для заэвтектоидных сталей). Авторы работы /5/ предположили, что если твердость смеси компонентов может быть определена по правилу аддитивно­ сти, то и износостойкость смеси также Подчиняется этому правилу. Если из­ вестны значения износостойкости феррита, перлита и цементита, а также их количественное соотношение в сплаве (в процентах), то согласно правилу аддитивности износостойкость смеси двух компонентов

° w - a^ m +0w2~ m ~ -

(15)

В работе /7/ расчетная формула имеет вид

£= 1?аi ti ,

(16)

1=1

где а / - доля номинального объема, занятого в сплаве структурным элемен­ том с износостойкостью 6,*; &w\ и а щ - значения износостойкости структур­ ных составляющих.

Правильность формулы (16) проверяется следующим образом. Сначала экспериментально определяются, а затем рассчитываются значения износо­ стойкости нескольких сталей с различной концентрацией углерода. Расхож­ дение результатов не должно превышать 2-3 %.

Известно, что твердость углеродистых сталей, прошедших закалку и отпуск, находится в прямой зависимости от размера карбидных частиц, опре­ деляющего величину поверхности раздела. Установлено опытом, что с по­ вышением степени дисперсности карбидных частиц повышается износостой­ кость стали. При одинаковой дисперсности более высокую износостойкость имеет сталь с большим содержанием углерода.

Если расположить структуры углеродистых сталей по возрастанию из­ носостойкости, то получится ряд: феррит, перлит, сорбит, троостит, мартен­ сит и мартенсито-аустенит. Таким образом, наименьшей износостойкостью обладаю! сплавы со структурой феррита и перлита, а наибольшей - со струк­ турой мартенсита и мартенсито-аустенита в присутствии цементитной фазы.

Механические свойства поверхности твердых тел зависят от состояния окружающей среды, а именно от наличия пленок жидкостей, состава газовой среды и наличия окисных пленок на поверхности.

Микроскопическое разрушение в поверхностном слое качественно от­ личается от объемного разрушения. Это отличие обусловлено тем, что гра­ ница раздела поверхностного слоя с окружающей средой является сильней­ шим источником воздействия на глубинные слои /19/. Иллюстрацией такого воздействия служат поверхностные эффекты Ребиндера, Иоффе, Роско и Крамера, связанные с физической адсорбцией или хемосорбцией активных компонентов среды на поверхности твердого тела. Эффектами, упрочняю­ щими поверхностные слои материалов, являются эффект Роско и эффект Иоффе. Первый был обнаружен при наличии окисных пленок некоторых ме­ таллов, в частности кадмия. Окисные пленки вызывают упрочнение этих ме­ таллов, т.е. наблюдается рост твердости поверхностного слоя металла в при­ сутствии окисла. В своих экспериментах Иоффе, наблюдая за тем, как вода или водяной пар влияют на деформацию галоидных кристаллов (хлористого натрия), обнаружил, что присутствие воды резко снижает хрупкость кристал­ лов, позволяя их пластически деформировать, тогда как в сухом воздухе эти кристаллы практически непластичны. Иоффе объяснил этот эффект влияни­ ем пленки воды на поверхностный слой металла.

Ко второй группе эффектов относится эффект Ребиндера, показываю­ щий, что присутствие некоторых органических кислот на поверхностях твер­

дых тел вызывает пластификацию и снижение прочности тел. Крамер наблю­ дал подобный эффект при действии кислот на поверхность кристаллов. При­ рода этого эффекта связана с химическими процессами, в основе которых лежит взаимодействие поверхности твердого тела с окружающей средой. Та­ ким образом, поверхностные эффекты могут оказать как положительное (эф­ фект Роско), так и отрицательное влияние на прочность поверхности.

Кроме перечисленных эффектов, существуют эффекты, связанные с изменениями в структуре поверхностного слоя материала, егр деформирова­ нием и фазовыми превращениями при приложении нагрузки.

При нагружении и трении возникают весьма существенные изменения в материале приповерхностного рабочего слоя под влиянием упруго­ пластической деформации и теплоты, развивающейся в результате перехода механической энергии в тепловую.

Деформации в рабочем поверхностном слое можно разделить на мак­ роскопические и микроскопические /20/. Структурные и субструктурные из­ менения относятся к микроскопическим деформациям. Характерной особен­ ностью поведения материала при трении является возникновение деформа­ ции в тонком поверхностном слое. Процессы, которые при этом осуществ­ ляются, зачастую протекают в условиях относительно высоких температур и давлений. Тонкий приповерхностный слой материала по своим свойствам и структуре отличается от остального материала (внутри объема). Специфиче­ ское поведение поверхностных слоев металлов в процессе деформации обу­ словлено. особым положением атомов материала в поверхностном слое, в ко­ тором некоторые связи остаются свободными. Это и приводит к возникнове­ нию свободной поверхностной энергии и обусловливает структурные осо­ бенности материалов в тонком приповерхностном слое.

Известно, что скорость пластической деформации определяется как плотностью подвижных дислокаций, так и скоростью их движения. В резуль­ тате на начальной стадии нагружения у поверхности создается упрочненный слой. На последующих этапах появляется барьерный эффект поверхности. Эти явления подтверждены многими экспериментальными данными /21/.

Б.Д. Грозин показал /22/, что в том случае, когда температура на по­ верхности трения превосходит критические точки структурных превраще­ ний, процесс трения сопровождается локальными структурными превраще­ ниями. Если температура ниже критической, то в микрообъемах закаленной стали могут происходить процессы отпуска. То есть ответственным за ре­ зультат работы на трение является не столько материал с исходной структу­ рой, сколько материал, структура и свойства которого формируются непо­ средственно в процессе трения.

Возможность фазовых превращений при трении и, в частности, вто­ ричной закалки реализуется на практике благодаря следующим условиям:

1) в участках микроконтакта осуществляется нагрев до температуры выше критической и охлаждение до комнатной с большой скоростью;

2) критические точки сталей (термодинамического равновесия фаз, на­ чала и конца мартенситного превращения и др.) могут существенно пони­ жаться под действием деформации;

3) мелкодисперсная структура облегчает структурные превращения: гомогенизацию аустенита; растворение и выделение карбидов, которые мо­ гут происходить микродиффузионным путем (в результате интенсивной диффузии в микрообъемах).

Свойства новой структуры зависят от свойств исходной структуры в данном локальном участке поверхности и от условий трения. Микротвер­ дость аустенита, формирующегося в результате вторичной закалки в процес­

Соседние файлы в папке книги