книги / Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов
..pdfГПУ-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