Махкамов К.Х. Расчет износостойкости машин: учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
21
условия может привести к замене ведущего вида износа другим.
Так, усталостная теория износа изучает механические процессы
деформирования микронеровностей поверхностных слоев,
окислительный износ основан на химических процесссах
образования и разрушения тонких плёнок окислов, схватывание
связано с теплотой, выделяемой при трении и его рассеиванием в
окружающую среду.
Таким образом, критерий износостойкости должна быть
достаточно универсальным, позволяющим одновременно учитывать
возможные варианты и сочетания действия различных факторов.
На наш взгляд, универсальным критерием может служить
количество энергии, выделяемое и потребляемое при трении.
Как считает Б.И.Костецкий, "большинство практических
решений осуществляется малоэффективным дорогостоящим
путем. Создавшееся положение обусловлено, с одной стороны,
чрезвычайной сложностью и многогранностью проявлений трения и
износа и с другой - отсутствием фундаментальных основ,
опирающихся на теоретическую физику и материаловедение" [28].
Энергетическая теория трения и изнашивания позволяет
объединить существующие частные теории и объяснить многие
противоречивые данные, опубликованные в литературе.
Из всех видов изнашивания механический вид наиболее
доступен прогнозированию и потому наиболее полно
сформулированы задачи о механическом износе на языке
математики. Математические модели механического изнашивания
с той или иной точностью соответствуют реальным процессам.
В результате моделирования процесса изнашивания с учетом
разнообразных взаимодействий часто возникает очень трудная
математическая задача, которая не допускает аналитического
решения. В этом случае можно использовать численные расчёты на
ЭВМ. Однако такой способ исследования поставленной задачи, как
правило, не позволяет получить всю информацию о решении, о его
качественных особенностях. Отсутствие достаточно полного
математического описания изнашивания, вероятно, объясняется
тем, что процессы, сопровождающие её, различны по своей
природе и не могут быть описаны на основе какого-либо одного
физического закона. Поэтому при изучении изнашивания деталей
машин необходимо привлекать различные физические законы,
относящиеся к таким разделам физики, как механика,
электричество, термодинамика и т.п.
Основным недостатком механической теории изнашивания
является то, что она рассматривает силу и деформацию как
причина изнашивания. Избавиться от этого представления конечно
трудно, однако если рассмотреть изнашивания, как результат
некоторого процесса преобразования энергии (в данном случае
22
механической энергии сил трения в тепловую) и часть энергии
переходит в этом процессе в материал поверхностных трущихся
слоев (в зависимости эффективности превращения или так
называемое кпд процесса всегда меньше единицы и превращение
абсолютно не полное), то часть энергии, обозначаемое как ∆Е, и
есть причина изнашивания.
Поэтому теории изнашивания, где в основу взято чисто
механическое взаимодействие поверхностей, хотя и дают какие-то
весьма приближенные результаты (по некоторым работам,
удовлетворяющих данный уровень развития науки и техники) не
могут учесть сопутствующие явления. Сопутствующие как теплота,
электричество, магнитные явления, звук (акустические явления) и
химические воздействия среды, смазки и материалов, на влияние
сильное воздействие, на процесс которых, никто из исследователей
не могут возражать.
Попытки создания многофакторной модели изнашивания,
ввиду многочисленности влияющих на процесс факторов,
представляются бесперспективным. Наши попытки составить
регрессионные уравнения изнашивания и по статистической
значимости коэффициентов уравнения регрессии ранжировать
факторы не дали положительных результатов. Это объясняется
тем, что вследствие широкого интервала варьирования значений
факторов охватить их описание одним уравнением не
представляется возможным.
Об идентичности усталостной
и энергетической теорий изнашивания.
Согласно усталостной теории изнашивания отделение частиц
износа от поверхности зависит от числа циклов
передеформирования.
J
h
∼ ∆V / n
p
, (1.10),
где n
p
- число циклов нагружения, приводящих к разрушению
(отделению частиц износа); ∆V - деформируемый объём
материала поверхностного слоя.
Фрикционная усталость поверхностей деталей машин имеет
непосредственную связь с энергетической теорией изнашивания.
Энергетическая теория изучает и основывается на
закономерностях накопления внутренней энергии в поверхностных
слоях. Отделение частиц износа зависит от некоторой критической
(предельной) величины энергии, подводимой к материалу. Причем
внутренняя энергия в материале может накапливаться как в
процессе трения, так и когда нет трения, за счет химического
взаимодействия (энерго- обмена) с окружающей средой. Поэтому
все процессы взаимодействий надо различать по следующим
признакам:
23
1). Активационные процессы, т.е. процессы при которых
величина внутренней энергии растет. Например, деформация,
химические реакции и т.п.
2). Пассивационные процессы, т.е. процессы, при которых
внутренняя энергия поверхностных слоев материала деталей
машин уменьшается. Например, термообработка (отпуск),
упрочнение за счет химического модифицирования поверхностных
слоев и т.п.
Напряжения, возникающие в материале, имеют прямую связь с
ее внутренней энергией. Активационные и пассивационные
процессы могут быть оценены по величине возникающих в
материале растягивающих и сжимающих напряжений. Структуры
кристаллической решетки могут служить мерой оценки
энергетического состояния материала поверхностных слоев.
Если накопление энергии в материале "е" линейное, т.е.
энергия, поглощаемая материалом за один цикл нагружения e =
const, тогда, плотность энергии в материале поверхностного
слоя, соответствующей критической, будет равна
E
*
= e n
p
/ V
изн
, (1.11),
где E
*
- критическая энергоёмкость материала; V
изн
- объемный
износ.
Поскольку износу подвергается деформируемый объём, то
можно написать, что ∆V = V
изн
. Отсюда имеем:
V
изн
= e n
р
/ E
*
. (1.12)
Для общего случая, когда накопление энергии в материале
происходит не линейно, имеем:
V
Ee
E
i
n
èç í
p
=
+
=
∗
∑
0
1
, (1.13)
где E
0
- исходное энергетическое состояние материала
поверхностного слоя.
Таким образом, величина износа зависит от числа циклов
нагружения, приводящих к разрушению. Этим объясняется
физический смысл фрикционной усталости материалов,
положенной в основу усталостной теории изнашивания. Если
нам удастся определить энергию трения другим путем, то отпадает
необходимость исследовать коэффициент фрикционной усталости
материала. В этом случае критическая энергоёмкость вполне
характеризует и усталостные свойства материала.
1.4. Природа образования частиц износа и
24
критерий износостойкости металлов.
Особенность процессов трения и изнашивания в большой
степени определяется свойствами поверхностных слоев, их
структурой и прочностью связей с основным металлом.
Металлические материалы состоят из кристаллов (зерен).
Кристаллы состоят из блоков. Механизм изнашивания заключается
в разрыве межблочных связей, а иногда и целого кристалла (зерна).
Карбиды и другие включения находятся в межблочном
пространстве, изменяют силы связи между блоками.
Каждой структуре должна соответствовать определенная
величина микронапряжений. Все механические свойства металлов
должны иметь корреляционную связь с микронапряжениями,
образующимися между блоками. Механизм изнашивания можно
представить таким образом: под внешней силой меняется
напряженное состояние поверхностных слоев. В том месте
материала, где напряжения имеют отрицательную векторную
величину, превышающей некоторые критической, рождается
микротрещина, происходит искажение решетки, блоков и
нарастание трещины в зависимости от величины внешних
воздействий. Скорость изнашивания зависит от скорости
образования и нарастания трещины. Согласно энергетическим
представлениям, энергия накапливается в материале в процессе
трения и, когда достигнет предельной энергоемкости материала,
образуется новая поверхность (трещина) и частица металла
отделяется.
Химические процессы (образование окисных плёнок) могут
менять исходное напряженное состояние поверхности. Связь
смазки с напряженным состоянием поверхности следует искать в
эффекте Ребиндера, в перераспределении внешней нагрузки,
передаваемая через смазочный слой, в изменении химического
состава (модифицировании) поверхностного слоя. Поскольку
напряженное состояние материала зависит от химических реакций
со средой, возможно энергонасышение только за счет химических
реакций (например, окислительный износ).
Температура также меняет напряжения между блоками (в том
числе температура, образуемая в зоне контакта за счет трения).
Изнашивание сопровождается процессами выделения тепла,
увеличением плотности дислокаций в поверхностном слое,
структурными превращениями, упрочнением и разупрочнением
поверхностного слоя [8].
Пластические деформации быстрее насыщают металл
энергией, чем упругие деформации. Объем деформируемого
25
материала зависит от нагрузки и энергонасышенности материала.
Пассивированный поверхностный слой может нести больше
нагрузку, чем активный. Необходимо отметить, что описанный
выше механизм и природа изнашивания не противоречит ранее
существующим теориям.
С точки зрения кинетики процесса, изнашивание поверхностей
трения можно разделить на два периода. В первом периоде,
называемом скрытым периодом, в деформируемом элементе
поверхностных слоев зарождаются и накапливаются различного
рода дефекты и повреждения. Этот процесс носит статистический
характер, и в каждый момент времени заданным внешним
условиям (температура, скорость, нагрузка и т.п.) соответствует
определенная степень повреждаемости материала. Когда энергия
микрообъема материала достигает критической величины,
наступает второй период - отделение частиц износа от поверхности.
Размер частиц износа зависит от закономерностей образования и
распространения микротрещин.
Вид износа по ГОСТу 23.002-78 зависит от условий работы
узла трения и во многом отражается в продуктах изнашивания.
Соотношение потенциальной и тепловой составляющих
внутренней энергии влияет на механизм изнашивания и
соответственно на вид износа.
По Б.И.Костецкому для каждого вида изнашивания
соответствует определенная работа разрушения [27]. Поэтому не
важно, каким путем подводится энергия, а важно, сколько она
подводится к материалу. Таким образом, с точки зрения
энергетической теории изнашивания все виды изнашивания
одинаково значимы и имеют единую природу, протекающую по
различным механизмам.
Согласно законам физики система старается освобождаться от
лишней энергии. Это проявляется в виде диспергирования
элементов поверхностного слоя материала вследствие
перенасыщения энергией. С другой стороны, система всегда может
принимать энергию, если она не достигла предельного значения.
Тогда отделение частиц износа можно рассмотреть как событие,
когда в систему за счет внешних воздействий подводится лишняя
энергия, достигающая предельной энергоемкости материала.
Вероятность отделения частиц износа от поверхностного слоя
можно представить в виде [36]:
Pt
Pt
t
dt
t
()
()
=
∫
∂
∂
,
0
(1.14)
умножив числитель и знаменатель на ∂(x), получим
26
∫
∂
∂
∂
∂
=
t
0
P(t) dt
t
)x(
)x(
)t(P
, (1.15)
где x - энергонасышенность,
xx
i
i
k
=
=
∑
1
;
∂
∂
()x
t
- скорость изменения энергонасышенности вследствие
протекающих физико-химических процессов;
∂
∂
Pt
x
()
()
- вероятностные физико-механические характеристики
материала.
Величина износа зависит от объема, на котором протекают
изменения плотности внутренней энергии и от числа циклов
подвода энергии, приводящей к разрушению.
Под действием нагрузки поверхностные слои материала
уплотняются. При повторном действии нагрузки предельно
наклепанные слои передают нагрузку на нижележащие слои. Таким
образом, сначала образуется какой - то толщины слой,
передающий энергию нижележащим слоям, а затем на границе
этих слоев образуется трещина и происходит образование частиц
износа.
Размер частиц износа зависит от толщины первоначально
наклепанного слоя, так как именно этот слой может отделяться от
поверхности. Для дальнейшего уплотнения наклепанного слоя
требуется значительно больше энергии, чем для уплотнения
нижележащих слоев материала. Такой механизм образования
частиц износа повторяется с частотой равной и кратной фрикционно
- усталостной прочности материала. Это обстоятельство
подтверждается результатами многочисленных исследований,
проведенных в пользу усталостной теории изнашивания
материалов. Проведенные нами замеры изменения микротвердости
вглубь материала также могут служить подтверждением этой
гипотезы о механизме изнашивания. Предельную толщину
уплотненного материала, обуславливающую размер частиц износа,
следует определить с учетом структурных параметров
кристаллического строения материалов.
На расстоянии s от поверхности трения наблюдается максимум
накопления энергии и образование очагов микротрещин (рис. 1).
Разрушение материала происходит в результате роста трещин,
сопровождаемое с определенными энергетическими расходами. В
27
очагах дефектов (начало разрушения) внутренняя энергия
превышает предельную энергоёмкость материала.
Упрочнение поверхности повышает сопротивление материала
изнашиванию. Объясняется это тем, что наклеп повышает
микротвердость поверхностного слоя, уменьшается объём
деформированного материала, следовательно, и объем материала,
подвергающийся энергетическим изменениям. В результате этого
диспергирование идет более медленно, объем частичек износа
уменьшается. Продукты изнашивания становятся более
мелкодисперсными.
Условие накопления энергии в материале по линейной
зависимости может соблюдаться не всегда. Скорость накопления
энергии в материале, даже в процессе стационарного,
установившееся трение, вероятно нелинейное.
Энергию, накапливаемую в материале в виде дефектов
структуры, более точно отражает экспоненциальный закон.
Графически эти изменения изображены на рисунке 2. Тогда
накопление энергии в материале выражается в виде
e = exp [ -λ t], (1.16),
где λ - интенсивность накопления дефектов; t - время.
Приращение плотности внутренней энергии
∆E = k E
тр
/ ∆V . (1.17).
е
т
0 поверхность Е
S
≈
80
мк м
Е
*
Е
0
L
S
Очаг
разрушения
Рис.1. Схема к расчёту глубины от поверхности,
где образуется очаг трещины.
28
Представляет интерес исследования скорости
энергопоглощения для изучения динамики трения, т.е. j = ∆E / t .
Однако эта гипотеза требует дальнейшего изучения как
теоретически, так и экспериментально.
a) б)
Å
ì
Å
*
Å
0
0 t
∆
E
(e
т
)
0 Е
Рис. 2. Зависимость скорости накопления энергии в материале
а) от времени; б) от уровня скрытой энергии (дефектности
структуры).
Критерий износостойкости металлов.
Критерием износостойкости металлов с кристаллической
структурой является показатель σV, т.е. скрытая энергия материала.
Существующие методы упрочнения поверхности наиболее часто
сводятся к получению высокой твердости. Твердость материала
по М.М.Хрущову имеет пропорциональную связь с их
износостойкостью. Согласно предлагаемой концепции твердость
можно рассматривать как сопротивление материала к вдавливанию
индентора. Поэтому сказанное справедливо в рамках только
неизменного объема V , в котором протекают энергетические
изменения. Этим и объясняется тот факт, что подтверждение
теории М.М.Хрущова в основном касается чистых (отожженных)
металлов, где V остается постоянным, а твердость характеризует σ
.
Контролируемым параметром энергетического состояния
материалов может служить работа выхода электронов (РВЭ). По
А.Н. Буше РВЭ, связано со структурным состоянием материала.
Так, замеряя РВЭ можно судить о структуре материала, которая
получается после какого-либо технологического воздействия на
поверхностный слой материала [10].
Связь структуры материала с износостойкостью раскрывается,
если оценить какая структура соответствует энергетическому
состоянию, т.е. напряжению. Необходимо здесь отметить, что
структура материала влияет также на её критическую
энергоёмкость. С учетом этого нужно рассматривать так: каждой
структуре материала соответствует определенная критическая
29
энергоёмкость, в то же время каждая структура может находиться в
различных (естественно, в строго определенном интервале)
энергетических состояниях. Поэтому из всех параметров
кристаллически-энергетического представления структурного
состояния нужно выделить параметры ответственные за
критическую энергоёмкость и выделить параметры, ответственные
за критическую энергоёмкость и все остальные взять за
переменные за время внешнего воздействия. Таким образом,
выделяется конкретная задача определения параметра, которая
для данной структуры является постоянной.
Всё-таки изменение внутренней энергии материала, в конечном
счете, приводит к изменению его структуры.
Все технологические методы упрочнения поверхности можно
разделить на две группы: 1) Процессы, не изменяющие химический
состав и структуру материала (без фазовых изменений); 2)
Процессы, сопровождающиеся с изменением фазового состояния и
химического состава поверхностного слоя материала.
В рамках предложенной теории действует единый критерий
износостойкости σV. После достижения некоторого критического
значения произведения напряжения на объем материала наступает
разрушение. Технологические методы, изменяющие структуру и
химический состав поверхностного слоя, приводят к другому
значению критической энергоёмкости.
30
Глава 2. Распределение энергии в процессах
трения и изнашивания поверхностей.
2.1. Расчёт энергоемкости материалов.
Металлическое тело разрушается тогда, когда плотность внутренней энергии,
накапливаемой в деформируемом объеме, достигает предельной (критической)
величины. При этом критическая плотность внутренней энергии
(термодинамический критерий разрушения) не зависит от условий, в которых
протекает процесс, а является физической константой материала [32].
Не изучая детально структуру и сложную природу механизмов и элементарных
актов физико-механических явлений, протекающих в реальных материалах, и
рассматривая процессы деформирования и разрушения твердого тела с
энергетической точки зрения, термодинамический подход к оценке и описанию
состояния твердого тела позволяет делать столь же достоверные выводы, как и
фундаментальные законы, лежащие в основе термодинамики [32].
В.С.Иванова [57], исследуя объемную прочность материалов, выдвигает гипотезу
разрушения, согласно которой разрушение происходит тогда, когда внутренняя
энергия материала достигнет критической энергоемкости.
В.В.Федоров [32] и другие исследователи, основываясь на подобии
механического и теплового разрушения материалов, приравнивают критическую
плотность внутренней энергии к теплоте (энтальпии) плавления материала. Такой
подход дает возможность воспользоваться распространенными табличными данными
физико-механических свойств машиностроительных материалов.
E
*
= H
пл
, (2.1),
где E
*
- критическая плотность внутренней энергии; H
пл
- скрытая теплота
плавления материала.
Если известны изменение энтальпии при плавлении ∆H
пл
и плотность D,
критическая энергоёмкость может быть вычислена по формуле:
E
*
= ∆H
пл
D . (2.2).
Для расчёта критической энергоемкости может быть использована также
формула:
E
*
= T
пл
M D , (2.3),
где T
пл
- теплота плавления; М - молекулярная масса; D - плотность материала.
Различают две основные группы энергетических критериев, которые основаны:
- на измерении или математическом описании работы пластической деформации
(накопленная материалом общая энергия пластической деформации зависит от
действующих напряжений и механических свойств материала) [71];
- в учёте термодинамических свойств материала [58].
Предполагается аналогичность процессов разрушения и плавления. При этом
отмечается, что для нарушения связи атомов твердого тела необходимо вполне
определенное количество энергии, независимо от того, как она подводится к телу:
механически или в виде тепла.
Среди многочисленных методов, предложенных исследова-телями, на наш
взгляд, энергетическая теория трения и износа наиболее полно может описать
реальную картину этого явления. Такой подход сформулирован и применен
Г.Фляйшером [71] и совершенствовался в трудах его коллег [4]. Основным в этой
теории является то, что для отделения частиц износа необходимо чтобы некоторый