Огневой В.Я. Машиностроительные материалы
Подождите немного. Документ загружается.
121
формы. Окончательная форма определяется пресс-формой. Методом
экструзии с раздувом получают полиэтиленовую пленку в виде
рукава, различного вида пластиковые бутылки, флаконы, фляги и т.д.
Процесс идет в автоматах, сто позволяет увеличить
производительность и точность размеров.
Каландрирование – пропускание обрабатываемой полимерной
массы через так называемые каландры (систему подогретых вальцев)
и получение
в результате листов и плит с ровной или гофрированной
поверхностью.
Формование. Широко применяется пневматическое и вакуумное
формование. При пневматическом формовании листовую заготовку,
нагретую до пластического состояния, зажимают по периметру
матрицы, после чего давлением воздуха осаживают заготовку на
матрицу и в результате получат изделие, имеющую форму
поверхности, соответствующую форме гравюры в матрице
. При
вакуумном формовании внутри матрицы создают вакуум, в результате
чего заготовка втягивается в матрицу, облегая ее поверхность.
Формованием получают фасонные крышки, открытые резервуары,
обтекатели и другие тонкостенные изделия большой площади.
Более конкретно методы и режимы обработки различных видов
и марок полимеров приведены в литературе [21-23].
Г л а в а 4.
МАТЕРИАЛЫ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
4.1. Основы триботехники
122
Трение - удивительный феномен природы. Используя трение,
человек добыл огонь и обогрел свое жилище, научился приводить в
движение и останавливать различные транспортные средства, впервые
записал свой голос, ускорил химические реакции в сотни тысяч раз и
многое другое. И в технике трение играет огромную роль: как
положительную, так и отрицательную.
В настоящее
время техника достигла такого уровня развития,
что потребовалось тщательное рассмотрение проблем трущихся
поверхностей и суммирование всех знаний, относящихся к динамике
сложных систем. Ведь только при трении одновременно происходят
механические, электрические, вибрационные и химические процессы.
Теория и практика изучения процессов, происходящих при
трении, за последнее время далеко продвинулись вперед. Однако до
сих
пор в инженерной среде бытуют представления, которые давно
опровергнуты. Достаточно отметить, что для сталей определяющим
износостойкость считается фактор твердости, хотя уже доказано, что
это правомерно только при абразивном изнашивании. И даже в этом
случае в расчет необходимо брать гораздо большее число факторов.
Изучением и решением всех этих проблем занимается
триботехника
- наука о контактном взаимодействии твердых тел при
их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов
трения, изнашивания и смазки машин, в том числе и выбор
материалов для деталей машин.
С позиций надежности изделия могут находиться в
работоспособном, неработоспособном или предельном состоянии.
Переход из работоспособного состояния в неработоспособное
происходит после наступления
события, которое называют отказом.
Предельное состояние системы - состояние, при котором ее
дальнейшее применение по назначению недопустимо или
нецелесообразно. После наступления предельного состояния изделие
можно списать или направить в капитальный ремонт. Предельное
состояние деталей, узлов и машин при нормальных условиях
эксплуатации наступает вследствие различных видов физического
износа: усталостных разрушений, ползучести материалов,
механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения
материалов и др. Основным показателем в этом случае становится
срок службы детали, узла, машины - календарная продолжительность
эксплуатации изделия до разрушения или другого предельного
123
состояния. Существующие методы прочностных расчетов позволяют
обеспечить достаточную прочность деталей машин с большой
гарантией от поломок в нормальных условиях эксплуатации, а
методов прогнозирования износа с высокой достоверностью пока не
существует. Поэтому наиболее распространенной причиной выхода
из строя является не поломка, а износ и повреждение рабочих
поверхностей.
При анализе процессов трения
следует учитывать силы и
перемещения взаимодействующих тел, т.е. механику контакта, и
взаимодействие материалов, т.е. физику и химию контакта.
Механика контакта в общем случае зависит от: числа тел,
участвующих в контакте; микрогеометрии тел; шероховатости
поверхностей; механических свойств тел (модуля упругости, предела
текучести, твердости и т.п.); напряженно-деформированного
состояния
в зоне контакта; контактных сил (нормальных и
касательных); типа и скорости относительного движения.
Физика и химия контакта определяются в первую очередь
молекулярными взаимодействиями на поверхностях раздела. С точки
зрения физики твердого тела поверхности кристаллических тел
представляют собой резкое нарушение периодичности
кристаллической решетки и обладают следующими особенностями:
структурными изменениями; взаимодействиями поверхностей
с
окружающей средой (адсорбция, хемосорбция, окисление или
образование пленок); изменениями физических свойств.
Если поверхности тел подвергались какой-либо технологи-
ческой обработке, то они имеют дополнительные особенности
вследствие влияния процесса обработки: механически упрочненный
слой; текстурирование поверхности; поля местных внутренних
напряжений.
Практически поверхность контактирущих тел представляет
собой: основу; механически деформированный слой;
слой окислов;
слой адсорбированных атомов и на поверхности слой загрязнений.
4.1.1. Механизмы изнашивания при трении
Механизмы изнашивания деталей машин в первую очередь
определяются материалом, из которого они изготовлены и теми
условиями, в которых происходит взаимодействие. Кратко
124
рассмотрим механизмы изнашивания металлических и
неметаллических материалов.
Для металлов характерны в первую очередь способность к
пластической деформации, кристалличность. Ряд металлов при
определенных условиях способен к фазовой перекриссталлизации.
Эти особенности металлов практически неограниченно расширяют
число вариантов поведения при изнашивании. Рассмотрим основные
этапы, которые характерны для большинства случаев.
Прежде всего, процесс
взаимодействия металлов при трении
можно расчленить на следующие три явления: взаимодействие
поверхностей трения; изменения, происходящие в поверхностном
слое металла; разрушение поверхности. Эти явления не следует
рассматривать обязательно в представленной последовательности.
Они переплетены и взаимно влияют друг на друга.
Взаимодействие поверхностей может быть механическим и
молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во
взаимном внедрении
и зацеплении шероховатостей в совокупности с
их соударением в случае скольжения грубых поверхностей.
Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и
схватывания. Эти процессы обусловливают приложение касательной
силы для относительного сдвига поверхностей. Молекулярное
взаимодействие проявляется обязательно при разрушении масляной
пленки.
Изменения поверхностного слоя определяются условиями
деформации, температурой в контакте и химическим
действием
окружающей среды. Прежде чем рассматривать их отдельно, следует
подчеркнуть еще раз, что пластичность металлов зависит от
напряженного состояния, в котором они находятся. При всестороннем
равномерном растяжении пластическая деформация не развивается и
металл всегда хрупок. При всестороннем объемном сжатии самые
хрупкие металлы обладают значительной пластичностью. Поэтому
при анализе процессов изнашивания
необходимо знать напряженное
состояние и свойства данного металла или сплава при этом состоянии.
Изменения, вызываемые деформацией, заключаются в
следующем:
- многократные упругие деформации приводят либо к
разрыхлению структуры, либо к усталостному выкрашиванию;
125
- пластическое деформирование изменяет структуру
поверхностного слоя в направлении наклепа структуры,
возникновения микротрещин, развития магистральной трещины,
последующего отделения частиц металла при одновременном
прохождении процесса рекристаллизации микроструктуры
поверхностного слоя;
- в случае сильно отличающихся по твердости структурных
составляющих пластическая деформация может привести к
дроблению более твердой структурной составляющей и
перераспределению ее в
мягкой основе.
Повышение температуры ведет:
- как было отмечено ранее, к процессам рекристаллизации,
которая может измельчить исходную структуру поверхностного слоя,
сделать ее неравномерной и даже укрупнить;
- к ускорению диффузионных процессов при трении, которые
способствуют либо обогащению, либо обеднению теми или иными
элементами, коагуляции отдельных структурных составляющих и
взаимному диффузионному
растворению материалов пар трения;
- к сложным фазовым превращениям с образованием структур
трения - аустенита трения и мартенсита трения, что изменяет свойства
поверхностного слоя и его напряженное состояние.
Химическое действие окружающей среды способствует:
- образованию окисных пленок (при взаимодействии с
кислородом), которые в большинстве случаев препятствуют
схватыванию и лавинному развитию износа
;
- образованию пленок химических соединений (при
взаимодействии с химически активными присадками в смазках),
которые также активно защищают поверхность металла от
изнашивания;
- насыщению поверхностного слоя элементами из окружающей
среды (например углеродом), повышающими износостойкость;
- агрессивные среды (жидкие и газовые) активизируют
изнашивание, зачастую меняя его характер.
К элементарным видам
разрушения поверхности следует
отнести: микрорезание, царапание, отслаивание, выкрашивание и
глубинное вырывание.
126
Микрорезание происходит в основном от абразивной частицы
при внедрении ее на достаточную глубину с образованием
микростружки.
Царапание заключается в пластическом оттеснении металла
твердой частицей с образованием зон наклепа. Царапины
располагаются параллельно друг другу и, если расположены
достаточно близко, то между ними может возникнуть зона
перенаклепанного металла, в котором в последующем
с высокой
вероятностью возможно образование микротрещины критической
длины. Царапание производят не только закрепленные, но и
перекатывающиеся частицы.
Отслаивание. Пластическая деформация металла способствует
его наслаиванию на соседние области. В последующем возникают
условия, способствующие отделению этого слоя. Кроме того,
специфические подповерхностные трещины, а также
металлургические дефекты и остаточные напряжения могут
инициировать отделение
слоев металла.
Выкрашивание. Характерна произвольная форма язвинок с
рваными краями. Наиболее распространено при трении качения.
Обычно выкрашиваются либо неметаллические частицы, либо
структурные составляющие, имеющие высокую твердость или
специфическую границу раздела. Выкрашиванию способствуют:
высокие растягивающие остаточные напряжения в подповерхностном
слое после какой-либо обработки; трещины после цементации,
закалки или старения; термические
напряжения, возникающие при
трении.
Глубинное вырывание возникает после схватывания, если
граница схватывания имеет прочность выше, чем основной металл.
Поверхности разрушения у пластичных металлов представляют собой
выступающие, вытянутые по направлению движения гребни и
сужающиеся вглубь материала конусы. Вырванный материал, как
правило, остается на сопряженной поверхности и определяет перенос
металла при трении
.
Полимеры и резина взаимодействуют с металлическими
поверхностями либо механическим, либо молекулярным путем.
Последнее проявляется только в виде адгезии. Наибольшую роль
играет зацепление неровностей, вместе с тем шероховатости имеют
меньшее влияние при материале с большей эластичностью. Если
127
адгезия значительна, то разрушение возникающей связи возможно как
по полимеру, так и по металлу. В итоге будет наблюдаться перенос
либо полимера, либо металла. В некоторых полимерах на отделение
частиц необходимо затрачивать большое количество энергии. Этот
фактор увеличивает износостойкость пар трения. Менее эластичные
материалы повреждаются вследствие микрорезания, царапания,
отслаивания и выкрашивания.
В целом процесс изнашивания
неметаллических материалов в паре с металлами или неметаллами не
отличается от механизма изнашивания металлических материалов, но
отдельные его закономерности обязаны особенностям физико-
химических и механических свойств неметаллов и их изменениям в
процессе трения.
4.1.2. Виды изнашивания и разрушения
Из множества видов изнашивания и разрушения при
трении
рассмотрим основные: абразивное, усталостное, водородное и
окислительное.
4.1.2.1. Абразивное изнашивание
Абразивным изнашиванием называют разрушение поверхности
детали в результате ее взаимодействия с твердыми частицами при
наличии относительной скорости. В роли таких частиц выступают:
неподвижно закрепленные твердые частицы, входящие в контакт по
касательной, либо под небольшим углом атаки к поверхности детали
;
незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали;
свободные частицы, пребывающие в зазоре сопряженных деталей;
свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или
газом.
Участие в трении твердых частиц в отличие от трения
шероховатых поверхностей характеризуется независимостью
единичных контактов, чрезвычайно высокой степенью концентрации
контактных напряжений и способностью активировать физические,
физико
-химические и химические процессы. Микрорезание является
частным случаем проявления высокой концентрации контактных
напряжений, способных достигать предельного уровня.
128
В общем случае для уменьшения абразивного изнашивания
рекомендуется соблюдать твердость металла на уровне 1,3
твердости абразива. Повышать твердость металла более 1,3 твердости
абразива нецелесообразно, так как это не приводит к значительному
увеличению износостойкости. Однако и в этом случае большую роль
играют вид кристаллической решетки, напряженное и структурное
состояния металла. Влажность, также как
и агрессивность среды,
увеличивает интенсивность абразивного изнашивания металлов и
сплавов. Определяется это в первую очередь насыщением
поверхностного слоя водородом и развитием процесса водородного
изнашивания.
Абразивное изнашивание полимерных материалов определяется
степенью их эластичности. В высокоэластичные материалы, такие как
резина, вулкаллан, полиуретановый вулканизат и др., абразивные
частицы легко вдавливаются, не вызывая пластической
деформации
даже при глубоком внедрении. Изнашивание более жестких и хрупких
полимеров происходит в основном в результате микрорезания.
Необходимо уточнить, что элементы абразивного изнашивания
могут встречаться даже в самых точных подшипниках, если после
определенного времени происходит выкрашивание или отслаивание
частиц и эти частицы своевременно не удаляются из зоны трения.
4.1.2.2. Водородное
изнашивание
Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в
поверхностных слоях трущихся тел, выделяющегося из материала
пары трения или из окружающей среды (в том числе и из смазки).
Водородное изнашивание обусловлено следующими процессами,
происходящими в зоне трения:
- трибодеструкцией водородсодержащих материалов, создающей
источник непрерывного поступления водорода в материал;
- адсорбцией
водорода на поверхностях трения;
- диффузией водорода в деформируемый слой стали, скорость
которой определяется градиентами температур и напряжений в
поверхностном слое;
-особым видом разрушения поверхности, связанного с
одновременным развитием большого числа зародышей трещин по
129
всей зоне деформирования. Характерным для разрушения является
мгновенное образование мелкодисперсного порошка материала.
Область проявления водородного изнашивания весьма обширна,
особенно сказывается на стальных и чугунных материалах. В
процессе разрушения немаловажную роль играет водородное
охрупчивание стали и чугуна, которое способствует более быстрому
зарождению и распространению микротрещин под поверхностью. Так
как водород накапливается
в слое под поверхностью металла, то и
визуальное обнаружение возможно только при доведении процесса до
разрушения. В ряде случаев водородное разрушение вызывается
водородом, образующимся при различных технологических
процессах: при выплавке чугуна или стали; при термической
обработке; при гальванических процессах осаждения покрытий; при
травлениях в кислотах и т.п.
Наиболее простой
прием предупреждения водородного
изнашивания - удаление влаги на различных этапах изготовления
деталей. Д.Н.Гаркунов рекомендует [6] следующие общие
направления уменьшения и предупреждения наводороживания при
трении:
- При выборе материалов для узлов трения учитывать степень их
наводороживания и охрупчивания, например: введение в сталь хрома,
титана, ванадия снижает проникновение водорода, а с другой
стороны
наклеп стали, увеличивает поглощение водорода. Водородная
хрупкость проявляется в большей степени в сталях ферритного
класса. В закаленных и слабоотпущенных углеродистых и
низколегированных сталях хрупкое разрушение возможно даже при
малом количестве водорода.
- Полезно для узлов трения применять смазочные материалы,
которые мало подвержены гидрогенизации, либо имеют специально
введенные ингибиторы проникновения
водорода.
- Рекомендовать режимы трения, которые не способствуют
повышению температуры поверхностного слоя.
- В ряде случаев водородное изнашивание может быть снижено
введением в материалы медьсодержащих добавок, которые реализуют
режим избирательного переноса (ИП).
- Способствовать положительному заряду стальных трущихся
поверхностей, что будет отталкивать положительно заряженный
130
водород, либо создавать положительный электрический потенциал по
отношению к наводораживаемой детали.
- Удаление технологического водорода путем введения
окончательной операции - полирования поверхностного слоя.
Полирование несколько нагревает поверхностный слой, что и
является своеобразной термической обработкой для удаления
водорода.
4.1.2.3. Усталостное изнашивание
Усталостное изнашивание проявляется в большей мере при
трении качения и в
меньшей при трении скольжения. И связано это в
первую очередь с наличием касательных напряжений в поверхностной
зоне.
При трении качения максимальные касательные напряжения в
однородном теле находятся на некотором удалении от поверхности.
Причем на отклонение от номинального распределения касательных
напряжений оказывают влияние следующие факторы:
подповерхностные концентраторы напряжений, характер
поверхности, поверхностные
дефекты, разрывы в геометрии контакта,
распределение нагрузки внутри подшипника,
упругогидродинамическая смазка и тангенциальные силы скольжения.
При трении скольжения касательные напряжения невелики,
особенно при наличии жидкостной смазки. Но, несмотря на это,
изменение силы давления в узле трения во времени и по величине
является фактором, способствующим развитию усталостного
изнашивания. Вместе с тем
при граничном трении контакты между
выступами поверхностей трения способствуют появлению
касательных напряжений. Периодическое повторение контактов
может вызвать усталостное изнашивание.
Фактически усталость связана с накоплением дефектов в
материале, возникновением микротрещин, развитием какой-либо из
них или нескольких до критической величины и последующим
быстрым их распространением с отделением микрообъема материала
в зону
трения или за ее пределы. Процесс усталостного разрушения в
большей мере процесс вероятностный и поэтому до настоящего
времени прогнозирование его с достаточной для техники точностью
затруднено.