Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

111

белые слои могут состоять из мартенсита, смеси аустенита и мартенсита,

цементита и феррита из других сочетаний структур. Может случиться, что

на одной детали будут разные по структуре белые слои. Образование бе-

лого слоя, обязано быстро протекающему термическому либо химико-

термическому процессу.

Процесс возникновения и развития белого слоя на поверхностях тре-

ния представляется следующим. На отдельных участках фактического

контакта происходит интенсивная пластическая деформация, сопровож-

дающаяся значительным тепловыделением. Теплота, концентрируясь в

поверхностных микрообъемах, создает большой температурный градиент

по глубине, в результате скорости нагрева и охлаждения микрообъемов

больше, чем при термической обработке. Повышение температуры в от-

дельные моменты выше критической точки приводит к образованию ау-

стенита из ферритоцементитной смеси, а последующее резкое охлажде-

ние – к появлению закалочных структур, которые в дальнейшем, подвер-

гаясь пластической деформации и периодическому воздействию темпера-

турного фактора, переходят в белый слой. Аналогично образуется белый

слой при «пропахивании» поверхности трения абразивом.

В образовании белого слоя могут активно участвовать воздух, сма-

зочный материал, сопряженная деталь. Встречаются белые слои, содер-

жащие азот и кислород, а также насыщенный углеродом аустенит и слож-

ного состава карбиды. Очаги с повышенным содержанием углерода на

поверхности образуются в результате диффузии его из более глубоких

слоев материала или разложения смазочного масла.

Пластическая деформация стимулирует диффузионную активность

металла, как в силу образования микро и субмикродефектов (микротре-

щин, микропор и вакансий), так и в результате относительных перемеще-

ний и обнажения ювенильных поверхностей.

Одновременно с образованием белого слоя возникает система внут-

ренних напряжений, которая совместно с рабочими, напряжениями при-

водит к растрескиванию слоя и выкрашиванию из него отдельных частиц.

Продукты износа, попадая в зазоры между деталями, могут вызывать ин-

тенсивное, доходящего до катастрофического изнашивание.

Белые слои искусственно создают при электроупрочнении для повы-

шения износостойкости деталей и стойкости инструмента.

Чем больше углерода содержится в стали, тем при прочих равных ус-

ловиях больше белый слой. Природа белого слоя и роль различных леги-

рующих элементов и образующих структур, например фосфидных эвтек-

тик в чугуне, еще не достаточно изучены.

Белый слой является ярким проявлением образования новых структур.

Помимо него, в процессе трения в связи с температурным фактором воз-

можны также процессы, как коагуляция структурной составляющей, за-

калка и отпуск, что может привести к образованию ультрамикроскопиче-

ских трещин.

112

4 ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ

4.1 Основные понятия о изнашивании пар трения

Пара трения – совокупность двух подвижно сопряженных поверхно-

стей деталей (образцов) в условиях эксплуатации или испытаний. Помимо

материала, формы контактирующих поверхностей, относительного их

перемещения, пара трения характеризуется окружающей средой, в том

числе видом смазочного материала. Пара трения образуется соприкасаю-

щимися поверхностями деталей, входящих в машинный узел; с такой точ-

ки зрения зубья ковша экскаватора и грунт в совокупности не образуют

пару трения.

Применяется также термин «узел трения», под которым понимают

узел машины, содержащий пары трения. Возможен износ поверхностей

деталей, не входящих в состав пар трения, например при относительном

микросмещении соприкасающихся поверхностей деталей неподвижных

соединений.

Введем основные понятия, относящиеся к изнашиванию деталей и ра-

бочих органов машин.

Процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении

или увеличения его остаточной деформации, проявляющийся в постепенном

изменении размеров или формы тела, называют изнашиванием. Износ –

результат изнашивания, выраженный в единицах длины, объема, массы.

Интенсивность изнашивания – отношение износа детали (или ис-

пытуемого образца) к пути трения или объему выполненной работы. При

определении интенсивности изнашивания может оказаться более целесо-

образным относить износ к другому показателю, общему для всех узлов и

агрегатов данной машины. Так, для автомобилей в качестве такого пока-

зателя может быть принято число километров пробега, а для тракторов –

число гектаров пахоты.

Скорость изнашивания – отношение величины износа детали к вре-

мени, в течение которого происходило изнашивание.

Износостойкость оценивают величиной, обратной интенсивности

или скорости изнашивания.

Предельным износом детали (узла) называют износ, при котором

дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие выхода

детали (узла) из строя, неэкономичной или недопустимой ввиду снижения

надежности механизма.

113

4.2 Механизм изнашивания металлических поверхностей

Для анализа расчленим процесс изнашивания на три явления (по

Е.М. Швецовой и И.В. Крагельскому): взаимодействие поверхностей тре-

ния; изменения, происходящие в поверхностном слое металла; разруше-

ние поверхностей. Эти явления непрерывно переплетаются, взаимно вли-

яя друг на друга.

1 Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молеку-

лярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедре-

нии и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соуда-

рением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаи-

модействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только

обусловливает необходимость приложения касательной силы для относи-

тельного сдвига поверхностей, но и может привести к вырывам материа-

ла. Схватывание свойственно только металлическим поверхностям и от-

личается от адгезии более прочными связями. Молекулярное взаимодей-

ствие возможно также на участках взаимного внедрения поверхностей.

Оно обязательно будет при разрушении масляной пленки.

2 Изменения поверхностного слоя, вызванные деформацией, заклю-

чаются в следующем.

Многократные упругие деформации из-за несовершенства структуры

материала приводят в определенных условиях к усталостному выкраши-

ванию поверхностей качения, а многократные упругие деформации мик-

ронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.

Пластическое деформирование изменяет структуру материала по-

верхностного слоя. Пластическое деформирование твердых тел складыва-

ется из четырех наиболее важных элементарных процессов: скольжения

по кристаллографическим плоскостям (скольжение в отдельных зернах

поликристаллического тела происходит обычно по нескольким плоско-

стям, число которых возрастает с повышением напряжения); двойникова-

ния кристаллов; отклонения атомов от правильного расположения в ре-

шетке из-за их теплового движения; разрушения структуры.

Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекри-

сталлизации приводит к наклепу поверхностного слоя – его упрочнению.

Однако у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвер-

дость понижена. Микротвердость достигает максимума на некоторой глу-

бине, далее уменьшаясь до исходной.

При сильно отличающихся по твердости структурных составляющих

материала и многократном воздействии нагрузки происходит вначале ин-

тенсивное изнашивание мягкой основы, вследствие этого повышается

давление на выступающие твердые составляющие, они вдавливаются в

мягкую основу, некоторые из них дробятся и перемещаются дополни-

114

тельно под действием сил трения. В результате такого избирательного

изнашивания поверхность обогащается твердыми структурными состав-

ляющими и приобретает строчечную структуру.

3 Разрушение структуры – это заключительный этап пластической

деформации по мере увеличения силового воздействия при однократном

нагружении. Смещение кристаллических зерен сопровождается частич-

ным нарушением сцепления, в результате при возрастании напряжения

или многократном их повторении происходит ослабление, разрыхление, а

в дальнейшем и разрыв структуры.

4.2.1 Влияние температуры на состояние поверхностного слоя

Влияние температуры состоит в следующем.

1) если по условиям службы узла или в результате трения температура

поверхностных слоев выше температуры рекристаллизации металла, то по-

верхностный слой не наклепывается, а пребывает в состоянии повышенной

пластичности, размягчения – происходит выглаживание поверхности за счет

растекания всего металла или только одной составляющей сплава;

2) высокая температура и пластическая деформация способствуют

диффузионным процессам; в итоге возможно обогащение поверхности

некоторыми элементами (например, поверхности стали углеродом), коа-

гуляция отдельных структурных составляющих, взаимное диффузионное

растворение материалов деталей пар трения; диффузия водорода;

3) при интенсивном локальном повышении температуры (темпера-

турной вспышке) и последующем резком охлаждении поверхности ниже-

лежащей холодной массой металла на поверхности могут образоваться

закалочные структуры. Этому способствует высокое давление (от нагруз-

ки), снижающее температуру, при которой происходят структурные пре-

вращения;

4) пластическая деформация, возможные высокие температурные гра-

диенты и структурные превращения – каждое в отдельности или совмест-

но вызывают напряжения в материале, которые могут влиять на его раз-

рыхление;

5) при микроскопическом исследовании зоны контакта деталей в ус-

ловиях высоких нагрузок и температур установлена возможность образо-

вания магма-плазмы (рисунок 3.13). Взаимодействие микроконтактов

происходит за очень короткое время (10

-7

…10

-8

с) в течение которого к

месту контакта подводится большая энергия. Для таких условий законы

классической термодинамики не выполняются; материал тонкого поверх-

ностного слоя преобразуется, в результате в зоне соударения неровностей

образуется магма-плазма; процесс сопровождается эмиссией электронов.

115

4.2.2 Влияние химически активной среды

Химическое действие среды заключается в следующем.

1) в среде воздуха на обнаженных при изнашивании чистых металли-

ческих поверхностях образуются окисные пленки в результате действия

кислорода газовой фазы или содержащегося в масле и его перекисях.

Окисные пленки предохраняют поверхности от схватывания и связанного

с ним глубинного вырывания и являются важным фактором не только при

трении без смазочного материала и граничной смазке, но и при полужид-

костной смазке. Опыты в вакууме, в среде азота, аргона и гелия при тре-

нии без смазочного материала и при граничной смазке, когда образование

окисных пленок исключалось (могло быть только за счет кислорода в

масле), показали весьма высокую интенсивность изнашивания поверхно-

стей трения;

2) металлические поверхности, взаимодействуя с химически актив-

ными присадками в масле, покрываются пленками химических соедине-

ний, роль которых аналогична роли окисных пленок. Пленки эффективно

защищают поверхность от изнашивания, если скорость их образования

превышает скорость изнашивания;

3) возможно насыщение поверхности углеродом в результате разло-

жения смазочного материала при высокой температуре;

4) агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изнашивание. В

результате разложения в зоне контакта паров воды, смазок, пластмассы мо-

жет образоваться диффузионно-способный водород, который приводит к

образованию трещин и разрушению поверхности стали и чугуна;

5) разрушение поверхностей трения, обнаруживаемое визуально или

под микроскопом, происходит в виде отдельных элементарных процессов,

сочетание которых зависит от материалов и условий трения.

4.2.3 Элементарные виды разрушения поверхностей

Микрорезание. При внедрении на достаточную глубину твердая час-

тица абразива или продукта изнашивания может произвести микрорезание

материала с образованием микростружки. Микрорезание при трении и

изнашивании проявляется редко, так как глубина внедрения недостаточна

при действующих нагрузках.

Царапание. Образовавшаяся или появившаяся на поверхности трения

частица при скольжении перемещает в стороны и подминает материал,

оставляя царапину. Последняя обрывается при выходе внедрившегося

элемента из зоны фактического контакта, при раздроблении частицы, ее

впрессовывании или уносе за пределы области трения. Повторное царапа-

ние по одному и тому же месту с одинаковой интенсивностью в парах

трения бывает редко, чаще зона последующего пластического деформи-

рования перекрывает ранее образовавшуюся царапину. Поверхность тре-

116

ния покрывается царапинами, расположенными почти параллельно на-

правлению скольжения, а между царапинами располагается материал,

претерпевший многократную пластическую деформацию и неоднократ-

ный наклеп, т.е. исчерпавший способность пластически деформироваться.

При нагружении в таком участке легко образуются трещины, с развитием

которых материал отделяется от основы.

Очевидно, не только скользящие, но и перекатывающиеся частицы

могут оставить на поверхности царапины. Внедрившаяся частица, упира-

ясь при своем движении в твердую составляющую материала, может от-

клониться в сторону, и поэтому направление царапины на поверхности не

следует строго направлению перемещения детали.

Отслаивание. Материал при пластическом течении может оттеснять-

ся в сторону от поверхности трения и, после исчерпания способности к

дальнейшему течению, отслаиваться. В процессе течения материал на-

плывает на окисные пленки и теряет связь с основой. Если при линейном

и точечном контакте тел напряжение по глубине слоя больше сопротив-

ления усталости материала, то при работе образуются трещины, приво-

дящие к чешуйчатому отделению материала. Такое явление встречается

на закаленных или цементованных деталях. Дефекты металла в виде шла-

ковых включений, свободного цементита и т.п. и значительные остаточ-

ные напряжения растяжения способствуют отслаиванию.

Выкрашивание – это распространенный вид повреждения рабочих

поверхностей деталей в условиях качения. Для выкрашивания характерна

произвольная форма ямок с рваными краями. Могут выкрашиваться:

твердые структурные составляющие сплава после того, как износится его

мягкая основа; частицы белого слоя; островки основной массы серого

чугуна, окаймленные графитовыми включениями; частицы антифрикци-

онного металлического слоя при усталостных повреждениях; твердые

окисные пленки (на железоуглеродистых и алюминиевых сплавах); части-

цы металлизационного покрытия и др.

Выкрашиванию способствуют высокие остаточные напряжения рас-

тяжения в поверхностном слое после обработки, трещины после цемента-

ции, закалки или старения, а также значительные термические напряже-

ния, возникающие при трении или вследствие неудовлетворительного

смазывания.

Непосредственно выкрашиванию предшествует образование и разви-

тие трещин, ограничивающих единичные малые объемы от остального

материала. Таким образом, трещинообразование является составной ча-

стью процесса выкрашивания, а также отслаивания. Трещинообразование

из-за термических напряжений может охватить значительную площадь и

на определенной стадии развития трещин может даже служить признаком

117

брака, поэтому оно должно рассматриваться как особый вид повреждения

поверхностей трения.

Глубинное вырывание возникает при относительном движении тел,

когда образовавшийся вследствие их молекулярного взаимодействия спай

прочнее одного или обоих материалов. Разрушение происходит в глубине

одного из тел. Поверхности разрушения у пластичных материалов пред-

ставляют собой выступающие вытянутые по направлению движения

гребни и сужающиеся в глубь материала конусы. Прилегающие к местам

вырывов участки пластически деформируются в большей или меньшей

степени. Вырванный материал остается на сопряженной поверхности. Это

одна из причин переноса материала при трении. Может наблюдаться про-

цесс схватывания отдельных составляющих сплава, остальные состав-

ляющие переходят в смазочный материал или уходят из зоны трения.

При изнашивании разрушение поверхностей может происходить в

субмикроскопических масштабах, когда вместе со смазочным материалом

или воздухом удаляются обломки кристаллических образований. Продук-

ты изнашивания могут иметь размеры от неразличимых пылинок до не-

скольких миллиметров; чистые поверхности в процессе образования

окисляются, сами продукты изнашивания в дальнейшем дробятся, слипа-

ются, прилипают и впрессовываются в сопряженные поверхности. Про-

дукты изнашивания участвуют в процессе изнашивания в качестве про-

межуточной среды между поверхностями трения. Взаимное внедрение,

глубинное вырывание, адгезия, заклинивание и впрессовывание продук-

тов изнашивания предопределяют перенос материала с одной поверхно-

сти трения на другую.

Усталость при изнашивании. Впервые на усталостную природу из-

нашивания при трении скольжения указал Д.В. Конвисаров. Причины

усталости поверхностного слоя деталей он усматривал в повторных или

знакопеременных движениях деталей машин. Изнашивание твердых тел

при трении сходно с разрушением их от усталости; разница между обои-

ми разрушительными процессами заключается в том, что за изнашивани-

ем можно легко следить, усталость же металлов проявляется почти всегда

внезапной аварией .

Продукты изнашивания, состоящие из микроскопических обломков

структуры тел трения, основной признак изнашивания в точном смысле

этого понятия. Указанное относится к одной составляющей изнашива-

ния – к диспергированию, другая составляющая изнашивания – смятие

поверхностей. При этом диспергирование и смятие действуют совместно.

В 60-70-е гг. прошлого столетия И.В. Крагельским и его учениками

проведены исследования по дальнейшему развитию представлений об

усталостном характере изнашивания, основанные на том, что контакт по-

верхностей трения носит дискретный характер. Ими установлено, что

118

пятно контакта испытывает многократное воздействие (тепловое, механи-

ческое) других пятен контакта. В результате в материале образуется тре-

щина и происходит его разрушение.

4.3 Механизм изнашивания полимеров и резины

Взаимодействие полимеров и резины с металлической поверхностью

может быть либо механическим, либо молекулярным. Последнее проявля-

ется только в виде адгезии. Зацепление неровностей поверхностей играет

большую роль, так как пластическая деформация поверхностного слоя

полимера под воздействием неровностей металлической поверхности,

увеличивая число пятен контакта, увеличивает и число зацеплений. Это

вторично стимулирует развитие пластической деформации активных сло-

ев. В результате значительно возрастает сила трения. Если материал эла-

стичный, например резина, то при прочих равных условиях шерохова-

тость металлической поверхности не оказывает такого влияния, так как

при отсутствии пластической деформации на перемещение затрачивается

меньшая работа [1].

Если адгезия значительна, то разрушение возникающей связи воз-

можно как по полимеру, так и по металлу. В итоге будет перенос мате-

риала с полимера на металл, с металла на полимер или одновременно с

одной поверхности на другую. Это также объясняет наблюдаемое изна-

шивание более твердого металла более мягким полимерным материалом.

Из термопластов с точки зрения механизма изнашивания особый ин-

терес представляет политетрафторэтилен (ПТФЭ). При скольжении по

гладкой стальной поверхности с малой скоростью происходит перенос

полимера в виде очень тонкой пленки, внутри которой молекулы цепи

ориентированы в направлении скольжения . При дальнейшем скольжении

по этой пленке дополнительный перенос полимера незначителен.

При шероховатости стальной поверхности более Rа = 0,1 мкм ПТФЭ

начинает интенсивно изнашиваться. Повышается и коэффициент трения.

Подобное явление наблюдается при снижении температуры до –20 С:

происходит срезание полимера выступами неровностей твердой сопря-

женной поверхности.

Полимерные материалы часто оказываются эффективными как покры-

тия или облицовочный материал в узлах трения, где, казалось бы, нужно

применять особо твердые материалы. Некоторые полимеры могут погло-

щать большое количество энергии, прежде чем от их поверхности отделит-

ся частица. Это свойство полимеров используется, например, для повыше-

ния износостойкости ротора и статора флотационных установок, установок

119

по перекачке пульпы в химической промышленности. Преимуществом по-

лимеров является еще и то, что они не подвержены коррозии.

Для уменьшения трения и снижения износа полимерного материала в

него добавляют различные активные вещества, которые в процессе трения

взаимодействуют с рабочими поверхностями пары трения. На рисунке 4.1

приведена зависимость коэффициента трения от давления при различных

смазочных материалах. Значительное влияние смазочного материала на

коэффициент трения можно объяснить различием физико-химических

процессов, протекающих в зоне контакта.

Рисунок 4.1 – Зависимость коэффициента трения от давления для композиции, наполненной

медным порошком, при различных смазочных материалах:

1 – глицерин; 2 – масло МС-20; 3 – нефть (по данным Н.В. Акулича)

На процесс трения между металлом и полимерными материалами

влияет температура. С повышением температуры ухудшаются упругие и

пластические свойства материала и в зависимости от температуры проис-

ходят физико-химические процессы распада органического связующего

или самого материала. Кроме того, если пластмассы обладают высокой

адгезией к металлу, то с повышением температуры адгезия усиливается. У

пластмасс со слабой адгезией к металлу силы трения с повышением тем-

пературы увеличиваются незначительно.

Высокоэластичные материалы повреждаются при трении вследствие

усталостного разрушения поверхностных слоев под действием повторных

нормальных напряжений и сил трения. Разрушение происходит путем от-

рыва (силы трения обусловлены как адгезией на площадках контакта, так и

сопротивлением при движении внедрившихся выступов неровностей ме-

таллической поверхности). Менее эластичные материалы повреждаются

вследствие микрорезания, царапания, отслаивания и выкрашивания.

Химические факторы в процессе изнашивания проявляются своеоб-

разно. При повреждении поверхности полимера происходит разрушение

отдельных молекулярных цепей, освобождаются свободные валентные

120

радикалы и выступают наружу отдельные элементы в атомарном состоя-

нии, что позволяет металлу и полимеру вступать в химическое взаимо-

действие. Образующиеся соединения разрушаются и возникают вновь.

В целом процесс изнашивания неметаллических материалов в паре с

металлами или неметаллами не отличается от механизма изнашивания

металлических материалов, но отдельные его закономерности связаны с

особенностями физико-химических и механических свойств неметаллов и

их изменениями в процессе трения.

4.4 Стадии изнашивания пар трения

Если отложить по оси абсцисс время t работы пары трения (рису-

нок 4.2), а по оси ординат износ U, то получим кривую изнашивания дета-

ли во времени. Тангенс угла наклона , образованного осью абсцисс и

касательной к кривой в произвольной точке, определяет скорость изнаши-

вания в данный момент времени.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 4.2 – Кривые изнашивания

На кривой изнашивания в общем случае (кривая 1) можно выделить

три участка, соответствующие трем стадиям изнашивания: I – начальное

изнашивание, наблюдаемое при приработке поверхностей деталей;