Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
Видно,
что
низкотемпературный
упрочняющий
отпуск
стали
65Г
резко
снижает
K~,
а
перестаривание
сплава
В95
(по
режиму
ТЗ)
заметно
повышает
его
вязкость
разрушения
(ср.
со
сплавом
В95АТ1).
Эти
эффекты
полностью
согласуются
с
рассмотренны
ми
применительно
к
статической
вязкости
разрушения
(см.
гл.
У).
в
целом
характеристики
сопротивления
усталости
несколько
менее
чувствительны
к
структурным
изменениям,
чем
многие
другие
механические
свойства.
В
частности,
скорость
развития
усталостной
трещины
на
втором
участке
диаграммы
усталостно
го
разрушения
(см.
рис.
181)
во
многих
сталях
и
других
сплавах,
где
разрушение
идет
по
механизму
образования
вязких
устал
ост
ных
микрополос,
почти
не
зависит
от
их
микроструктуры.
По
видимому,
интенсивная
пластическая
деформация
у
вершины
трещины,
вызывающая
образование
ячеистой
или
субзеренной
структуры,
устраняет
влияние
исходной
микроструктуры
таких
материалов.
Размер
зерна
влияет
на
предел
выносливости
часто
качественно
так
же,
как
на
прочностные
свойства
при
статических
испытани
ях
(см.
гл.
У).
При
этом
кривые
Холла
-
Петча
для
a
R
и
а
т
.
н
.
(а
о
,2)
одного
материала
могут
пересекаться,
так
как
напряжение
тре
ния
в
формуле
(56)
а.
>
а.
,а
К
<
К
,как,
например,
у
ла-
Л
7
'0
'уст
'стат
УУСТ
Устат
туни
.
Предел
выносливости некоторых
сплавов
почти
не
зависит
от
размера
зерна,
обычно
это
наблюдается
в
гетерофазных
материа
лах.
Например,
в
термоулучшенных
сталях
структура
распавшего
ся
мартенсита
в
большей
степени
влияет
на
зарождение
и
разви
тие
усталостных
трещин,
чем
размер
бывшего
аустенитного
зер
на.
Во
всех
металлах
и
сплавах
отрицательно
сказываются
на
со
противлении
усталости
грубые
включения
избыточных
фаз,
в
ча
стности
неметаллические,
Они
являются
наиболее
важными
и
часто
встречаюшимися
внутренними
концентраторами
напряже
ний,
у
которых
зарождаются
усталостные
трещины.
Чем
крупнее
включения,
тем
сильнее
их
отрицательное
действие
на
сопротив
ление
усталости.
У
высокопрочной
стали
4340
увеличение
разме
ров
неметаллических
включений
всего
в
два
раза
(от
25
до
50
мкм)
приводит
К
снижению
циклической
долговечности
на
два
порядка
(при
ай
=910
МПа).
Подводя
итоги анализа
влияния
различных
факторов
на
со
противление
усталости,
можно
сказать,
что
для
ее
повышения
360
необходимо:
-
улучшать
качество
поверхностных
слоев
деталей
(по
шеро
ховатости
и
свойствам,
в
частности
создавать
сжимающие
напря
жения);
-
предотвращать
появление
трещин
и
зон
локализованной
деформации,
в
которых
облегчено
их
зарождение;
-
уменьшать
количество
крупных
(более
микрометра)
вклю
чений
избыточных
фаз;
-
увеличивать
напряжение
начала
пластической
деформации
в
условиях
циклического
нагружения;
-
повышать
однородность
пластической
деформации
в
объе
ме
материала.
Две
последние
задачи
решаются
за
счет
оптимального
легиро
вания,
создания
стабильной
однородной
субструктуры,
введения
дозированного
количества
дисперсных
частиц
избыточных
фаз.
4.
Изнашивание
и
износостойкость
металлов
Разновидностью
усталостного
разрушения
является
изнашива
ние
-
процесс
отделения
материала
с
поверхности
твердого
тела
или
накопление
остаточной
деформации
при
трении,
проявляю
щиеся
в
постепенном
изменении
размеров
и
(или)
формы
тела.
ИЗНОС
-
это
результат
изнашивания,
определяемый
в
установ
ленных
единицах,
а
износостойкость
-
свойство
материала
со
противляться
изнашиванию,
оцениваемая
величиной,
обратной
скорости
или
интенсивности
изнашивания
(ГОСТ
27674 - 88).
Общая
схема
изнашивания
показана
на
рис.
194.
Основной
(3)
и
сопряженный
(1)
материалы
составляют
рабочую
пару.
Между
ними
находится
промежуточное
вещество
2.
При
относительном
перемещении
контактирующих
матери-
алов
возникает
сила
трения
F -
реак-
ция,
препятствующая
взаимному
пере-
мещению.
Коэффициент
трения
f.1
= F/N,
где
N -
нормальная
составляющая
внешней
силы,
действующей
на
кон
тактную
поверхность.
Промежуточное
вещество
может
уменьшать
(смазка)
~
+-:
;:.
:.:
.:
...
'.,
....
:
.:.
:.:.;:.
:.:.:
'1
J
Рис.
194.
Схема
изнашивания
361
или
увеличивать
коэффициент
трения
и
соответственно
изнаши
вание.
Значительная
часть
отказов
машин
происходит
в
результате
изнашивания
трущихся
поверхностей.
Поэтому
испытания
на
из
нос
широко
распространены,
а
повышение
износостойкости
металлических
материалов
является
важной
научно-технической
проблемоЙ.
Разновидности
изнашивания
Механизм
и
величина
износа
зависят
от
большого
числа
фак
торов,
которые
условно
можно
объединить
в
три
группы:
1)
внешние
механические
воздействия:
характер
движения
контактирующих
тел
(трение
скольжения,
качения,
удары,
тече
ние),
величина
внешней
нагрузки,
скорость
перемещения
и
про
изводная
от
них
температура;
2)
физико-химическое
действие
среды;
3)
свойства
материалов
пар
трения.
В
зависимости
от
совокупности
этих
факторов
наблюдаются
многочисленные
виды
изнашивания,
которые
можно
классифи
цировать
по
разным
признакам.
Б.
и.
Костецкий
делит
все
разно
видности
изнашивания
на
две
большие
группы.
В
первой
проис
ходит
стационарный
процесс
нормального
трения
и
изнашива
ния,
а
второй
группе
присущи
различные
явления
повреждаемо
сти
при
трении.
Виды
изнашивания,
по
Б.
и.
Костецкому,
можно
классифицировать
следующим
образом:
Допустимое
(нормальное
изнашивание)
Недопустимое
(повреждаемость)
362
Нормальное
окислительное
изнашивание
Нормальное
изнашивание
пленок
некислородноro
происхождения
Окислительное
абразивное
изнашивание
Схватывание
1
рода
Схватывание
11
рода
Фретинг-процесс
Абразивная
повреждаемость
Контактная
усталость
Другие
виды
повреждений
(коррозия,
кавитация,
эрозия
и
др.)
Наиболее
распространенной
разновидностью
изнашивания
является
нормальное
окислительное
изнашивание,
идущее
при
наличии
на
поверхности
трения
защитных
пленок,
образующих
ся
при
взаимодействии
контактирующих
материалов
с
кислоро
дом.
Эти
пленки
могут
иметь
и
не
кислородное
происхождение,
если
промежуточное
вещество
(см.
рис.
194)
содержит
другие
аг
рессивные
компоненты,
например
азот-
и
углеродсодержащие.
В
присутствии
абразивных
частиц
в
промежуточном
веществе,
если
эти
частицы
способствуют
пластической
деформации
поверхнос
тных
слоев,
но
не
внедряются
глубоко
в
поверхность
металла,
происходит
нормальное
абразивное
изнашивание:
Для
всех
разновидностей
нормального
изнашивания
характер
ны
интенсивная
пластическая
деформация
тонких
поверхност
ных
слоев,
их
взаимодействие
с
химически
активными
компо
нентами
промежуточного
вещества
и
разрушение
этих
поверхно
стных
слоев
при
отсутствии
разрушения
внутри
основного
метал
ла.
Для
нормального
изнашивания
характерны
три
стадии
(рис.
195).
На
первой
(1),
так
называемой
стадии
приработки,
умень
шается
скорость
износа.
Это
объясняется
устранением
неровнос
тей
на
поверхности.
На
второй
стадии
(2)
скорость
износа
посто
янна
-
это
установившееся
изнашивание,
где
можно
прогнози
ровать
величину
износа и
учитывать
его
при
определении
разме
ров
детали.
Наконец,
третья
стадия
(3)
характеризуется
ускоре
нием
износа
по
экспоненте.
В
условиях
эксплуатации
переход
к
этой стадии
приводит
К
быстрому
выходу
детали
из
строя.
Нормальное
изнашивание
является
неизбежным
и
относитель
но
малоопасным
процессом.
Усилия
конструкторов
и
материало
ведов
направлены
на
то,
чтобы
во
всех
парах
трения
обеспечить
именно
нормальное
изнашивание,
ибо
все
остальные
разновидности
изнаши
BaHия
вызывают
недопустимые
по
вреждения
поверхности
и
основного
материала.
Так,
схватывание
1
рода
(холодный
задир)
происходит
при
трении
сколь
жения
с
малыми
скоростями
относи
тельного
перемещения
и
удельными
нагрузками,
превышающими
предел
текучести
на
контактных
участках
при
отсутствии
смазки.
В
этих
участках
8реl1Л
Рис.
]
95.
кривая
износа
ЗБЗ
контактирующие
материалы
«свариваются»,
деформируются
и
раз
рушаются
с
отделением
частиц
металла
или
их
налипанием
на
поверхность
контакта.
Схватывание
11
рода
(горячий
задир)
наблюдается
при
трении
скольжения
с
большими
скоростями
и
нагрузками.
Это
приводит
к
значительному
повышению
температуры
в
зоне
контакта
и
со
ответствующему
повышению
пластичности
контактирующих
ма
териалов.
При
возникновении
локальных
металлических
связей
происходит
деформация
и
разрушение
с
образованием
трещин,
«намазываний»,
переноса
металла
и
отделением
частиц
с
повер
хности
трения.
Фретинг-процесс
разрушения
поверхности
трения
с
образо
ванием
ямок
характерен
для
случая
приложения
нагрузки
с
ма
лыми
возвратно-поступательными
перемещениями.
При
абразивной
повреждаемости,
в
отличие
от
окислитель
ной
формы
нормального
абразивного
изнашивания,
абразивные
частицы
внедряются
и
разрушают
поверхностные
объемы
основ
ного
металла,
иногда
со
снятием
микростружки.
Абразивная
по
вреждаемость
может
возникать
в
широком
диапазоне
внешних
механических
воздействий,
часто
она
сопутствует
другим
видам
изнашивания.
Контактная
усталость
-
это
накопление
повреждений
и
раз
рушения
поверхностных
слоев
под
действием
циклических
кон
тактных
нагрузок.
Обычно
она
проявляется
при трении
качения
(в
подшипниках
качения,
зубчатых
зацеплениях).
Для
контактной
усталости,
помимо
образования
трещин,
характерно
наличие
на
поверхности
ямок
выкрашивания
(питтингов).
Кроме
повреждений,
обусловленных
трением,
часто
возника
ют
повреждения,
связанные
с
трением
косвенно:
кавитация,
коррозия,
эрозия,
смятие
и
др.
Вне
зависимости
от
вида
изнашивания,
каждый
из
них,
по
И.
В.
Крагельскому,
можно
рассматривать
как
результат
усталости.
Такое
представление
о
природе
изнашивания
базируется
на
сле
дующих
положениях:
1)
контакт
двух
тел
из-за
шероховатости
и
волнистости
их
поверхности
всегда
дискретен;
2)
изнашивание
происходит
в
результате
действия
локальных
напряжений
и
де
формации
в
зонах
фактического
контакта;
3)
разрушение
метал
ла
в
отдельных
участках
поверхности
трения
обусловлено
много
кратным
нагружением
зон
контакта.
364
Испытания
на
износ
Методы
испытаний
на
износ,
моделирующие
возможные
ус
ловия
эксплуатации,
многочисленны
При
этом
результаты
ис
пытаний
разными
методами
обычно
несопоставимы,
поскольку
в
них
реализуются
разные
механизмы
изнашивания,
используют
ся
разные
внешние
механические
воздействия
и
рабочие
среды
(промежуточные
вещества).
В
качестве
интегральных
количествен
ных
характеристик
износа
используют
абсолютные
и
удельные
линейные,
объемные
и
массовые
величины
износа.
Например,
в
стандартизованном
методе
испытаний
на
абразивное
изнашива
ние
(ГОСТ
17367 - 71)
определяют
линейный,
массовый
и
от
носительный
износ
где
д/
э
'
д/и
-
абсолютный
линейный
износ
эталона
и
образца,
мм;
d
э
,
d
и
-
фактический
диаметр
эталона
и
образца,
мм.
При
равенстве
плотности
эталона
и
образца
допускается
заменять
от
ношение
абсолютных
линейных
износов
на
отношение
абсолют
ных
массовых
износов.
Принципиальные
схемы
различных
испытаний
на
износ
пред
ставлены
на
рис.
196.
С
их
помошью
можно
воспроизвести
усло
вия,
необходимые
для
проявления
всех
видов
изнашивания,
а
также
различных
их
комбинаций.
Обшим
критерием
поверхност
ного
разрушения
является
отношение
работы
трения
А,
затра
ченной
на
удаление
массы
дМ,
к
этой
массе:
А=А/дМ.
Для
дифференциальной
оценки
показателей
изнашивания
и
повреждаемости
используют
такие
критерии,
как
коэффициент
трения
и
интенсивность
нормального
изнашивания
(dМ/dт:),
стой
кость
против
схватывания
1
рода,
которую
характеризуют
крити
ческой
удельной
нагрузкой,
стойкость
против
схватывания
11
рода,
оцениваемую
по
критической
скорости
перемешения,
и
др.
Не
которые
характеристики
изнашивания
разного
вида
обобщены
в
таБЛ.16.
365
~I
~""
~
~~
,
~
~.~
~.
~
~~
~
~
~ ~
~
~
~~
>
..
,
.~
.""
~~
~
~~
~
~~
~
~~
!=;
1§
...
~~
:::i
~
";
\i
~
~$:
~
~~
~.
1:
!':
~
~
~~~
I~
...
i!H
:3~~
~
~
~~:::!
~ ~
~~~
~
""
~~~
~!
~:::i~
~
~~~
~,q
Ц.~
~
~
~
~~"
)~
""
~.
~
~
....
""
~
';:'
~
~
~
~
~
""
~
~
~
~
~
~
t:
~~
~
'"
~::a
~:::,
~
~{;
:::;
15:::.
~':::I
~';:'
:::,
:::s
....
~~
~
~
~
~~
;:,
~
~~~
':::,
~
t:::
~
~;:::
е::.,,,,,
t:::t:.
~
~';:'
...
~~
~~
....
"
~
~
....
~
~
~,,~
~!'I
~
~it
[
;.:
...
;t:
....
~
~~
~~
~~
~~~
~~
~
366
си
с»
.......
Т
а
б
л
и ц
а
16.
Харапервс:тпв
в:пwпввaвu
в
поареж.цемоств
(Б.И.Костецut)
Изнашивание,
Коэффициент
Глубина
раз-
Изменения
фазо-
Orносительное
изме-
повреждаемость
трения
рушающего-
вого
состава
нение
твердости
ся
слоя,
мм
поверхностных
поверхностных
слоев
слоев
Нормальное
0,01-0,1 0,001-0,01
Образование
3-10
окислительное
вторичных
изнашивание
СТРУК1)'р
Окислительная
0,05-0,3
До
0,1
Тоже
3-10
форма
абрази
в-
ного
изнаши-
вания
Фретинг-
0,10-1,0
До
0,5
Динамическое
1,5-5
процесс
окисление
Схватывание
0,10-1,0
До
1
Вторичная
за-
0,3-5
11
рода
капка.
отпуск
(старение)
Схватывание
0,5-40
До
3-4
Нет
1,5-4
1
рода
Абразивная
-
До
0,5
..
1-2
повреждаемость
Температура
Сопутствуюший
поверхностного
процесс
слоя,
'С
До
300
Механическое
повреждение
по-
верхности
про-
дуктами
износа
До
300
Тоже
До
300
....
До
температу-
Высокотемпера-
ры
плавления
турное
окисление
металла
До
200
Низкотемnера-
турное
окисление
-
Тоже
Изнашивание
и
способы
повышения
износостойкости
металлов
Нормальное
изнашивание,
как
уже
отмечалось,
затрагивает
лишь
тончайшие
поверхностные
слои
(порядка
103
нм).
При
тре
нии
взаимно
перемещающихся
контактирующих
материалов
в
их
поверхностных
слоях
происходит
упруго-пластическая
деформа
ция.
При
трении
скольжения
в
этих
слоях
возникают
напряжения
растяжения
-
сжатия.
В
зоне
непосредственноro
контакта
толщи
ной
порядка
103
нм
возникает
особая,
так
называемая
вторичная
структура,
а
под
ней
располагается
зона
с
деформированной
струк
турой
глубиной
до
нескольких
микрометров.
В
этой
подповерхно
стной
зоне
наблюдаются
дислокационные
структуры,
обычные
для
сильнодеформированного
металла.
Работа сил
трения
в
основном
затрачивается
на
образование
теплоты,
но
частично
запасается
поверхностными
слоями
метал
ла
за
счет
образования
дефектов.
В
результате
происходит
силь
ное
структурно-термическое
активирование
поверхностных
сло
ев.
Количественно
уровень
этого
активирования
можно
оценить
через
удельную
работу
трения
А
т
= PV/!,
где
Р
-
удельная
нагрузка;
v -
скорость
скольжения.
При
нор
мальном
трении
>0,99
А
т
преобразуется
в
теплоту
и
лишь
менее
1
%
запасается
в
виде
структурных
дефектов.
Чем
меньше
доля
за
пасенной
энергии,
тем
выше
износостойкость.
При
повреждае
мости
разных
видов
доля
запасенной
энергии
резко
возрастает,
достигая
>
0,1
А
т
•
Малая
толщина
деформирующихся
при
нормальном
изнаши
вании
поверхностных
слоев
обусловливает
большую
плотность
запасенной
энергии
и
соответственно
аномально
высокий
эф
фект
активирования
этих
слоев.
В
результате
коэффициент
диф
фузии
в
них
повышается
на
5 -
10
порядков,
и
становится
воз
можным
их
быстрое
и
сильное
взаимодействие
с
компонентами
окружающей
среды,
в
первую
очередь
с
кислородом.
Именно
по
этому
вторичная
структура
содержит
обычно
большое
количе
ство
различных
оксидов.
При
нормальном
изнашивании
разрушение
происходит
толь
ко
в
тонких
слоях
со
вторичной
структурой,
после
удаления
ко
торых
она
вновь
быстро
восстанавливается,
и
этот
процесс
много
кратно
повторяется.
В
других
видах
изнашивания
разрушение
368
затрагивает
более
широкие
поверхностные
слои
и
развивается
вглубь
гораздо
быстрее.
При
схватывании
1
и
11
рода,
в
зависимо
сти
от
механических
свойств
контактирующих
материалов,
ха
рактер
разрушения
меняется
от
хрупкого
до
вязкого.
При
контак
тной
усталости
наблюдаются
признаки
усталостного
разрушения.
При
других
видах
повреждаемости
(фретинг-процессе,
кавита
ции,
эрозии)
механизмы
разрушения
специфичны
и
отличаются
от
известных.
При
решении
проблемы
повышения
износостойкости
метал
лических
материалов
используют
конструкционные,
технологи
ческие
и
эксплуатационные
средства.
Все
они
направлены
на
рас
ширение
границ
и
всемерное
снижение
интенсивности
нормаль
ного
изнашивания,
а
также
предупреждение
недопустимых
раз
новидностей
поверхностной
повреждаемости.
К
конструкцион
ным
средствам
относят
оптимальный
подбор
материалов
для
пар
трения,
выбор
вида
трения,
определение
формы
и
размеров
ра
бочих
поверхностей,
выбор
системы
смазки
и
т.д.
Для
предупреж
дения,
например,
схватывания
1
рода
необходимо
повышать
твер
дость
и
снискать
пластичность
контактирующих
материалов,
а
для
того
чтобы
избежать
горячего
задира,
следует
по
возможности
использовать
жаропрочные
материалы.
Эффективными
технологическими
средствами
повышения
из
носостойкости
являются
различные
способы
уменьшения
шеро
ховатости
поверхности,
упрочнения
поверхностных
слоев
(хими
ко-термической
обработкой,
нанесением
покрытий,
поверхнос
тным
наклепом).
Многого
можно
добиться
и
за
счет
использова
ния
эксплуатационных
средств
-
подбора
оптимальных
режимов
и
условий
нагружения,
температуры,
среды
(промежуточного
вещества).
Особенно
важное
значение
имеет
правильный
выбор
смазки,
защита
от
абразивных
частиц,
охлаждение
узлов
трения.
5.
Конструкционная
прочность
Определяемые
в
лабораторных
испытаниях
характеристики
сопротивления
усталости
и
износостойкости
обычно
неплохо
ха
рактеризуют
поведение
материала
в
реальных
конструкциях.
Од
нако
так
получается
не
всегда.
В
общем
случае
механические
свой
ства,
определяемые
в
результате
испытания
образцов,
характе
ризуют
свойства
испытываемого
материала
и
могут
сильно
отли
чаться
от
свойств
конструкции,
изготовленной
из
этого
материа-
-
3755
369