Файл: Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.06.2024
Просмотров: 55
Скачиваний: 0
•Жю’г.СУ->’
>
#
1
è
Iі
J
j
ІІ
*
Г
Л
А.Т. ФИЛЯЕВ
ИС С Л Е Д О В А Н И Е
ИЗ Н О С О С Т О Й К О С Т И
СТ А Л Е Й ,
УП Р О Ч Н Е Н Н Ы Х
НА К Л Е П О В
Издательство „Наука и техника"" Ми н с к 1974
Ф58
УДК 539.373\
Ф и л я е в А. Т. Исследование износостойкости сталей, упроч ненных наклепом. Минск, «Наука н техника», 1974, стр. 168.
В книге рассмотрено упрочнение стальных деталей поверх ностным наклепом, приведены результаты исследований влия ния технологических факторов на изменение шероховатости, микропрофпля, остаточных напряжений и микроструктуры поверхностного слоя. Обобщены результаты исследовании влияния наклепа некоторых сталей на их износ при работе деталей со смазкой и без нее. Показаны влияние поверхност ного наклепа на длительность приработки сопряженных дета лей, а также взаимосвязь износа с прочностными характери стиками, микропрофилем поверхности, режимами работы со единения. Приведены краткие сведения об использовании пла стических свойств сталей и путях совершенствования техноло гии изготовления деталей.
Таблиц 21. Рисунков 46. Библиография— 173 названия. Рассчитана на научных сотрудников и инженерно-техни
ческих работников, может быть полезна студентам вузов.
6П4
Р е ц е н з е н т ы :
канд. техн. наук Н. И. Ковзель, канд техн. наук В. А. Сидоренко, канд. техи. наук Ю. А. Сидоренко
© Издательство «Наука и техника», 1974.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из путей решения задач дальнейшего развития производства, увеличения выпуска продукции является внедрение в промышленность и особенно в машинострое ние принципиально новых и более совершенных техноло гических процессов.
Повышение надежности и увеличение долговечности машин и механизмов во многом зависит от правильного подбора и обработки сопрягаемых деталей, что в свою очередь связано с физико-механичёскими свойствами и износостойкостью материалов.
Полное использование мощности и производитель ности машин ограничивается недостаточной износостой костью отдельных деталей и узлов, что влечет за собой огромные затраты средств на ремонт, часто составляю щие 30—40% стоимости новой машины, на содержание чрезвычайно большой сети ремонтных предприятий и на производство запасных частей. Анализ показывает, что из-за износа рабочих поверхностей выбраковывается 80—90% деталей тракторов и автомобилей. Выход де талей из строя происходит в основном из-за нарушения первичной формы и увеличения зазоров в сопряжениях. Поэтому при изготовлении новых и восстановлении изно шенных деталей машин основным является применение таких технологических процессов обработки, которые уменьшили бы возможность создания на поверхностях трения условий для возникновения опасных усталостных напряжений и интенсивного износа, технологии, кото рая дала бы возможность получить нужную микрострук туру поверхностного слоя материала при благоприятном профиле и шероховатости поверхности.
Повышенные требования к работоспособности и дол говечности деталей машин вызывают необходимость
и |
3 |
дальнейших комплексных исследований прогрессивных способов упрочнения поверхности, изучения количествен ного и качественного характера ее износа в различных условиях трения скольжения. Используемые в настоящее время экспериментальные методы оценки износостойко сти требуют большого объема испытаний, проведение которых особенно на стадии проектирования и изготовле ния изделий часто затруднено пли невозможно. Устране ния этих трудностей можно достичь только путем рацио нального сочетания экспериментальных п расчетных методов оценки износостойкости и надежности сопря женных пар трения скольжения.
Несмотря на то что уже около ста лет проблема тре ния и износа материалов привлекает внимание многих выдающихся ученых и исследователей, она до сих пор остается актуальной и недостаточно разработанной.
За последние 50 лет в нашей стране наряду с много численными исследованиями проблеме трения и износа посвящен ряд обобщающих монографий [7, 44, 52, 78, 86, 91, 98, 161]. Между тем состояние теории трения и износа в машинах еще такое, что нельзя полностью от ветить на многочисленные вопросы, выдвигаемые прак тикой в связи с развитием новых машин, повышением скоростей и нагрузок, применением новых материалов
испособов их обработки. В настоящее время еще нет единого взгляда на природу сил трения, отсутствует общепринятая классификация видов изнашивания мате риалов, имеется множество различных способов исследо ваний явлений износа, что делает результаты разных ав торов почти несравнимыми. Недостаточно изучены во просы, связанные с влиянием твердости, пластичности, характера и величины остаточных напряжений в поверх ностных слоях трущихся пар. К сожалению, еще нет единой теории трения и износа материалов, как нет и единых представлений о физической сущности явлений износа, о связи этих явлений с механическими и физиче скими свойствами поверхностей трения в зависимости от методов их упрочнения. Известно, что повышение износостойкости и прочности только за счет легирования
итермической обработки не всегда рационально, так как эти процессы неминуемо сопровождаются повышением чувствительности поверхности к концентраторам напря
жений.
4
Разнообразны результаты исследовании в области влияния шероховатости поверхности, предварительного наклепа металла, а также результаты исследовании
влияния режимов трения скольжения па |
качественные |
и количественные характеристики износа |
материалов. |
Вместе с тем износ и пластическая деформация неотде лимы друг от друга. Наклеп— одно из наиболее рас пространенных явлений в технике. Нет пи одного вида механической обработки сплавов и металлов, вида износа, которые не были бы связаны в какой-то мере с необратимыми структурными изменениями поверхност ных слоев, а также формы всего тела или отдельных его частей. Вот почему в последние годы в отечественном и зарубежном машиностроении получила широкое распро странение обработка деталей поверхностным пластиче ским деформированием (ППД). В машиностроении при меняются различные способы поверхностного упрочне ния, каждый из которых обладает преимуществами и недостатками в конкретных условиях. Различие схем по верхностного деформирования обусловливает разный характер эпюр остаточных напряжений. Остаточным на пряжениям в поверхностном слое принадлежит решаю щая роль в увеличении долговечности при упрочнении де талей машин ППД.
Современные исследования в металловедении (рептгеноструктурпый анализ, электроноскопия), развитие тео рии дислокаций, а также попытка объяснить износ и распределение напряжений в поверхностном слое с по зиций этой теории являются особенно многообещаю щими. Большой вклад в развитие новых методов иссле дования, теорию дислокаций сделали Н. С. Акулов, С. И. Губкин, А. X. Коттрелл, Е. Г. Коновалов, И. В. Куд рявцев, И. А. Одинг, М. М. Саверин, В. П. Севердеико, Ю. С. Термииасов и др.
Данная монография посвящена изучению влияния ППД на некоторые физико-механические свойства, ше роховатость и износ поверхности при трении скольжения. ППД в значительной степени изменяет физико-химиче ские свойства поверхностных слоев металла и позволяет улучшить ряд эксплуатационных свойств деталей.
В работе показано, что величина износа связана с характеристиками микропрофиля поверхности, которые оказывают влияние на скорость изнашивания и па про
5
цесс образования нового микропрофиля поверхности к моменту окончания периода приработки.
Объектом исследований явились стали, наиболее ши роко применяемые в промышленном, сельскохозяйствен ном машиностроении и ремонтном производстве. Хотя эксперименты в основном проведены на деталях, упроч ненных обкатыванием, их результаты справедливы и для других способов обработки детален ППД. Кроме того, в работе приведены некоторые технологические процес сы изготовления деталей машин, которые по своему эф фекту упрочнения материала близки к ППД.
Автор выражает глубокую признательность академи
ку |
АН БССР |
Е. Г. |
Коновалову, |
канд. техп. наук |
Д. |
И. Горину, |
канд. |
техн. наук |
Ю. А. Сидоренко, |
В. |
II. Ивинскому и П. С. Шаповалову, оказавшим боль |
шую помощь при проведении исследований и написании настоящей работы.
Гл а в а I
О ТРЕНИИ И ИЗНОСЕ МАТЕРИАЛОВ
1. Природа сил трения
Наука о трении и износе металлов зародилась много веков назад. Пытливые умы великих людей древности и эпохи Возрождения обращали внимание на те силы, ко торые противостоят активным силам движения предме тов. Еще Леонардо да Винчи на заре XVI в. измерял силу, которую необходимо приложить, чтобы сдвинуть канат, находящийся в одном случае в бухте, а в дру гом — в развернутом состоянии. Как оказалось, требует ся примерно одинаковое усилие, несмотря на различ ную площадь соприкосновения каната с опорной по верхностью. Было сформулировано положение о неиз менности коэффициента трения для всех тел и любых со стояний поверхности.
В период интенсивного развития техники значитель но возрос интерес к познанию законов трения. С целью изучения закономерности трения и износа материалов был проведен ряд фундаментальных исследований. Опубликованные работы отражают отдельные стадии развития науки о трении и изнашивании [44, 52, 53, 78, 90, 98, 160].
М. В. Ломоносов в 1752 г. предложил «...исследовать сцепление между частичками тел... стачиванием на бруске», причем особо подчеркнул необходимость «...исследовать тела, особливо металлы, долгим стира нием». Для этого М. В. Ломоносовым была сконструиро вана машина в виде точила, на которой он проводил опыты, т. е. более двухсот лет назад русскими учеными были проведены экспериментальные исследования изно состойкости материалов на сконструированной ими же машине. Подобные опыты были проведены на Западе, например в Германии, Баушингером только спустя 120 лет.
7
Представления о природе трения и износа изменя лись и совершенствовались по мере углубления знаний о физических: п механических свойствах твердых тел.
Французский физик Амонтон в 1699 г. впервые сфор мулировал геометрическую теорию трения и иа основе экспериментальных исследований установил, что сила трения пропорциональна весу груза, она не зависит от величины площади касания и что коэффициент трепня есть тангенс угла наклона единичной неровности:
F -= Nig а ~ Nf, |
(1) |
где F — сила трения; f — коэффициент трения; N — сила нормального давления; а — угол наклона касательной, проведенной к поверхности микронеровностей.
Кулон независимо от Амонтона в 1779 г. провел ряд экспериментальных работ, результаты которых опубли ковал в труде «Теория простых машин, принимая в рас чет трение их частей и жесткость канатов». Кулон пока зал, что сила трения для разных материалов зависит от нормального давления N и коэффициента трения /. Автор подтвердил зависимость (1) и расширил ее, введя постоянное слагаемое
F —fN -[- А . |
(2) |
Из выражения (2) видно, что при нагрузке, |
равной |
пулю, сила трения существует и равна А. |
развитые |
Теории Амонтона де ла Тира (1699 г.), |
Кулоном, Эйлером (1748 г.), Грюмбелем (1920 г.), объ ясняют трение как результат механических взаимодейст вий микронеровностей. Они соответствовали эпохе раз вития механики абсолютно твердых тел. Однако так на зываемая «физико-механическая теория», основанная па упругой деформации неровностей, уже в то время при знавалась недостаточной, так как она не объясняла меж частичного сцепления (адгезии) между элементами тру щихся поверхностей. Кроме того, не учитывался износ, сопровождающий трение. Эта теория не отражала всей сложности процесса и противоречила многим экспери ментальным данным.
Зависимость (2) лежит в основе теорий Закса и Мор роу. К этой же группе следует отнести теорию трения весьма твердых шероховатых тел Э. И. Адировича и Д. И. Блохинцева [8].
8 -
Английским физиком Дезагюлье (1751 г.) была пред ложена теория, объясняющая трение как результат прео
доления сил молекулярного воздействия |
между двумя |
||||
твердыми |
телами. Она |
пилучила дальнейшее |
развитие |
||
в работах |
Бриллюэна (1899 г.), Ивиига (1912 г.), Гарди |
||||
(1919 |
г.), |
Томлинсона |
(1929 г.), Б. |
В. |
Дерягина |
(1934 |
г.) |
и др. |
|
|
|
Томлинсон [144] на основании представления о моле кулярной природе трения сделал попытку развить тео рию несколько в ином направлении. Автор исходил из предположения, что между телами существуют силы мо лекулярного притяжения и отталкивания, величина кото рых зависит от расстояния между молекулами. Причем силы притяжения незначительны по сравнению с силой, прижимающей одно тело к другому, в то время как силы молекулярного отталкивания велики и именно они урав новешивают внешнюю нагрузку. При трении одной по верхности о другую их молекулы переходят из зоны дей ствия сил притяжения в зону действия сил отталкивания и наоборот. На отрыв каждой пары молекул затрачи вается определенная энергия, которая и влияет па силу
треиия: |
fN = КЕ, |
|
(3) |
|
|
|
|||
где / — коэффициент трения; N — нормальная нагрузка; |
||||
К — число отрывов молекул |
на пути; |
Е — потеря энер |
||
гии при разъединении пары молекул. |
|
определенную |
||
Исследования |
Томлинсона сыграли |
|||
роль в развитии молекулярной теории |
трения, однако |
|||
они не лишены |
серьезных |
недостатков. |
Привлечение |
математического аппарата, основанного на использова нии эмпирических коэффициентов из курса сопротивле ния материалов, для объяснения основных положений теории нельзя считать удачным. Как показали исследо вания, силы молекулярного притяжения чрезвычайно велики. На величину силы трения они оказывают боль шее влияние, чем силы отталкивания.
Исследования Б. В. Дерягина [43, 44] основаны на молекулярной теории трения, согласно которой трение твердых тел обусловлено наличием молекулярных шеро
ховатостей, являющихся неизбежным ■следствием |
ди |
скретной структуры вещества. В данном случае |
|
F = f{N + P0S0), |
(4) |
9