Файл: Хомяк, Б. С. Износостойкость кузнечно-прессового инструмента и штампов и методы ее исследования [обзор].pdf

может быть объяснено только равномерным снижением прочности всей поверхности износа из-за явлений усталости.

Влияние масштабного фактора на износ. Влияние концентрато­ ров напряжений увеличивается с повышением твердости и разме­ ров образцов. Масштабный фактор проявляется в том, что в усло­ виях ударных циклических нагрузок увеличение размеров образцов, а также инструмента и штампов приводит к снижению их проч­ ности.

Влияние масштабного фактора объясняют три теории, ко­ торые дополняют друг друга: статистическая теория, устанавли­ вающая, что увеличение размеров образцов приводит к возникно­ вению больших неоднородностей; энергетическая теория, согласно которой с увеличением размеров образцов из-за роста упругой энер­ гии возрастает скорость распространения усталостной трещины; технологическая теория объясняющая 'снижение усталостной проч­ ности с увеличением размеров образцов условиями обработки.

Согласно статистической теории хрупкой прочности Вейбулла зависимость между значениями прочности oi и сгг и объемами образцов V\ и Уг имеет вид

где т — параметр прочностной однородности материала по Вейбуллу.

Для крупных образцов особенно важно учитывать технологиче­ скую наследственность. Применение сборных штампов и инстру­ мента снижает влияние масштабного фактора.

Состояние в зоне контакта штампа и деформируемого металла. Рабочая поверхность штампа совместно со штампуемым материа­ лом образуют трущуюся пару, которая, несмотря на ряд специфи­ ческих особенностей, имеет и много общего с трущимися деталями машин.

Следует отметить, что при контактировании двух поверхностей процесс механического отделения частиц износа происходит не на всех элементах контакта, а только на небольшой их части, в осталь­ ных точках имеют место упругие или пластические деформации.

В работе [25] на основании выполненных электронно-микроско­ пических исследований делается вывод, что возникающая под дей­ ствием нагрузки (в статике и динамике) пластическая деформация приводит к возникновению в местах фактического контакта сопря­ гаемых тел активных дислокационных центров с резко повышенной концентрацией точечных дефектов в виде вакансий и дислоцирован­ ных атомов. Контакт двух соприкасающихся твердых тел дискре­ тен, при трении происходит постоянная омена отдельных элемен­ тарных точек контакта. Каждый элементарный контакт проходит три стадии: взаимодействие, изменение и разрушение. ^

53

При скольжении происходят изменения поверхностного слоя, вызванные деформацией, напряжением, температурой и химическим воздействием окружающей среды.

Поверхности металла имеют различные несовершенства: неров­ ности, возникающие вследствие тенденции металла к снижению по­ верхностной свободной энергии, кристаллографические несовер­ шенства, связанные с условиями образования поверхности и дисло­ кационной структуры металла, химические несовершенства (приме­ си) и т. п. [24]. Однако это еще не значит, что на изнашиваемой по­ верхности в начале процесса износа должна возникнуть «расшатан­ ная дефектная структура», снижающая сопротивление изнашива­ нию и создающая вследствие усталости условия для отрыва ча­ стиц износа.

При износе в тончайших поверхностных слоях (порядка сотен ангстрем) происходит интенсивная и направленная пластическая

-деформация — текстурирование, т. е. ориентация дефектов кристал­ лического строения относительно направления тангенциального пе­ ремещения твердых тел, а в нижележащих слоях (порядка сотен микрон) возникает волновой процесс распространения упругих де­ формаций. Кроме того, при контактировании рабочих поверхностей штампов и деформируемого металла штампуемого изделия имеет

место взаимодействие их макроструктур (упругие и пластические деформации, срез неровностей, выкрашивание и др.) и взаимодей­ ствие атомов их кристаллических решеток (адсорбция, адгезия, диффузия и др.). Однако нельзя объяснять износ твердых тел толь­ ко усталостным разрушением поверхностного слоя в результате многократного циклового воздействия контртела.

Например, авторадиофотограммы поверхностей двух металличе­ ских тел, находившихся в разовом контакте, даже без скольжения фиксируют взаимный перенос металлических цастиц, величина ко­ торых велика по сравнению с атомными размерами. Это явление может быть объяснено только возникновением сильных связей в зоне контакта и их последующим разрывом при разделении поверх­ ностей.

Во всех случаях выполнения операций штамповки износ штам­ пов происходит с удалением частиц инструментального материала при взаимном внедрении контактирующих элементов неровностей. Отрыв частиц износа при первых контактах поверхностей следует объяснять не только несовершенствами поверхностей, но и условия­ ми контактирования трущихся поверхностей. Можно считать, что процессы упругого деформирования контактирующих поверхностей в элементарных точках определяют величину силы трения. Во мно­ жественных точках контактирования имеет место мгновенная ло­ кальная концентрация высокой энергии.

Под действием нагрузки вследствие разницы в физико-механи­ ческих свойствах и микрогеометрических характеристиках поверх­ ностей штампов и деформируемого металла штампуемого изделия происходит внедрение более жестких микронеровностей штампа в

54

поверхность менее жесткого деформируемого металла. При даль­ нейшем относительном их перемещении происходит деформация тонкого поверхностного слоя менее жесткого тела.

В зонах контакта отдельные микро- и субмикроэлементы по­ верхностей штампов и деформируемого металла штампуемой заго­ товки оказываются в состоянии неравномерного всестороннего сжатия. При этом возникающие давления очень высоки; можно предположить, что они достигают 500—1500 кгс/мм2 и более, что приводит к взаимному внедрению микроэлементов сопрягаемых тел, и возможно взаимное их заклинивание. Находящийся в состоянии всестороннего сжатия микроэлемент деформируемого металла ока­ зывает при этом быстрое ударное воздействие на микроэлемент рабочей поверхности штампа, что и создает условия для его отрыва.

В(месте с тем при пластической деформации поверхностных сло­ ев контактирующих металлов создаются ювенильные поверхности трения, свободные от окислов и загрязнений, что обеспечивает плотный контакт металла.

Обычно износ связывают с образованием и разрушением кон­ тактов. Однако возможен износ и без прорыва смазочной пленки. При этом сила передается через слой смазки гидродинамически. Но возможно и касание вследствие вибрации и кавитации, посколь­ ку в узком зазоре имеет место вихревое движение жидкости.

Автором обзора проводились оптические и электронномикро­ скопические исследования поверхности деформируемого металла штампуемых изделий из разных материалов. На рис. 14 представ­ лены оптические снимки поверхности грани высаженной гайки: в центральной части на участке ровной поверхности (рис. 14, а) и в зоне вблизи ребра грани, где металл претерпевает большую дефор­ мацию (рис. 14, б). На обоих снимках четко видно пластическое течение штампуемого металла, имеются наплывы, вырывы, зоны прихвата и схватывания.

Электронномикроскопические снимки поверхности граней гаек (рис. 15) показывают, что в зоне вблизи ребра при штамповке гай­ ки течение металла происходит в виде всплесков и оттеснения, а при выталкивании втиснутые участки поверхности сдвигаются и частично срезаются. В центральной зоне гайки деформация мень­ ше, чем в предыдущем участке зоны контактирования. Однако и здесь четко видно направление оттеснения металла (см. рис. 15, б).

Анализ оптических и электронномикроокопических снимков де­ формированной поверхности штампуемых изделий из разных мате­

Характер износа штампов и инструмента. Микрорельеф изно­ шенной поверхности инструмента и штампов позволяет сделать вы­ вод о сложном характере явлений, происходящих при их износе.

Металлические тела имеют дефекты строения, что приводит к снижению реальной прочности поверхностного слоя штампов. Одна-

55

ко переносить свойства макрообъемов поверхностей штампов и де­ формируемого металла штампуемой заготовки на их микро- и суб­ микрообъемы нельзя. Отрыв частиц очень твердого штампового материала, такого как твердый сплав, нельзя объяснить только разностью микропрочности в различных участках поверхности изза неоднородности структуры, наличия пор, трещин, неравномерно­ го распределения внутренних напряжений, неоднородности химиче­ ского состава и других причин анизотропии.

При контактировании поверхностей деталей возможна их упру­ гая и пластическая деформация или отделение частиц износа. При этом волны упругих деформаций, возникающие при скольжении вне зоны контакта, способствуют подготовке и ускорению развития усталостных процессов [18]. Отделению частиц износа штамповых материалов предшествует образование дефектов по межфазным и межкристаллитным поверхностям, которые располагаются в зонах максимального сдвига, где действуют наибольшие растягивающие напряжения. При крупной зернистости составляющих фаз штампо­ вых материалов трещины вероятно образуются и внутри кри­ сталлов.

При контактировании пластически деформируемой заготовки и рабочей поверхности штампа кинетическая энергия движущих­ ся тел переходит в тепловую энергию и энергию напряженного со­ стояния в деформируемой области. Образование в зернах более твердой фазы штампового материала (обычно в карбидах WC твердого сплава или в других карбидах закаленных сталей) тре­ щин по одной из плоскостей скольжения происходит тогда, когда величины напряжений в отдельных кристаллитах достигают таких значений, при которых способность к дальнейшему упрочнению ис­ черпана. Причем это упрочнение может произойти не только в ре­ зультате многократного, но и разового деформирования.

При явлении усталости в поликристаллах пульсирующие напря­ жения сжатия вызывают в результате взаимодействия между зер­ нами остаточные напряжения растяжения. Различно ориентирован­ ные кристаллиты реальных металлов и сплавов, обладающих ани­ зотропией механических свойств, по разному сопротивляются сжа­ тию, что приводит к тому, что при сжатии первоначально гладкие поверхности становятся шероховатыми.

Следует отметить, что свойства штамповых материалов, в том числе и их упругие характеристики, меняются в условиях повышен­ ных давлений в макрообъемах. Вероятно, в какой-то степени это имеет место и в микрообъемах.

При износе имеет место и молекулярный вид износа. Вместе с тем необходимо учитывать, что атомы, находящиеся на поверхно­ сти твердого тела, имеют некомпенсированные молекулярные си­ лы. Согласно работе [8], чем больше эта нескомпенсированность, тем больше поверхностное натяжение твердого тела и тем выше его прочность. Следует также учитывать, что поверхностные слои штамповых материалов по свойствам значительно отличаются от

57

нижележащих слоев. Например, под действием кислорода воздуха металлические поверхности штампов покрываются пленками окис­ лов, обычно, кристаллического строения.

Можно считать, что отделение частиц износа начинается сразу же в начале работы штампов и инструмента после штамповки пер­ вого изделия. При этом может сразу произойти отрыв не только частиц с ослабленными связями, но и с наиболее прочными связя­ ми, что определяется конкретными условиями деформирования и контакта сопрягаемых микронеровностей.

Дефекты структуры твердого тела приводят к резкому сниже­ нию его прочности по сравнению с наибольшим теоретическим зна­ чением прочности, вычисленным, например, по теории кристалличе­ ской решетки. Для металлов теоретическая прочность составляет величины порядка 103—104 кгс/мм2, а реальная прочность металлов ь.е превосходит сотен кгс/мм2.

Известно, что при 'определенных условиях вещества совершен­ но изменяют свои свойства. Так, экспериментально установлено, что природные газы при определенных термодинамических услови­ ях (температура до 295° К, давление до 250 атм) могут образовы­ вать в земной коре залежи в твердом газогидратном состоянии [5].

Можно предположить (по аналогии с водой), что при контакти­ ровании двух тел, имеющих разные физико-химические характери­ стики, происходит физическое изменение состояния структуры де­ формируемого металла, который возможно приобретает большую твердость, прочность (вода ведет себя как твердое тело), имеет ме­ сто физика удара в результате мгновенного увеличения давления деформируемого металла по рабочей поверхности штампа в зоне микроконтакта в результате резкого изменения скорости перемеще­ ния металла, напоминающей гидравлический удар. Возникающие при этом в микрообъемах высокотвердых и высокопрочных мате­ риалов высокие напряжения оказываются достаточными для их повреждения и отделения частиц износа.

Поэтому применительно к штамповым материалам и, вероятно, вообще к износу всех материалов можно говорить об эффекте уп­ руго-пластического удара микронеровностей сопрягаемых поверх­ ностей, который зависит от свойств материалов сопрягаемых по­ верхностей.

Вероятно на микро- и субмикроповерхности износа штамповые материалы — стали, сплавы и другие материалы также имеют свойства, отличные от исходных и полученных при механической обработке. При этом свойства материалов сопрягаемых поверхно­ стей определяются их химсоставом, фазовым составом, твердостью, остаточными напряжениями, шероховатостью и топографией сопря­ гаемых поверхностей, применяемой смазкой или образующимися на сопрягаемых поверхностях средами, выполняющими роль смазки.

Прочность твердых тел может значительно изменяться в резуль­ тате воздействия внешней среды. Физико-химические процессы, про ­ исходящие на поверхности твердых тел, вызывают понижение проч­

58