Файл: Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения.pdf

МИНИСТЕРСТВО в ы с ш е г о И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УССР

ОДЕССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

В.Н. МАРОЧКИН

ПРОЧНОСТЬ ФРИКЦИОННОГО КОНТАКТА

Учебное пособие по расчету узлов трения

ОДЕССА — 1973

\J

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УССР

ОДЕССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО 'КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧБОКИй ИНСТИТУТ

В.Я. М А Р о ч к и н

ПР О Ч Н О С Т Ь

Ф Р И К Ц И О Н Н О Г О К О Н Т А К Т А

Учебное пособие по расчету узлов трения

/

ОДЕССА — 1973

( 3 Одесский ордена Трудового Красного Знаменй политехнический институт, 1973 г.

Глава первая

ВВЕДЕНИЕ Исторический обзор

Наука о прочности фрикционного контакта является со­ ставной частью науки о прочности материалов. Особенности этой науки заключаются в следующем: 1) нагружение поверх­ ностного слоя происходит в отдельных пятнах касания и явля­ ется динамическим, кратковременным и концентрированным; 2) величина объема контактной зоны, втянутой во взаимодей­ ствие, является переменной и зависящей от условия нагруже­ ния контакта; 3) физико-механические свойства поверхност­ ного слоя при трении претерпевают изменения и не являются постоянными. Эти особенности предопределили позднее раз­ витие науки о прочности фрикционного контакта.

Первые исследования по оценке износа поверхностей твер­ дых тел относятся к 20-м годам XX столетия и связаны с ра­ ботами шведского ученого И. Бринеля (1849—1925). Согласно этим исследованиям, толщина изношенного слоя обратно про­ порциональна твердости материала. В 1930 г. в США С. Ро­ зенберг установил, что потеря веса тела при трении пропор­ циональна нагрузке. В 1940 г. Р. Хольм предпринял первую попытку построить теорию износа. Согласно этой теории по­ верхностный слой при трении распадается на отдельные ато­ мы и износ является атомарным. В 1952 г. Д. Барвелл и С. Стронг, исследуя взаимодействия отдельных неровностей шероховатых поверхностей, получили, что линейный износ h пропорционален нагрузке Q и обратно пропорционален твер­ дости Н-.

4

При этом частицы износа соизмеримы с размерами от­ дельных неровностей. В следующем году Арчард, исходя из зависимости Д. Барвелла и С. Стронга, экспериментальным путем нашел значения коэффициента /г = 10—2—ІО1-7 для ши­ рокого класса материалов и для различных узлов трения. В 1956 г. Б. М. Ровинским и в 1957 г. Р. Спур и Т. Ньюком­ бом было показано, что износостойкость (характеристика об­ ратная величине износа) зависит от свойств материалов и соответственно пропорциональна модулю упругости в квадра­ те и в первой степени. В 1957 г. И. В. Крагельский ввел поня­ тие удельного износа с единичного пятна контакта при одно­ кратном нарушении фрикционной связи. В 1958 г. в Японии Г. Иошимото ввел понятие коэффициента износа (величины износа на единичном пути скольжения) поверхностей. Это дало возможность сравнивать между собой величины износа при различных режимах трения. В 1962 г. в Америке в одной из фирм авиационной компании появились исследования, со­ гласно которым величина износа определяется ролью напря­ жений на контакте и числом нарушений фрикционных связей. Из этих исследований следовало, что долговечность узла трения определяется пройденным путем и обратно пропорцио­ нальна кубу из контактного давления. Роль условий нагруже­ ния (скорость, давление) на износ поверхностей широко отра­ жена в экспериментальных работах Б. И. Костецкого. В послед­ ние годы М. М. Хрущовым (1969) было получено, что. износо­ стойкость широкого класса материалов пропорциональна мо­ дулю упругости в степени 4/з.

Наличие различных экспериментальных работ и расчет­ ных данных по оценке износа дало возможность классифици­ ровать виды износа узлов трения в деталях машин. Первая классификация видов износа по кинематическому признаку была даіна И. Бринелем в 1921 г. В 1937 г. В. Ф. Лоренц при­ вел развернутую классификацию износа в узлах сельскохо­ зяйственных машин. В 1947 г. А. К- Зайцев разработал-де­ тальную классификацию видов износа в зависимости от усло­ вий нагружения контакта. В классификации Б. И. Костец­ кого (1951) отражена роль структуры материалов на износ. Д. Барвелл в 1952 г., исходя из видов взаимодействия на кон­ такте, привел новую классификацию видов износа. По И. В. Крагельскому отличительным видом износа является внешнее повреждение контакта. В основу классификации из­ носа М. М. Хрущова (1955) положены служебные характе­ ристики узлов трения. В работах Е. Рабиновича виды износа

5

сопоставляются со значением поверхностной энергии твердых

тором, определяющим эксплуатационные характеристики уз­ ла трения, является качество поверхности.

При приработке узлов трения качество поверхностей улуч­ шается; при установившемся процессе трения служебные ха­ рактеристики поверхностного слоя сохраняются; при наруше­ нии нормальных условий работы деталей машин поверхности разрабатываются и качество поверхностного слоя ухудшается. В связи с этим можно различать два основных вида механи­ ческого взаимодействия па контакте: смятие неровностей и выглаживание поверхностей, н вдавливание выступов в по­ верхностный слой и его разрыхление.

Экспериментальные исследования и анализ условий эк­ сплуатации машин показал, что величина износа на одном и том же пути скольжения и-за одинаковое время работы мо­ жет изменяться в широких пределах (таблица).

Таблица

Резкое различие в значениях коэффициента износа опре­ деляется прежде всего в том, что нагружение контакта про­ исходит на пятнах фактического касания поверхностей, а раз­ рушению (преобразованию) .подвергаются рабочие поверх­ ности, которые в одних случаях соизмеримы с фактической

6

площадью касания, а в других — с номинальной поверхностью взаимодействия твердых тел.

С другой стороны, макроскопические закономерности про­ цесса трения и изнашивания твердых тел сложным образом зависят от микроскопических свойств материалов, предопре­ деляющих характер разрушения контакта.

Поэтому отправным при исследовании процесса сопротив­ ления и разрушения фрикционного слоя является выбор мо­ делей структурного и геометрического строения контакта и отдельных выступов на поверхности.

Многочисленные экспериментальные исследования пока­ зывают, что процессы, происходящие в контактных зонах и * предшествующие разрушению материалов, вызваны жизнеде­ ятельностью дислокаций и других дефектов, которые дробят структуру поверхностного слоя на отдельные блоки — микро­ объекты (консуматоры), размеры которых значительно пре­ восходят атомно-молекулярные масштабы.

Первым дал оценку размеру некогерентного выделения Брукс в 1952 г. По Бруксу критический размер некогерентно­ го выделения пропорционален размеру элементарной ячейки и обратно пропорционален размеру дефекта в строении ре­ шетки и составляет порядка 0,1 мкм. Полученная оценка яв­ ляется приближенной, так как не учитывает прочностные ха­ рактеристики материалов.

По Фриделю энергия упругих искажений пропорциональ­

где о — различие в параметрах строения решетки. Так как энергия поверхности раздела, возникающая от нарушения ко­ герентности, составляет

где U20 — удельная поверхностная энергия, то отсюда можно найти критический размер г некогерентного выделения час­ тиц. Имеем при

7

Пусть t/o0 = 500 эрг/см2 и различие в размерах параметров решётки не превосходит 1%, тогда при G = 4- 1011 дин/см2 критический размер частицы составляет 0, 5 мкм.

Такого же порядка составляет расстояние между зонами разрушения в различных сталях в исследованиях Путтика (1957). Из работ Кода и Такеяма (1956), линии скольжения огибали выделения в сплавах па расстоянии 2 мкм. По дан­ ным Никлсопа (1960), в частицах размера порядка 1 мкм от­ сутствуют признаки дислокаций.

Однако можно привести исследования, указывающие, что размеры отдельных блоков могут быть и меньшими. Так, зо-

О

пы Гииье-Престона (1961) составляют порядка 200 А, по Са­ то и Келли (1961) средний диаметр выделений не превосхо-

О

дит 200 А, размеры отдельных частиц в сплавах меди, подан­ ным Лингвннгстона (1958) и Глена (1960), тоже не превосхо-

О

■дят 200 А. Из исследований Эшблн (1961) размеры окиспых

О

частиц могут достигать чуть больших значений — 1000 А. Из исследований Мотта-Набарро следует, что расстояния

О

между частицами составляют порядка 100 А. По этой теории движущиеся дислокации не нарушают состояние отдельной частицы и, следовательно, не упрочняют материал, если раз­ мер ее не превосходит значения

d<29* п.51

T .U n

Отсюда, для меди и алюминия размер частицы соответствен-

О

но составляет 500—400 А.

Из приведенных работ следует, что средний размер от­ дельных блоков включений составляет 0,1—0,01 мкы. Такого же порядка размеров частиц наблюдали П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин и В. Лихтман при самопроизвольном дисперги­ ровании среды под действием поверхностно-активных веществ, снижавших межфазную поверхностную энергию материала

[21].

Совершенно иные значения имеют частицы при развитых пластических деформациях на контакте и при абразивном изнашивании поверхностных слоев. Так, по исследованиям Рабиновича (1961), размеры частиц при безабразивиом изна­ шивании определяются из зависимости

8

где Н ■— твердость поверхностного слоя. Из этой формулы следует, что размеры частиц составляют порядка 10 мкм. Фи­ зико-статистический анализ абразивного диспергирования по­ верхностей позволил Л. С. Цеснеку (1968) получить расчет­ ную зависимость для оценки размеров частиц износа

где Г — постоянная Грюн'айзепа. Расчеты, выполненные по этой формуле, показали, что размеры диспергированных час­ тицсоставляют десятки и даже сотни микрон.

Механизмы разрушения твердых тел

Наибольшее распространение получил механизм разруше­ ния твердых тел, связанный с ролью поверхностной энергии. По Гриффитсу разрушение твердых тел наблюдается тогда, когда упругая энергия нагружения превосходит поверхност­ ную энергию. Тогда происходит нарушение равновесия име­ ющихся в твердом теле микротрещин, которые, распространя­ ясь, выходят на поверхность и вызывают отделение частиц материала. Дополнением к этой теории явились исследования Орована, который учитывал роль энергии местных пласти­ ческих деформаций в зонах, прилегающих к поверхностям отдельных микротрещин. По этой теории величину межфаз­ ной удельной поверхностной энергии можно принять равной удельной энергии пластической деформации, которая в сред­ нем на несколько порядков выше удельной свободной поверх­ ностной энергии. Тогда линейный размер отделившихся час­ тиц из формулы

( 1.8)

при U°(p) = 106 зрг/см2 и приложенном напряжении а до

100 дан/мм2 составляет порядка 0,1 мм. Если же не учитывать роль пластических деформаций на межфазных границах н принять значение удельной поверхностной энергии равной 102-f3 эрг/см2, то из предыдущего соотношения размеры частиц получаются равными порядка 0,1 мкм. Из этого анализа сле­ дует, что пластические деформации в реальном твердом теле способствуют значительным сдвигам, которые, по исследова­ ниям М. Я. Леонова, способны «вырезать» отдельные зоны, деформирующиеся впоследствии по законам теории упругости.

9