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

повышение контактного давления в передней части контакта. Повышение контактного давления и наличие хрупкой окисной пленки в пограничной зоне приводят при многократных воздействиях к ее разрушению и износу фрикционного кон­ такта.

Для материалов с ГПУ структурой повышение нормаль­ ного давления в передней части контакта может быть более значительным, чем для материалов с кубическим строением. Поэтому материалы с ГПУ структурой (например, цинк) име­ ли тенденцию слабее сопротивляться действующим нагрузкам при т.рении, чем материалы с ГЦК структурой (напри­ мер, медь).

На процесс разрушения контакта оказывают влияние фи­ зико-химические свойства материалов. В присутствии неболь­ шого количества па контакте олеиновой кислоты износ по­ верхностей увеличивается.

На прочность контакта оказывает влияние и сравнитель­ ная твердость металлов и их окислов. Если твердость окис­ лов металлов мало отличается от твердости самого металла (табл. 5, 6), то сопротивление контакта разрушению при тре­ нии велико. При значительной разнице между твердостями

шение твердости окисла к твердости металла высокое) на его поверхности можно обнаружить следы хрупкого разрушения контакта. На контакте же медного образца (у которого от­ ношение твердостей значительно ниже) заметны следы вязко­ го течения материала. Характерные следы хрупкого и вязко­ го разрушения на поверхностях контакта представлены на рис. 21 и 22.

В заключение произведем -оценку количества нагружений,

68

которые вызывают колонизацию вакансии в передней части контакта. По данным теории диффузии, скорость движении («дрейфа») вакансий и время колонизации і(к) зависят от температуры, размера вакансий и перепада давлений. Пусть

О

размер вакансий 10 А, перепад давлений па пятне в 100 мкм Др=10 данімм2. Расчеты показывают, что при температуре

ние поверхностного слоя при трении, обусловленное разруше­ ниями контактов и потерей эксплуатационных характеристик узлом трения. Этому явлению предшествует изнашивание по­ верхностен, которое вызвано как необратимыми изменениями поверхностных слоев, так и преобразованиями геометрических

Способствуют процессу .изнашивания действующие перио­ дические нагрузки, изменение температуру контакта и влия­ ние окружающей среды. Периодические упругие деформации искажают кристаллическую решетку, расшатывают ее и ос­ лабляют действия межатомных связей. Пластические дефор­ мации неровностей вызывают разрыв межатомных связей и разрушают структуру материала в поверхностных слоях. .

Многократные изменения поверхностных слоев в конечном итоге приводят к его разрушению.

Многообразие факторов, влияющих на процесс 'изнашива­ ния твердых тел, способствовало тому, что появились различ­ ные классификации видов износа поверхностей трения (гла­ ва 1).

Визуальные наблюдения показывают, что результатом из­ нашивания являются сглаживание (истирание) неровностей или разрыхление (шаржирование) поверхностей.

Истирание — наиболее благоприятный процесс изнаши­ вания, обусловленный возникновением слабых фрикционных связей на -поверхности контакта. В этих условиях на поверх­ ности образуется высокодисшерсная кристаллическая струк­ тура. Поверхность прения при этом виде износа приобретает полированный вид. Процесс изнашивания в этих условиях идет непрерывно. Объясняется это тем, что образовавшиеся

69

свежие поверхности окисляются. А это приводит к возникно­ вению слабых поверхностных связей и их разрывам при сколь­ жении. Наблюдается истирание поверхностей при взаимодей­ ствии обратной фрикционной пары (контакт «шероховатой» деформированной поверхности и «гладкой» педеформнроваппой).

Шаржирований поверхности наблюдается при взаимодей­ ствии прямой фрикционной пары (контакт «шероховатой» недеформированной и «гладкой» деформированной поверх­ ностей). Проникая в недра поверхностного слоя, отдельные неровности твердой поверхности оттесняют материал от зоны контакта и вызьивдют его «передеформирование». В результа­ те многократных воздействий гладкая поверхность периоди­ чески разрушается и покрывается испещренными неровно­ стями.

При исследовании процесса трения шероховатых и дефор­ мированных тел их поверхности могут как прирабатываться (вследствие истирания), так и разрабатываться (вследствие шаржирования).

Этим видам износа предшествуют три рассмотренных вы­ ше основных вида разрушения фрикционных контактов: от­ слаивание, окалывание и вырывание.

Отслаивание — результат жизнедеятельности поверхност­ ного слоя. Развитие пластической деформации, особенно в ре­ жиме высоких температур, может приводить к оттеснению ма­ териала от поверхности контакта. На определенном этапе взаимодействия происходит затормаживание оттеснения ма­ териала поверхностного слоя и этим исчерпывается его спо­ собность к дальнейшему вязкошластическому течению. Обра­ зованные па поверхности трения наплывы не имеют былой прочной связи с основой материала и могут подвергаться от­ слаиванию.

Разрушение поверхности скалыванием может происходить при накоплении и развитии усталостных трещин, направлен­ ных как вдоль, так и поперек скольжения. Разрушение ока­ лыванием происходит как между зернами материала в местах концентрации напряжений, так и внутри зерен контакта. Скалывание может происходить и при однократном воздейст­ вии отдельной неровности более твердой поверхности по «мяг­ кой» гладкой основе контр, тела. К разрушению поверхности скалыванием относится и абразивное изнашивание отдельны­ ми твердыми частицами. Разновидностью скалывания явля­ ется выкрашивание. Выкрашиваться могут твердые структур’

70

ные составляющие мягкой основы сплава, различные графи­ товые включения, частицы антифрикционного материала, эле­ менты окисных пленок и другие ингредиенты, содержащиеся в поверхностном слое после его истирания или отслаивания.

Вырывание. Этот вид износа возникает при образовании сильных ,поверхностных связей, которые приводят к разру­ шению материал# на глубине контакта. Обусловлен этот вид износа действием слабых когезионных связей.

Схватывание сопряженных поверхностей в результате ад­ гезионного взаимодействия может привести к образованию налета из мягкого материала на поверхности твердого или твердого на поверхности мягкого материала. Такое явление переноса материала при трении, как и глубинное вырывание, является предвестником катастрофического износа.

Исследования показывают, что процесс изнашивания во времени можно характеризовать кривой, представленной на рис. 23, где по оси абсцисс откладывается время длительности процесса, а по оси ординат — величина среднего износа в микронах.

Из графика следует, что процесс изнашивания имеет три характерные стадии: стадию приработки 1, стадию установив­ шегося (стационарного) изнашивания II, стадию прогрессиру­ ющего изнашивания или стадию разрушения III *

Характерной особенностью процесса изнашивания в первой

* Анализ процесса изнашивания показывает, что стадии приработки

предшествует небольшой по времени инкубационный период, при котором интенсивность изнашивания растет.

71

стадии является сглаживание поверхностей трения и приспоеабливаемость контакта к действующим нагрузкам и темпе­ ратурам, Скорость изнашивания ів этой зоне со временем убывает. Обусловлено это тем, что па первой стадии касание поверхностен происходит по сферичеокпм вершинам наиболее высоких неровностей. В результате действующая нагрузка воспринимается малой площадью касания, и давления дости­ гают высоких значений. Это вызывает значительную пластиче­ скуюдеформацию материалов. Однако, интенсивное оминанпе выступов сглаживает неровности, и несущая поверхность увеличивается. В контакт вступает переходная коническая часть выступа. Это приводит к уменьшению величины кон­ тактных давлений и снижению скорости процесса изнашива­ ния.

Установившаяся стадия 'изнашивания происходит в отно­ сительно стационарных условиях. Сопряженные поверхности в этот период приработались, характер шероховатости почти не претерпевает изменений, п параметры сопротивления и из­ носа твердых тел имеют стабильные значения. Вызвано это тем, что параллельно со сглаживанием неровностей от истира­ ния поверхностных слоев происходит их отслаивание или пропахивание внедрившимися и образующимися продуктами износа вследствие окалывания частиц.

Скорость процесса сглаживания поверхностей со временем убывает, а скорость отслаивания или пропахивания поверх­ ностных слоев растет. По истечении некоторого времени эти скорости выравниваются. В этот момент наступает стадия ус­ тановившегося изнашивания, характеризующаяся тем, что создается стабильная неизменная шероховатость, присущая данному'процессу и условиям трения.

' Стадия установившегося процесса характеризуется по­ стоянной интенсивностью изнашивания поверхностей. Харак­ терной особенностью этой стадии является сохранность гео­ метрических параметров шероховатых поверхностей.

Третья стадия прогрессирующего износа характеризуется ростом скорости изнашивания, который приводит впослед­ ствии к катастрофическому износу — разрушению поверх­ ностей трения. Эта стадия изнашивания наступает в тот -мо­ мент, когда господствующим видом разрушения в зонах кон­ такта является скалывание ослабленных поверхностных сло­ ев, усиливающееся действие выкрошенных ингредиентов из из­ ношенной основы материала. На этой 'Стадии быстро увели­ чивается скорость разрушения, которая резко изменяет коли*

72

чественные характеристики процесса в связи с изменением физической картины явления.

В этом периоде качество поверхности резко изменяется, шероховатость увеличивается, возникают задиры, схватыва­ ние и вырыты значительных масс материала. Дальнейшая экс­ плуатация узла трения может привести к вырывай и катаст­ рофическому разрушению его поверхностей.

Обобщая, можно сделать следующий вывод. На первой стадии господствующим видом изнашивания поверхности яв­ ляется ее истирание, 'вторая стадия является переходной, на третьей — шаржирование. В соответствии с этим на первой стадии работают сферические вершины, на второй — переход­ ные конические части неровностей с увеличивающимися угла­ ми .конусности и на третьей — последней стадии — цилиндри­ ческие («стержневые») основания выступов (см. карту фрик­ ционного разрушения поверхностей, стр. 136).

Рассмотренный процесс изнашивания поверхностей при трении по своему характеру напоминает .процесс ползучести металлов, происходящий под нагрузкой при повышенных тем­ пературах, но ниже 0,3 температуры плавления Ѳ„.

Описывается процесс ползучести таким же графиком (рис. 23), как и процесс.'изнашивания. Различие заключается в том, что здесь по оси ординат откладывается величина де­ формации.

На первом начальном участке процесс ползучести проте­ кает с уменьшающейся скоростью и носит пеустаповившийся характер.

На втором участке скорость ползучести (угол наклона ка­ сательной к кривой с горизонтом) почти сохраняется неиз­ менной и процесс является установившимся. Третий этап пол­ зучести характеризуется нарушением в стабильности проте­ кания процесса. На графике вид ’кривой резко изменяется, что приводит к прогрессирующему процессу, нарушениям связей и разрушению тела.

Различие в видах кривой на отдельных участках опреде­ ляется сложностью процесса и разнообразием физической картины, сопровождающей ползучесть металлов.

Приведенная аналогия раскрывает хорошую возможность для привлечения теории ползучести к раскрытию закономер­ ностей изнашивания поверхностей при трении.

При формировании фрикционных связен пятна контакта*

* Ползучестью называется медленное н непрерывное накопление плас­ тической деформации тела при действии постоянного напряжения [14].

73

подвергаются силовым воздействиям, упрочняющим матери­ ал. При расформировании связей происходит разгрузка пятен контакта и разупрочнение материала. Разупрочнению мате­ риала способствует и нагревание поверхностей.

В первый период потенциальная энергия контактной зоны увеличивается за счет работы, совершаемой приложенными усилиями. Во второй период энергия в контактной зоне умень­ шается вследствие развития различных физико-химических процессов и возможных структурных превращений при проте­ кании пластической деформации.

Пусть зависимость между напряжением, деформацией и временем жизнедеятельности контакта представлена функ­ цией

При нагружении -контакта среднее напряжение увеличива­ ется, а при разгружении — убывает. Можно принять, что при определенных условиях релаксации приращенное за первый период напряжение полностью снимается во втором периоде.

Приравняем производную от напряжения по времени к нулю.

Получим

д е

Здесь Ѵ(р) и Ѵ(у) — соответственно скорости разупроч­ нения и упрочнения тероконтакта.

Из формулы (5.3) следует, что скорость деформации в контактной зоне с течением времени изменяется по сложному закону и зависит от характера протекания двух антагонисти­ ческих процессов — скорости упрочнения и скорости разупроч­ нения контакта.

Если скорость разупрочнения контакта больше скорости его упрочнения, то скорость деформации растет, и материал контакта переходит в режим вязкого течения. В этих услови­ ях следует ожидать -разрушение контакта вследствие отслаи­ вания верхних ослабленных слоев материала от его основы. При скорости разупрочнения контакта, меньшей скорости его

74