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

Какую величину следует принять за приведенный радиус общего выступа? Здесь можно указать два пути для модели­ рования.

Первый путь связан с выбором такой модели, у которой высота общего выступа равнялась бы максимальной высоте одного из исходных выступов (в данном случае — пятого).

Второй путь связан с выбором такой модели, у которой количество вещества в принятых моделях равнялось бы коли­ честву вещества в исходных выступах.

Радиусы закругления вершин при указанных способах мо­ делирования получаются различными. При втором пути моде­ лирования радиус закругления вершины модели больше, чем при первом пути моделирования.

Видимо, истинный радиус вершины модели должен рав­ няться некоторой средней величине двух различных радиусов.

Однако следует иметь в виду, что профилограмма поверх­ ности является искаженной. Действительный профиль поверх­ ности представляет сильно вытянутую с малыми амплитудами (высотами выступов) синусоиды. И чем тоньше обработана поверхность, тем амплитуда у синусоиды меньше. В таких ус­ ловиях моделирование по второму пути теряет смысл. '

Поэтому можно рекомендовать для гладких поверхностей моделирование по первому пути — по пути приравнивания высоты модели к максимальной высоте одного из исходных выступов.

Для грубых поверхностей можно рекомендовать второй путь моделирования—путь, при котором количество вещества моделей приравнивается к количеству вещества исходных вы­ ступов.

Рассмотрим методику расчета радиуса закругления вер­ шимы единичной модели (рис. 8). _

Рис. 8.

23

Данная методика в равной мере относится как к линейной, так и к точечной модели.

Различие в расчете заключается в том, что для призмати­ ческой модели в основании находится прямоугольник с ши­ риной b (л), а для конической модели в основании находится круг диаметра Ь(к).

Из фигуры 8 следует, что

Отсюда

OM = FD HF -OF

KF

или

Приравниваем значения ОМ в формулах (*) и (**). По­ лучим

/ ? =

2 tg -н-

Так как

то

R

2 t g |

24

или

tgß-tjf-g-

Из формулы (2.2) следует, что радиус закругления верши­ ны модели единичной неровности зависит от угла ß профиля с горизонтом.

Для пологого профиля этот угол мал, и радиус закругления вершины может достигать заметных значений. Для крутого профиля угол ß имеет большие значения и, следовательно, ра­ диус закругления вершины для этих поверхностей имеет мень­ шую величину.

Выполненные расчеты показывают, что если радиусы за­ кругления для третьего приближения составляют микроны, то для второго и первого приближений они соответственно изме­ ряются десятками и сотнями микрон.

Из приведенных профнлограмм можно установить и вели­ чины отклонений (доверительные интервалы) радиусов за­ круглений вершин отдельных выступов от среднего значения.

В нашем расчете отклонения и квадраты отклонений от произвольно выбранного значения Д0=150 мкм составляют:

грамм для различных классов чистоты поверхностей.

25

Таблица 4

Значения R

2.3. Структура поверхностного слоя

Физико-механические свойства поверхностных слоев преж­ де всего определяются свойствами тела в объеме и условиями, при которых данная поверхность получена. К этим условиям относятся вид обработки поверхности и влияние окружающей среды, скорость обработки и давление, температурные харак­ теристики материалов и геометрическая форма контакта.

При механических воздействиях возникают различного ро­ да деформации в поверхностных слоях поликристаллических тел, которые приводят к изменению и разрушению первона­ чальной структуры. Изменение структуры проникает па глу­ бину от поверхности и охватывает некоторый объем материа­ ла, называемый деформированной зоной. Глубина искажения кристаллической решетки измеряется в микронах и может до­ стигать значительных размеров. В результате измельчения кристаллов и разрушения ее структуры отдельные частицы ма­ териальной поверхности приходят в беспорядочное расположе­ ние.

Создающаяся неоднородность в строении тела становится особенно заметной у его поверхности. В результате поверх­ ностный слой приобретает свойства иные, чем те, которыми обладает материалов объеме. Объясняется это тем, что атомы кристаллической решетки у поверхности испытывают различ­ ные воздействия со стороны соседних атомов и окружающей среды; атомы же кристаллической решетки внутри объема те­ ла находятся в условиях равномерного воздействия со сторо­ ны соседних атомов.

Создающаяся неуравновешенность в раздробленной крис­ таллической решетке в поверхностном слое приводит к тому, что на поверхности тела возникает поверхностное натяжение, изменяющее физические свойства и структуру материала [1].

26

Ослабление поверхностного слоя в основном происходит в границах отдельных выступов шероховатых поверхностей и не распространяется на основную толщу металла.

Отдельные неровности ослабленных поверхностных слоев легко поддаются при трении деформированию.

Структура поверхностного слоя, как показывают многочис­ ленные исследования, состоит из трех различных по виду и свойствам тонких подслоев (рис. 9). -

Рис. 9

Верхняя тонкая прослойка 1 (толщиной в 2—3 ангстрема) представляет тоненькую пленочку адсорбированных газов из атмосферы. Внешний вид, размеры и свойства этой прослойки от вида обработки поверхности не зависят.

Эта прослойка неизменно удерживается на поверхности ме­ талла и не поддается даже самым тщательным тонким обра­ боткам. Вслед за этой прослоечной располагается несколько более толстая прослойка 2 различных окислов, нитридов и обезуглероженных частиц металла. Средняя толщина про­ слойки не превосходит 20—30 ангстрем. Ее размеры, в отли­ чие от первой прослойки-, определяются видом обработки по­ верхности.

Для чистых поверхностей окисный слой, как правило, тонь­ ше, чем для грубых поверхностей. Образование различных пленок окислов связано с тем, что на чистой поверхности атомы кристаллической решетки находятся в активном со­ стоянии и при нормальной температуре притягивают различ­ ные вещества из окружающей среды.

Твердость окислов металла значительно выше твердости металла. В таблице 5, по данным Р. Ф. Тайлэкота, приведены значения отношений твердости окислов к твердости металла (по шкале Мооса).

27

Подобную сравнительную таблицу 6 значений твердостей

Разрушить пленку, даже при значительной нагрузке, труд­ но. Удалить пленку можно продолжительной и тщательной очисткой поверхности (нагреванием в вакууме до высоких тем­ ператур или воздействиями адсорбирующими веществами. Окисная пленка на поверхности образуется очень быстро, в среднем в течение 0,1 секунды. Скорость роста толщины плен­ ки составляет 1 ангстрем за 0,001 -У0,004 секунды в зависимо­ сти от ее толщины. Наличие пленок меняет структуру поверх­ ностного слоя, изменяются физические свойства поверхности, меняются и силы атомарно-молекулярного или адгезионного взаимодействия. При отсутствии пленок поверхности при кон­ тактировании «схватывались» бы и скольжение становилось бы затруднительным. Исключительную роль играют пленки в вопросах разрушения контакта и износостойкости поверхно­ стей.

Третий слой поверхности состоит из деформированных зе­ рен металла. Его размеры на несколько порядков отличаются от размеров верхних прослоек адсорбированных газов и окисных пленок. Размеры и свойства этого слоя также определя­ ются видом обработки поверхности. Для шлифованных поверх­ ностей толщина слоя составляет 5—10 микрон, ,для полиро­ ванных— 1—2 микрона. В слое шлифованной поверхности

28

встречаются карбиды металла, выделяющиеся под действием высоких температур, неизменно сопровождающих процесс шлифования. Располагаясь по граням отдельных зерен, кар­ биды металла сообщают слою поверхности хрупкие свойства.

Вслед за ослабленным поверхностным слоем располагает­ ся упрочненная зона материала. Проявление упрочненной зо­ ны обусловлено сжатием материала при механической обра­ ботке поверхности. В этой зоне материал обладает механиче­ скими характеристиками, более высокими по сравнению с ха­ рактеристиками основной массы. Глубина упрочненной зоны значительно превышает толщину ослабленных поверхностных слоев и составляет сотни микрон. При трении глубина накле­ панной зоны увеличивается в 2—3 раза. Глубина наклепанной зоны под гребешками отдельных неровностей больше, чем под впадинами. При наличии волнистости наблюдается уменьшение глубины упрочненной зоны под вершинами волн и увеличение глубины под впадинами. Этот результат можно объяснить из­ менением направлений сил инерции, возникающих при сило­ вом воздействии. Микротвердость материалов в наклепанной зоне может изменяться на 50 %' и больше.

Огромную роль на свойства поверхностного слоя и накле­ панной зоны оказывают температурные режимы.

Разогретый в поверхностном слое металл стремится увели­ чить объем при обработке изделия. Этому препятствуют ниже­ лежащие слои, нагретые в меньшей степени.

После обработки происходят обратные явления: вышеле­ жащие слои охлаждаются быстрее нижележащих. В резуль­ тате в наружных обработанных слоях происходит перераспре­ деление напряжений.

Поверхностные слои испытывают и фазовые превращения,

Например, при распаде аустенита и образовании мартенси­ та появляются остаточные сжимающие напряжения, так как удельный объем аустенита меньше удельного объема мартен­ сита.

Ослабленный обработкой поверхностный слой и наклепан­ ная деформацией нижележащая зона создают переменные по глубине физико-механические свойства материала.

являться предел текучести материала на сдвиг и сжатие.

29