Лекция №5

1. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ИЗНОС

Влияние нагрузки

В уравнениях (2.1) — (2.4) величина износа пропорциональ­на нагрузке. Это кажется логичным, так как в условиях пласти­ческого контакта истинная площадь касания пропорциональна нагрузке, а износ происходит на этой площади. Можно было предполагать, что в условиях упругого контакта площадь касания будет пропорциональна нагрузке в степени, меньшей едини­цы, например для единичной сферы, или хотя бы близка к едини­це за счет множественности упругих контактов (как это показано выше). Однако оказалось, что износ про­порционален нагрузке в степени, значительно превышающей единицу.

Исследование Kayaba посвящено экспериментальному определению износа и трения подшипниковых материалов как

/ 2 3 k 5 6 7

Удельная нагрузка

Рис.8, Зависимость интенсивности износа от нагрузки для подшипниковых материалов (по Кайаба)

всухую, так и при смазке. Исследования производились с оловянинстыми и алюминиевыми сплавами при трении их по стали, причем во всех случаях имела место зависимость , где А — коэффициент пропорциональности; n> I.

Для алюминиевых сплавов при давлениях свыше 3 кГ/см² значение п увеличивалось до 3. Испытания проводились на коль­цевых образцах, трущихся торцами (схема машины И-47), при малых давлениях, иногда 1 кГ/см². Наружный диаметр колец составлял 20 мм, внутренний 16 мм, высота образца 40 мм. Ре­зультаты экспериментов приведены на рис.8.

Б. Саар, исследуя износ сталей при трении их по абразиву, закрепленному и свободно уплотненному, показал, что для за­крепления абразива износ пропорционален нагрузке в первой степени, тогда как для абразивной массы песка показатель сте­пени оказался равным 2—3. В. Н. Ткачев, исследуя износ лемехов, установил, что их из­нос пропорционален нагрузке в степени большей единицы.

Зависимость износа от нагрузки для ряда полимерных мате­риалов была изучена С. Б. Ратнером, Е. С. Клитеником и Е. Г. Лурье . Ими показано, что

(2.5)

где I₁ — износ при нагрузке q_a = 1 кГ/см².

Коэффициент а всегда больше еди­ницы.

Результаты этих и многих других исследований, установив­ших, что износ растет пропорционально нагрузке в степени боль­шей единицы, очевидно можно объяснить тем, что износ опреде­ляется не только числом контактов, но и характером процессов, протекающих на контактах, причем характер этих процессов существенно зависит от давления.

Зависимость износа от нагрузки в общем виде

(2.6 )

По мере увеличения нагрузки показатель степени при q уменьшается, стремясь к единице, а множитель К — увеличива­ется, т. е. наиболее чувствительным к нагрузке является износ при

упругом контакте в области малых давлений, абсолютная же величина / в результате роста К

при больших давлениях много больше.

Это положение относится к объемному износу самого мате­риала. Применительно к износу пленок (окислов), имеющему ме­сто только при малых нагрузках, по теоретическим исследовани­ям Иошимоты показатель степени меньше единицы (0,5), и уро­вень самого износа зависит от активности окисляющей среды.

2. УСТАЛОСТНАЯ ТЕОРИЯ ИЗНОСА

В настоящее время мы располагаем большим количеством ра­бот, посвященных 'влиянию отдельных факторов на износ. В свя­зи с этим назрела необходимость сформулировать некоторые об­щие концепции, раскрывающие природу износа, и на их основе построить расчетные зависимости, позволяющие управлять про­цессом износа. Одной из таких концепций является усталостная теория износа. Дадим краткое ее изложение.

Физическая картина износа. Некоторые подтверждения усталостной природы износа

Две прижатые одна к другой поверхности скользят. Мы зна­ем, что контакт дискретен — взаимодействуют отдельные точки, расположенные в зонах контурных площадей. В зависимости от глубины внедрения и состояния поверхностей могут иметь место все описанные выше пять видов нарушения фрикционных свя­зей. Однако, если скольжение осуществляется без задиров и не­посредственного резания поверхностей, то 5-й и 3-й случаи нару­шения фрикционных связей можно не рассматривать.

Для нормального скольжения необходимо обеспечить поло­жительный градиент механических свойств по глубине. Это воз­можно только при образовании на поверхностях пленок, которые предохраняют основной материал от прямого соприкосновения. Пленка, разделяющая поверхности, является совершенно обяза­тельным условием скольжения. Если ее нет, неминуемо глубин­ное вырывание.

В условиях сухого трения пленка окисла, которая возникает на поверхности, увеличивается по толщине до определенной ве­личины, отшелушивается, растет снова и т. д. Эта пленка всту­пает в молекулярное взаимодействие с пленкой другой поверхно­сти. Пленки защищают основной материал от глубинного выры­вания, однако не защищают основной материал от де­формации, которую он ис­пытывает при скольжении по нему внедрившегося вы­ступа. Каждый выступ го­нит перед собой волну, де­формируя материал. Он'сжи­мает его перед индентором, растягивая его на некотором расстоянии впереди ипдентора (гребень волны) и зна­чительно его растягивая за индентором(за счет силы трения). Таким образом, каждое сечение истираемого тела последовательно под­вергается сжимающим и растягивающим напряжени­ям. Этот эффект был впер­вые детально описан и экспериментально зафиксирован А. С. Радчиком и В. С. Радчиком , констатировавшими изме­нение знака деформации истираемого образца в контактной зо­не (рис.9).

Повторнодействующая нагрузка на поверхность, если она да­же достаточно мала, может привести к усталостному разруше­нию поверхности. Металл (да и любые другие твердые тела} ни­когда не бывает однороден. Усталостные трещины возникают на дефектах, всегда имеющихся в твердом теле. Они связаны как со структурой металла (вакансии в кристаллической решетке, границы блоков), так и со следами обработки — царапинами и, наконец, с металлургическими дефектами — усадочными порами, газовыми пузырями, включениями шлака, резкой неоднородно­стью размеров кристаллов, различием в твердости и др. Трещи­ны, постепенно смыкаясь, могут привести к образованию части­цы износа . И, наконец, если инденторпогрузится на глубину, превышающую порог внешнего трения, то будет наблю­даться процесс микрорезания, съем стружки.

Рис. 9. Схема установки для определения деформации поверх­ностных слоев при трении сколь­жения: / — ползун; 2 — плоскость

В общем случае износ может возникать в результате усталости основного материала и отшелушивания пленки окисла (тоже по существу усталостного процесса).

Если имеется пленка смазки, то усталостное разрушение всеравно может иметь место, так как смазка не устраняет нагрузку нa поверхность, а лишь выравнивает ее. Весьма важным является то обстоятельство, что при смазке снижается сила трения, а следовательно, растягивающее напряжение, от которого в основном усталостное разрушение. Однако число циклов значи­тельно не возрастает; так, 10⁷—10⁸ циклов приводит к разрушению ре­ального материала за счет его неод­нородности даже при весьма малых напряжениях. Были поставлены модель­ные опыты по изучению явления фрикционной контактной усталости. Для этого был построен специаль­ный прибор — циклометр. При­бор представляет собой единичный неподвижный сферический индентор, прижатый определенным весом к скользящему под ним диску из испытуемого материала.

Наблю­дения показали, что материал разрушается не сразу. Вначале индентор пропахивает себе дорожку, затем он длительное время скользит, не производя заметных изменений на поверхности тре­ния, и, наконец, с определенного цикла индентор начинает дви­гаться как бы по бугристой поверхности. Этот момент времени соответствует наиболее интенсивному отделению частиц износа с поверхности образца.

Характер процесса изнашивания в зависимости от числа цик­лов воздействия индентора на поверхность образца см. / 2 /

Были поставлены модельные "опыты по фрикционно-контактной усталости» , в которых сферический индентор скользил по поверхности резины, в результате чего после некоторого количе­ства циклов развивалась определенная картина разрушения.В результате этих опытов были получены кривые фрикционно-контактной усталости.

Из этих результатов можно заключить, что приведенное контактное напряжение пропорционально удельной силе трения т. е. силе трения Т, отнесенной к площади фактического каса­ния A_ri:

(2.7)

Это соотношение получено Е. Ф. Непомнящим на основе ана­лиза решения контактной задачи М. М. Савериным .Коэффи­циент К характеризует напряженное состояние и зависит от при­роды материала.

Для подтверждения возможности чисто усталостного износа без режущего действия неровностей контртела были поставлены Г. М. Харачем следующие два эксперимента. На фрикционном циклометре осуществлялся износ кадмиевого покрытия, нанесен­ного на металлическую пластинку стальным шариком диаметром 2 мм, при контактном давлении по Герцу 7000 кГ/см². В первом случае обеспечивался непосредственный контакт шарика с по­крытием; при этом частицы износа появлялись па 140—160-м цик­ле. Во втором случае между индентором и покрытием проклады­валась бумажная калька и число циклов возросло примерно в 10 раз и составило 1200—1400 циклов. Естественно, что число циклов возросло, так как величина растягивающих напряжений, действующих на кадмий, вследствие наличия бумажной кальки уменьшилось. Если бы кальку смазать со стороны индентора ка­ким-либо маслом, то, вероятно, число циклов возросло бы еще более. Прямые наблюдения по разрушению материала в резуль­тате передеформирования были осуществлены С. Л. Наумовым и И. В. Южаковым .

Наумов исследовал воздействие отдельной частицы на изна­шиваемую поверхность. Он широко варьировал отношения твердостей поверхности и абразивной частицы. Это отношение (К₁) изменялось от 0,1 до 60. При K₁<\ имеет место абразивный из­нос, который, как он выяснил, происходит в основном из-за уста­лостного разрушения поверхностного слоя. При K₁>\ износ про­исходит в основном 'в результате сдирания пленки, образующей­ся на поверхности. Проводя испытания в водных растворах раз­личного состава, оцениваемых им по концентрации водородных ионов рН, изменяемой от 1 до 13, Наумов при трении текстолита о металл (K₁> 10) получил данные, приведенные на рис.10.

Как видим, наибольшую износостойкость в кислых средах (концентрация менее 7) имеет хромированная сталь, наимень­шую— сталь 45. В щелочных средах это различие сглаживается, поскольку там отсутствует легко сдирающаяся пленка окисла.

И. В. Южаков отчетливо показал, что при царапании абрази­вомметалла имеет место не только образование микростружек, но и наличие пластически деформированных микрообъемов, об­разование трещин и разрывов, т. е. образование зоны предразрушения, которая при повторных воздействиях приводит к отделе­нию материала.

Наличие трещин предразрушения было также неоднократно констатировано П. Н. Львовым .

Clark иLancaster , исследуя износ угольных щеток для электрических машин, установили, что износ носит усталостный характер.

Использование метода радиоактивныхизотопов в известной мере может подтвердить или опровергнуть предлагаемую нами усталостную теорию износа. Если взять радиоактивный индентор,предельно однородьщД, касающийся по минимальной пло­щадке (в целях повышения "однородности), то мы вправе пред­положить, что износ тако­го индептора при сколь­жении- его по контртелу будет иметь периодиче­ский характер

В исследовании Б. Д. Лазебника был изу­чен износ резцов, выпол­ненных из шести различ­ных твердых сплавов при обработке ими сталей 45, 40Х, 18ХГТ и ЭИ69. Он установил, чтоприлюбых взаимодействующихпа­рахнаблюдаетсячередо­ваниеследов намазывания и отсутствие намазывания.

Следынамазыва­ниямогут бытьнепрерывными или прерывистыми, пятенными.

Пятенное намазывание

наблюдалось во всех

Рис. 10 Зависимость интенсивности

из­носа в условных единицах от

величины водородного показателя

случаях. С нашей точки зрения, пятенное намазывание может быть объяснено толь­ко усталостным механизмом износа резца. На рис. 11 показан авторадиографический отпечаток, полученный с поверхности об­рабатываемой детали.

Подтверждение предлагаемой концепции усталостной природы износа видим также в работе, которую выполнили Kerridge и Lancaster . Они изучали посредством радиоактив­ных изотопов пятна касания, образующиеся частицы износа и размеры переносимых за счет адгезии частиц. Опыт показал, что образующиеся частицы износа значительно больше, чем диамет­ры пятен касания, а размеры переносимых в результате адгезии частиц на контртело имеют промежуточную между этими двумя размерами величину.

Если даже предположить, что вырываются куски большие, чем мостик сварки, то, во всяком случае, размер перенесенных частиц должен совпадать с частицами износа, что не имеет места

Если стоять на позиции усталостной природы износа, то ре­зультат, полученный Керриджем и Ланкастером, вполне объяс­ним. Деформированию и, следовательно, усталостному разруше­нию подвергается площадь касания и прилегающая к ней зона. Поэтому частицы износа больше пятен касания. Что касается перенесенных фрагментов, то они формируют лишь металличес­кую пленку на контртеле, которая удаляется также в результате усталостного износа.

а) б)

Рис. 11. Следы намазывания твердого сплина:

а — цилиндрический образец; б — торцовый образец

Данные Керриджа и Ланкастера получены при изнашивании латунного прутка по стеллиту (диаметр прутка 5 мм, нагрузка 2,5 кГ, трение сухое).

Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.5, с.189-207 ] .

Контрольные вопросы

1.Приведите формулу зависимости износа от нагрузки в общем виде?

2.К чему пропорционально приведенное контактное напряжение?

3.Какой характер носит износ угольных щеток для электрических машин?