Лекция №2
1. ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Изменения, вызванные деформацией
Как было отмечено, в связи с дискретностью касания и неоднородностью твердости отдельных контактирующих выступов происходит взаимное внедрение, которое при тангенциальном перемещении приводит к образованию царапины.
Глубина зоны, в которой происходит изменение материала, зависит от вида деформации(упругой, пластической) иинтенсивности теплового воздействия.
В процессе деформирования во всех случаях материал наклёпывается и его твердость повышается до величины, соответствующей сильно упрочненному металлу.
При повторном царапании без отделения частиц износа сначала наблюдается продольное выглаживание поверхности и образование строчечной структуры (рис. 3, а, б), затем, после использования всех плоскостей скольжения, металл приходит в состояние перенаклепа, становится хрупким и разрушается (рис.4). Многократные растягивающие напряжения, возникающие в поверхностном слое под действием сил трения, приводят к образованию микротрещин на поверхности, которые, постепенно разрастаясь, образуют частицы износа.
Рис. 3. Изменения, возникающие в поверхностном слое стального рельса под влиянием трения (Х300):
а — поперечное сечение отслоившегося слоя; б — структура поверхностного слоя
| Рис. 4. Возникновение частиц износа (отделение пленки) |
Изменения, вызванные повышением температуры контактов. Роль циклических структурных превращений
Если температура контактов в результате трения или по условиям работы выше температуры возврата и, тем более, температуры рекристаллизации сплава, то вместо упрочнения поверхностные слои приобретают повышенную пластичность. Под воздействием царапающих элементов поверхностный слой разогревается, деформация локализируется в тонком поверхностном слое и поверхность выглаживается. Такого рода изменения наблюдал Б. И. Костецкий на многих деталях (шейке вала, стенке цилиндра и т. д.). При этом различаются два вида изменений.
Первый вид заключается в приведении поверхностных слоев в постоянное состояние размягчения. Оно возникает, если температурный режим на поверхностях трения сохраняется относительно стабильным во время работы. При этом материал прогревается на значительную глубину, вызывая в некоторых случаях коагуляцию отдельных составляющих. Такой процесс наблюдал В. В. Чернышев при сухом трении кольцевых образцов, находящихся в непрерывном контакте (трение торцами) .
Второй вид изменений заключается в закалке поверхностного слоя. Он возможен, если температура сначала повышается отдельными вспышками и является достаточно высокой, чтобы растворить составляющие сплавы, затем происходит такое же мгновенное охлаждение. При дальнейшем скольжении процесс может повторяться.
Влияние градиента температуры на изменение поверхностных слоев
Применительно к изменениям, протекающим в поверхностных слоях металлов при трении, существенным является наличие градиента температуры, возникающего при трении, который приводит к градиенту механических свойств и диффузионным процессам.
И. А. Одинг выражает скорость диффузии в зависимости от градиентов концентраций температур, упругой деформации следующим образом:
, ( 1.4 )
где
Dc – коэффициент диффузии;
C – концентрация;
e — деформация;
J — температура;
De и DJ — коэффициенты пропорциональности.
Температурный градиент в теле вызывает остаточные напряжения растяжения в поверхностном слое при его охлаждении, а при мартенситных превращениях (при втором виде изменений) на эти напряжения накладываются напряжения сжатия, и общая напряженность снижается. Тем не менее, действующие напряжения могут привести к постепенному разрыхлению материала у поверхности трения и его усталостному разрушению в результате образования ультрамикротрещин.
Влияние напряженного состояния на изменение поверхностных слоев
Под влиянием сжимающего напряжения и сил трения в напряженном объеме могут значительно изменяться как механические свойства материалов, так и их структура и характер процессов, протекающих под влиянием окружающей среды. Широко известны исследования Б. Д. Грозина , показавшего, что под влиянием объемного неравномерного напряженного состояния даже весьма хрупкие тела проявляют высокую пластичность. Подобное напряженное состояние возникает при трении..
Как отмечает Б. Д. Грозин , при малых площадях контакта массивных твердых тел пластическая деформация зависит от высоты и диаметра выступающих контактных объемов, и для реальных выступов, имеющихся на поверхностях твердых тел, приближается по своему характеру к всестороннему сжатию. Под влиянием пластических деформаций в материале происходят структурные изменения. Как известно, материал, подвергнутый значительной пластической деформации, легче окисляется .
Изменения, вызванные химическим действием окружающей среды
Нагрев контактов обычно сопровождается диффузионными процессами, чрезвычайно облегченными высокой температурой и пластическим течением металла. Диффузия становится заметной в обычных условиях, если металл в процессе трения не сразу предельно наклёпывается, и пластическое течение может повторяться многократно. Характер протекания этого процесса не отличается от описанного для изменений, вызванных только повышением температуры. При относительно стабильно высокой температуре продукты насыщения образуют химические соединения, постепенно полностью насыщающие поверхностный слой и приводящие его в твердое хрупкое состояние. После этого происходит интенсивное разрушение образовавшейся пленки (рис.5), обнажаются новые слои металла, и цикл повторяется.
Рис. 5. Металлокерамика ФМК-8 с отслоившимися окиснымп пленками после работы в дисковом тормозе
Большое значение имеет образование на поверхностях трения металлов пленок окислов. Окислы образуются весьма быстро. Все пленки, как правило, обладают значительной хрупкостью, которая особенно интенсивно проявляется при достижении ими достаточной
толщины; так как постоянная кристаллической решетки металла обычно не совпадает с постоянной пленки окисла, то пленка растрескивается по мере увеличения ее толщины.
Пленка окисла имеет иную твердость, чем металл. Все это приводит к тому, что при трении с поверхности металлического тела она удаляется легче, чем металл. Металл обнажается, на нем вновь образуется пленка окисла, и изнашивание происходит в результате удаления окисленного слоя металла. Следует учесть, как указывает Fink , что пластическая деформация металла резко увеличивает способность его к окислению. На поверхности металла практически мгновенно образуется тонкий слой окисла толщиной 10—15 А
2. ПЕРЕНОС МАТЕРИИ НА КОНТРТЕЛО
Макроперенос
В некоторых случаях тонкий слой металла переносится с одного трущегося тела на другое даже при наличии смазки. Этот процесс много десятилетий назад был установлен на паре стальной вал — бронзовый подшипник по легкому налету бронзы. Позже (1955—1963 гг.) наличие такого переноса обнаружили с помощью радиоактивных изотопов Kerridge , Archard,Hirst ; Lancaster .
Исследования Н. А. Буше показали, что при нормальной работе подшипников на поверхность твердого контртела переносится тонкий слой мягкой составляющей. Д. Н. Гаркунов установил, что фрикционное латунирование, т. е. перенесение на стальную поверхность тонкого слоя латуни путем обработки ее тупым резцом из латуни, резко снижает износ. Причину этого переноса английские исследователи видят в образовании мостиков сварки и разрыва последних.
Перенос возможен также за счет усталостного отделения частиц с поверхности твердого тела и прилипания их к контртслу. Каков этот механизм, определенно сказать трудно. Однако очевидно, что подобная пленка часто существует, и наличие такой пленки из более мягкого материала создает положительный градиент механических свойств, что является необходимым условием нормального трения и износа, так как в этом случае исключается схватывание с глубинным вырыванием.
Микроперенос
Д. Н. Гаркуновым обнаружено при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди (глицерин, спирто-глицериновая смесь), явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения. Это явление характеризуется низким коэффициентом трения (равным жидкостному), высоким классом чистоты поверхности (до 14-го класса) и почти полным отсутствием износа поверхностей . Описанный эффект был назван взаимным избирательным переносом при трении.
Механизм этого процесса, исследованный совместно с А. А. Поляковым, заключается в следующем. В первый период работы пары поверхность медного сплава подвергается избирательному растворению.
Из сплава, имеющего гетерогенную структуру, или из однородного твердого раствора избирательно растворяются Zn, Sn, Fe и другие анодные легирующие элементы. Поверхность трения при этом обогащается медью. Глицерин, действуя как слабая кислота, протравливает поверхность медного сплава. Образование травленой поверхности можно наблюдать как при трении о не металл (фетр), так и о металл (сталь).
Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.1, с.5-20 ] .
Контрольные вопросы
1. В каких пределах изменяется шаг волны?
2. Какие следует различать три последовательных этапа ,при анализе процесса трения и износа?
3. Что такое пятна косания?