Лекция № 3
1. РАЗРУШЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ. ОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТИЦ ИЗНОСА
О природе разрушения твердых теп
Механизм разрушения твердых тел в большой мере зависит от вида материала (металлы, хрупкие тела, полимеры), вида нагружения,а также величины нагрузки, вызывающей разрушение. Следует различать механизм разрушения в условиях многократного и однократного воздействия. При многократном воздействии изучение этого механизма представляет особые трудности, так как материал изменяет свои свойства в процессе повторного нагружения.
Применительно к конструкционным материалам, металлам, условия разрушения при однократном воздействии рассмотрены Н. Н. Давиденковым и Я. Б. Фридманом .
Весьма эффективным является предлагаемый Я. Б. Фридманом критерий жесткости нагружения,представляющий собой отношение максимального касательного напряжения {ттах) к максимальномуприведенному растягивающему напряжению 5^ах.
Если нагружение жестко, т.е. , то разрушение происходит в результате отрыва материала, так как в материале скорее достигнется критическое напряжение отрыва. Если нагружение мягко, т. е.
, то разрушение осуществляется путем сдвига. Важно, что характер разрушения зависит в такой же мере от свойств материалов, как и от условий нагружения, что открывает пути правильного использования свойств материалов и выбора режима их эксплуатации.
Максимальная техническая прочность, т. е. максимальное нормальное к плоскости трещины растягивающее напряжение sк, выражается Гриффитсомследующим образом в зависимости от величины поверхностной энергии sн, модуля упругости материала E и длины трещины с:
( 1.5 )
Трещина будет самопроизвольно увеличиваться, когда уменьшение упругой энергии в образце за счет падения напряжения вокруг трещины в связи с ее ростом равно или больше увеличения потенциальной энергии, связанной с образованием поверхностей разрыва. Однако это справедливо лишь для идеально упругих тел. Если же тела обладают пластичностью, то освобождающаяся при раскрытии трещины упругая энергия будет расходоваться не на дальнейшее увеличение трещины, а на пластические течения. Это ограничивает приложение схемы Гриффитса.
В. И. Лихтман, Е. Д. Щукин и П. А. Ребиндер предлагают рассматривать два этапа этого процесса: а) стадию пластической деформации, предшествующей появлению опасных трещин иб) быстрое распространение одной или нескольких сливающихся опасных трещин. Переход от одной стадии к другой происходит, когда произведение нормального напряжения рна скалывающее t достигнет величины , где G — модульсдвига,
a —свободная поверхностная энергия твердого тела, L — сечениеобразца (в нашем случае — сечение частицы износа).
Особые трудности представляет собой анализ механизма разрушения тел при напряжениях, меньших критических, происходящих в результате однократного длительного или повторных воздействий.
Наиболее глубокое изучение временной зависимости прочности твердых тел было выполнено С. Н. Журковым с сотрудниками.
Итогом этих исследований является зависимость времени , необходимого для разрушения твердого тела, от ряда параметров:
, ( 1.6 )
где t0 — постоянная, близкая к периоду тепловых колебаний атомов;
и — энергия активации процесса разрушения;
(1.7 )
здесь u0 - энергия активации процесса разрушения при отсутствии растягивающего напряжения, близкая по величине энергии сублимации для металлов или энергии химической связи для полимеров;
g — коэффициент, зависящий от природы и структуры материала;
р — растягивающее напряжение;
k – постоянная Больцмана;
Т— абсолютная температура.
Зависимость (I. 6) соблюдается в широком диапазоне времени (10-3 до 107).
Об образовании частиц износа
Рассмотрим образование частиц износа при микрорезании, глубинном вырывании и повторном деформировании.
Микрорезание
При соответствующей конфигурации контактирующего выступа или наличия на поверхности трения твердой частицы (абразива или наклепанной частицы износа материала) при внедрении на достаточную глубину (примерно 0,2—0,3 радиуса выступа), т. е. при переходе порога внешнего трения, может наблюдаться микрорезание материала.
Стружка, полученная М М. Хрущовым при воздействии абразивной шкурки, находящейся на жесткой металлической основе, па сталь У-8, закаленную и отпущенную при 100°С. Однако получить стружку, когда абразив находится в почве, почти невозможно, так как в этом случае абразивные частицы округлены и не лежат, как у абразивной шкурки, на твердом основании. Эти частички, утапливаясь в почву, лишь пластически деформируют металл.
В обычных узлах трения получение таких частиц износа исключено, так как заранее подбирают нагрузки, при которых внедрение не достигает необходимой для резания величины.
Следует учитывать, что если даже в одном из 1000 контактов допустить резание, то оно уже становится ведущим видом износа .
Глубинное вырывание
Глубинное вырывание — недопустимый вид разрушения. При дисперсном характере его интенсивно изнашиваются поверхности трения. В некоторых случаях, при достаточно больших очагах глубинного вырывания, наблюдается заедание поверхностей трения, полностью нарушающее работу узла трения.
Глубинное вырывание возникает при нарушении порога внешнего трения . Оно носит характер выдирания или выкалывания материала не по месту спайки, а внутри одного из тел.
Поверхность разрушения состоит из фигур, напоминающих по форме фигуры, образующиеся при разрушении разрываемых образцов: у пластичных материалов выступающие вверх и вдоль движения, а также сужающиеся конусы и гребни; у хрупких материалов — острые уступы и впадины.
Условия для схватывания обычно возникают только в отдельные моменты скольжения. Значительную часть пути грубые, рваные поверхности, с выступами и углублениями, внедряются одна в другую, выцарапывая, а в некоторых местах выглаживая поверхности. Поэтому глубинное вырывание почти всегда сопровождается другими видами разрушения.
Поверхности трения обычно покрыты царапинами различной длины, отличающимися от царапин, полученных без вырывания, тем, что их дно и стенки имеют рваные очертания.
Вырванный материал образует выступ, который вновь схватывается с окружающим материалом. Происходит глубинное вырывание внутри царапины, в результате чего последняя расширяется. Этот процесс носит лавинный характер.
Глубинное вырывание может наблюдаться в узлах сухого трения, где оно при значительных давлениях и малых скоростях скольжения принимает массовый характер и приводит к быстрому выходу из строя трущихся деталей. Примером может служить фрикционный узел автосцепки железнодорожного подвижного состава, когда ранее трущаяся пара (цилиндр — сухарь автосцепки) изготовлялась из близких по составу сталей.
В условиях граничной смазки глубинное вырывание возможно только при разрыве масляной пленки, прочность которой очень велика. Ее разрыв возможен при неустановившемся режиме трения или его нарушении в процессе приработки, при перерывах подачи смазки, попадании частиц между поверхностями трения, перегреве контакта и других причинах.
Процесс вырывания сопровождается интенсивными механическими изменениями окружающих слоев материала на значительную глубину. Зерна вытягиваются, образуя вихреобразную структуру, измельчаются и перемешиваются до полной однородности. В поверхностных слоях они переходят иногда в окислы или нетравящийся слой. Так, в процессе задира при граничной смазке образуются белые пятна.
Причиной глубинного вырывания является нарушение порога внешнего трения за счет возникновения отрицательного градиента механических свойств по глубине от поверхности трения или за счет слишком большого относительного внедрения.
Отделение частиц вследствие повторного деформирования
Пятна касания при износе располагаются хаотически. Перед каждым пятном возникает гребешок деформированного материала. Волна бежит перед выступом (рис.6), распространяясь и в глубину. Повторные воздействия приводят к возникновению концентраторов напряжений. Последние появляются также в результате тепловой и механической обработки детали под влиянием тепла, выделяющегося при трении. Они вызываются также следами обработки — царапинами и, наконец, металлургическими дефектами — усадочными порами, газовыми пузырями, включениями шлака, резкой неоднородностью размеров кристаллов, различием в твердости и т. д. Эти концентраторы постепенно переходят в трещины, не срастающиеся после снятия нагрузок, вследствие адсорбционных, диффузионных и коррозионных процессов, которые протекают на вновь образованных поверхностях раздела.
Механизм образования этих трещин описай нами выше как для адсорбционного, так и кррозионного воздействий.
Разрушение материала в результате повторных деформаций, приводящих к разрыхлению металла, подробно описано Н. Н. Афанасьевым .Он указывает, что при достаточных напряжениях, например для армко-железа 26 кГ/см2, линии сдвигов при повторных изгибах образца заметны уже при первых циклах нагружения. Потом эти линии увеличиваются в ширину ииногда дают разветвление. Позднее линии сдвигов превращаются в трещины. Первым признаком перехода линии сдвига в трещину усталости является образование у конца ее густой разветвленной с системы линий сдвигов, напоминающей по форме корневище.
![]() |
Рис. 6. Валик, образующийся при скольжении индентор
Упрочнение зерна связано с повышением предела текучести; оно приводит к повышению напряжения при той же деформации. В связи с возрастанием напряжения в отдельных дефектных местах возможно образование скольжения с надрывами. Постепенно эти надрывы сливаются в трещину, которая приводит к разрушению материала.
Разрушения, возникающие на поверхностях трения в результате повторных воздействий, названы нами фрикционной усталостью.
Некоторые закономерности фрикционной усталости описаны выше. К сожалению, экспериментальных данных по оценке величин частиц износа, образующихся в этих условиях, имеется еще недостаточно. Так, для металлов мы располагаем данными Керриджа и Ланкастера, относящихся к сухому трению. Ю. И. Костерин для асбофрикционных материалов, пользуясь седиментационным методом Фигуровского, определил, что средний размер асбофрикционныхчастиц составляет 1 — 2 мм, а иногда и меньше.
Как известно, при установившемся режиме трения шероховатость поверхности воспроизводится. Каков механизм воспроизведения шероховатости — сказать трудно. Сам процесс отделения частицы износа — явление достаточно редкое. Так, если'принять, что размер частицы износа эквивалентен сфере диаметром 3 мк, то при линейном износе 10-10 с поверхности 1 см2 отделится при перемещении на 1 см две-три частицы. Это обстоятельство заставляет высказаться в пользу усталостного износа.
Частицы износа могут иметь форму лепестков или очень мелких образований— в виде пыли, отшелушивающейся с поверхности трения, представляющей собой предельно охрупченный материал вследствие перенаклепа, окисления или диффузионного легирования. На рис. 12 показано схематически возникновение подобных частиц износа.
О расчете размера частиц износа
Rabinowicz рассуждает так. Пусть полусферическая частица лежит на поверхности, удерживаясь на ней силами адгезии по диаметральной плоскости. Если эту частицу сжимать другой поверхностью, параллельной первой, то упругая энергия деформации, изменяющая размеры тела в поперечном направлении, выразится следующим образом
, (1.8 )
где n — коэффициент Пуассона;
e — деформация сжатия.
Общая поверхностная энергия, удерживающая частицу,
(1.9)
Для отделения частицы необходимо, чтобы EJ ³ Es, откуда
, (1.10)
где Wab = ga + gь - gab . Здесь gа и gь — поверхностное натяжение на границе твердое тело —воздух; gab — поверхностное натяжение на границе раздела этих твердых фаз.
Полагая, что n2 = 10-1, emax =3×10-3 и , находим
, (1.11)
где q — эффективное напряжение пластического деформирования, q=css.
Далее Рабинович рассматривает полусферу, касающуюся диаметральной площадью. Однако он полагает, что адгезия возникает на поверхности полусферы, а последняя сжимается силой, нормальной к диаметральной площади. Полагая, что частицы и основа состоят из одного и того же материала, он получает
(1.12)
В данном случае автор полагает, что
ga + gь - gab=2ga
Э. Рабинович первый предпринял попытку расчета размера частицы износа. Однако предполагаемый расчет страдает известной схематичностью. Приравнивать работу упругой деформации работе, необходимой для образования новой поверхности, не следует, так как значительная доля работы затрачивается на пластическое деформирование зоны, прилежащей к поверхности трещины, и упругое деформирование прилежащих областей .
Кроме того, эта расчетная схема совершенно не учитывает необходимость образования трещин предразрушения. Однако, как мы отмечали, общая работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, может быть пропорциональна поверхностной энергии, поэтому соотношение (I.17) следует рассматривать лишь как безразмерную характеристику, которой могут быть пропорциональны размеры частиц.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ФРИКЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ
Из предыдущего мы видим, что взаимодействие поверхностей имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Молекулярное взаимодействие обусловлено взаимным притяжением двух твердых тел, их адгезией; механическое — взаимным внедрением элементов сжатых поверхностей. При скольжении имеют место различные изменения поверхностного слоя, вызванные деформацией, напряжением, температурой и химическим действием окружающей среды. Были рассмотрены различные виды разрушения поверхностей трения. Па основе изложенного произведем классификацию фрикционных связей, возникающих на поверхностях двух тел под действием нормальных и тангенциальных сил и исчезающих при снятии этих сил.
На рис.7 показано пять основных видов нарушения фрикционных связей. Первые три вида наблюдаются при механическом взаимодействии, последние два — при молекулярном. В зависимости от величины адгезии и относительной глубины
Трение
Рис. 7 Основные виды нарушения фрикционных связей
внедрения будут иметь место :1) упругое оттеснение материала; 2) пластическое оттеснение материала; 3)срез внедрившегося материала; 4) схватывание пленок, покрывающих поверхности твердых тел, и их разрушение; 5) схватывание поверхностей, сопровождающееся глубинным вырыванием материала.
Условия перехода от первого вида ко второму и третьему зависят от относительной глубины внедрения материала и величины сил адгезии. Если принять, что внедряющийся элемент подобен сферическому индентору, то, как мы увидим далее,микрорезание в случае идеальной смазки будет, когда , для сухих поверхностей - приблизительно 0,1.
Упругое оттеснение будет иметь место, когда
. (1.13)
Характер деформирования единичных неровностей можно оценивать по углу их наклона. X. Блок предложил следующую характеристику (по Буссине):
(1.14)
где b — множитель, изменяющийся от 0,8 до 2;
Н — твердость;
m — коэффициент Пуассона.
Это уравнение эквивалентно предыдущему и отличается от него лишь множителем. Согласно уравнению {I. 14) пластическая деформация имеет место для сталей при угле О больше 1° и для цветных металлов больше 0,3°.
Осуществление четвертого и пятого видов зависит от соотношения между прочностями пленки и основного материала, а также от величины напряженного состояния. Если прочность пленки меньше прочности основного материала, то будет иметь место четвертый вид. Когда прочность пленки или поверхностных слоев, лишенных пленки, больше, то будет иметь место пятый вид.
Переход от четвертого к пятому виду зависит от градиента механических свойств.
Если , где t — сопротивление на сдвиг, h — глубина, отсчитываемая от пятна касания, то будет иметь место четвертый вид; если
< 0 — пятый вид.
Тот или иной вид нарушения фрикционной связи зависит как от геометрии контактирования (формы выступа и глубины внедрения), так и от свойств материала: предела текучести ss, модуля упругости Е, величины адгезии.
Весьма типичным для трения и изнашивания является рассмотрение взаимодействия двух трущихся тел, разделенных промежуточной прослойкой (пленкой смазки, окисла и др.).
3. УСЛОВИЯ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ОБЛАСТЬ ПРОЦЕССОВ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ
Было бы неправильным всякое тангенциальное сопротивление, возникающее в плоскости касания двух тел, называть силой трения, а наблюдаемые при этом повреждения считать износом. Если стоять па этой позиции, то прочность любого сварного шва, испытываемого на срез, будет характеризоваться силой трения, а повреждение при разрушении — его износом. Или, например, срез зубьев реечного зацепления будет являться трением, а срезанные зубья рассматриваться как износ. Очевидно, что эти точки зрения являются неверными и поэтому необходимо более четко сформулировать понятие о силе трения и износе.
Если оценивать виды образования и нарушения пятен по условиям отделения материала, то их можно разделить на три группы:
первая — пятна, в которых материал отделяется при очень большом числе циклов (рис.7, I и IV виды);
вторая — пятна, в которых материал основы отделяется при однократном образовании и исчезновении пятна (III и V виды);
третья — промежуточный случай, когда материал основы отделяется при многократном образовании и исчезновении пятна (II вид).
Для внешнего трения необходима локализация всех деформационных процессов в тонком поверхностном слое. Так как обычно прочность адгезионного шва бывает выше, чем прочность близлежащего материала, то для внешнего трения твердых тел необходимо наличие на этих телах тонких поверхностных пленок, защищающих нижележащий материал от адгезионного взаимодействия.
Трением будем называть сопротивление, обусловленное преодолением фрикционных связей при условии, обтекания материала внедряющимися неровностями, когда образующиеся адгезионные связи локализуются в тонких пленках, покрывающих твердые тела.
Износом будем называть отделение материала при I, II и IV видах нарушения фрикционных связей. Третий вид нарушения нельзя считать износом, ибо ему соответствует любая операция, связанная с сознательным изменением размеров (резанием, шлифованием и др.), и, следовательно, не будет отличия между износом и технологической операцией обработки поверхностей.
Итак, износ — процесс отделения материала в результате многократного нарушения фрикционных связей. Из этого определения следует, что одной из наиболее существенных характеристик износостойкости является способность поверхностных слоев противостоять повторным деформациям.
Усталость поверхностных слоев при упругом деформировании и охрупчивание 'при повторной пластической деформации являются основными причинами износа деталей машин.
Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.1, с.36-49 ] .
Контрольные вопросы
1. Что такое фрикционные связи при трении и износе?
2. Какую двойственную природу имеет трение?
3. Что такое относительное внедрение?
4. Что такое относительная прочность адгезионной связи?
Лекция №4ИЗНОС ПРИ ТРЕНИИИ
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗНОСА
Контактирующие поверхности под воздействием сил трения могут разрушаться различным образом. Выше были рассмотрены некоторые виды разрушения поверхностей трения. Тот или иной вид разрушения зависит как от свойств трущихся тел, так и от внешних условий, нагрузки и скорости скольжения. Нагрузка, точнее относительное внедрение, обусловливает вид нарушения фрикционных связей. При скольжении поверхностные слои нагреваются, в результате чего свойства их изменяются. В некотором интервале сближений и температур вид нарушения фрикционных связей остается неизменным, типичным для данных условий. В связи с этим оказывается возможным различать виды износа. Существует несколько классификаций видов износа.
Первая классификация была предложена Бринелем в 1921 г., который в зависимости от кинематического признака и наличия прослойки между поверхностями различал износ:
1) при трении качения со смазкой; 2) при трении качения без смазки; 3) при трении скольжения со смазкой; 4) при трении скольжения без смазки; 5) между двумя твердыми телами; 6) с разделением твердых тел промежуточным шлифующим порошком.
Развернутую классификацию видов износа дал в 1937 г. В. Ф. Лоренц .
Детальную классификацию видов износа предложил в 1947 г. А. К. Зайцев..
Burwellи Strong различают износ, происходящий вследствие:
1) адгезии; 2) коррозии; 3) наличия абразивных частиц; 4) пропахивания твердыми неровностями более мягкого контртела; 5) различных причин — эрозии поверхностей, усталости и др.
Б. И. Костецкий , рассматривая процессы, протекающие в поверхностных слоях металлов под воздействием сил трения, различает следующие виды износа:
1) износ схватыванием первого рода; 2) окислительный, связанный с поглощением кислорода воздуха поверхностным слоем металла; 3) тепловой; 4) абразивный; 5) осповидный (усталостный).
Подробная классификация видов износа по служебным признакам предложена М. М. Хрущовым .
Е. Н. Швецовой и И. В. Крагельскимразработана классификация видов износа, построенная на рассмотрении трех последовательных этапов: 1) взаимодействие поверхностей, происходящее при скольжении; 2) их изменение; 3) разрушение поверхностей. Так как до сих пор еще четко не выявлены признаки, по которым надлежит классифицировать износ, то, естественно, не создано и единой классификации видов износа. Однако, если интересоваться видом разрушения поверхностей (классификации Барвелла, Хрущова, Швецовой — Крагельского), то, как видим, предложенные классификации примерно одинаково различают эти виды повреждений
2. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ КОНЦЕПЦИИ И РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ
Одна из первых концепций, описывающих процесс износа, сформулирована Н. Н. Давиденковым, рассматривающим механический износ как два самостоятельных, протекающих одновременно процесса истирания и смятия. Под первым Давиденков понимал отрывание с последующим удалением частиц металла, под вторым — расплющивание материала под действием движущегося груза .Далее он указывает, что применение истирающего материала (наждака, опилок, кварцевого песка) или шлифующих орудий существенно изменяет физическую природу износа, внося в нее элементы резания и приближения к обработке резцом.
Д. В. Конвисаров видит природу износа в трех процессах: 1.) хрупком скалывании частиц, 2) пластическом деформировании (смятии), 3) окислении. Эта концепция не является строго формулированной, ибо автор не указывает, каким же образом окисленный слой будет удален.
П. Л. Ребипдер и его ученики рассматривают процесс износа как поверхностное диспергирование в результате многократной пластической деформации, приводящей к упрочнению и усталостному разрушению. Адсорбционное или адсорбционно-химическое воздействие окружающей среды интенсифицирует этот процесс, облегчая пластическое деформирование и последующее хрупкое разрушение металлов в поверхностном слое. Это, в свою очередь, облегчает приработочный (полезный) износ в условиях высоких контактных давлений. Под влиянием адсорбционно-активной смазки имеет место в дальнейшем значительное повышение гладкости поверхности, приводящее к снижению давления, и упрочнению поверхности, что, в свою очередь, приводит к резкому снижению установившегося износа. Концепция П. А. Ребиндера учитывает неоднородность реальных тел и позволяет устанавливать влияние на износ окружающей среды (смазки, воздуха и др.).
Первая количественная зависимость, связывающая износ со свойствами материалов и внешними условиями трения, была сформулирована В. Тонном применительно к абразивному износу в 1937 г. Тонн, пользуясь понятием относительной износостойкости, представляющей собой отношение износа данного образца к износу эталона (целлулоид), получил линейную зависимость между относительной износостойкостью и твердостью материала. По Тонну
(2.I)
М. М. Хрущов и М. Л. Бабичев подтвердили эту зависимость для технически чистых и отожженных металлов, получив, что
(2.2)
В этих формулах
- отношение износа испытуемого образца В2 к износу эталона В1
К и b — константы в уравнении;
Н — твердость испытуемого образца;
а — коэффициент пропорциональности;
qa — номинальное удельное давление, т. е. прямая , характеризующая относительную износостойкость в зависимости от твердости, проходит через начало координат.
Исследованию износа при действии абразива, находящегося между поверхностями трения, а также идругих видов износа горных машин посвящена монография М. М. Тенненбаума .
Глубокие теоретические исследования действия абразива на материал выполнены В. Н. Кащеевым,который констатировал, что механизм износа материалов абразивными зернами различной степени закрепленности (свободное зерно, абразивная среда, абразивный круг) носит совершенно разный характер в
силу неодинаковости схем разрушающих напряжений
Основной вывод, к которому пришли исследователи, занимавшиеся оценкой износостойкости материалов при истирании их по жестко закрепленному абразиву, состоит в том, что износ прямо пропорционален нагрузке и обратно пропорционален твердости:
,
что справедливо лишь для данных частных условий.
В общем случае износ пропорционален нагрузке в степени, большей единицы. Это подтверждают Eszlinger , Sporkert, В. М. Гутерман и М. М. Тенпенбаум , Н. М. Серник, В. Г. Колссов , Д. И. Горин .
Д. И. Горин констатировал, что твердость не является достаточно надежным критерием износостойкости. Так, например, пальцы гусеничной цепи из стали 45, закаленные до твердости HRC 52—58, изнашиваются больше, чем такие же пальцы, имеющие твердость HRC 32—36. Эту же точку зрения разделяют Rosen , Wellinger , Rosenberg .
Каждая лабораторная методика при испытании на трение и износ может давать правильные результаты по отношению к натуре лишь в случае, если на ней осуществляется тот вид нарушения фрикционной связи, который имеет место на практике. Например, испытательная машина Х4-Б, где абразивное полотно укреплено на жестком основании, пригодна для оценки износостойкости материалов, когда последний работает в режиме микрорезания. Что касается оценки износостойкости материалов, работающих в почвенных условиях, для этого должна быть применена иная методика.
Так, например, В. Н. Ткачевым была предложена методика, когда испытуемый образец взаимодействует с полусвязанной абразивной массой, плотность которой может изменяться в широких пределах.
Ценной является лабораторная методика оценки трения и износа материалов по упруго-абразивной поверхности, имитирующей различные грунтовые поверхности, разработанная А. В. Чичинадзе, Э. Д. Брауном и др. .
Сам термин «абразивный износ» нуждается в уточнении, так как под этим видом износа подразумеваются в настоящее время разрушения металла под воздействием твердых частиц, занесенных извне в контакт или образовавшихся в процессе износа (наклепанные частицы износа). Однако эти твердые частицы могут производить совершенно различное механическое действие, начиная от микрорезания и кончая упругим деформированием материала.
Все зависит от формы твердых мелких частиц, степени их закрепленности, действующей нагрузки. Интересно, что в самом термине «абразив» {от латинского слова abradere — соскабливать, сбривать, соскребывать) ничего не сказано о режущем действии частиц — скорее этот термин на латинском языке соответствует слову истирание.
Широко распространенная концепция Боудена и Тейбора о природе трения, в основе которой лежит представление об образовании мостиков сварки и их последующем разрушении, позволяет рассматривать износ как результат удаления с поверхности трения одного тела приварившихся выступов, разрушающихся на некоторой глубине.
Исследованием переноса металла в условиях сухого трения занимался Morton Antler . Он показывает, что при трении сферического индентора по плоскости в условиях сухого трения этот перенос связан с наростообразованием.
Наличие переноса металла в условиях жидкостного трения констатировал Н. А. Буше. Он установил, что на поверхности стального вала образуется пленка из структурной мягкой составляющей. Пленку иногда создают искусственно, применяя специальные покрытия, фрикционное латунирование, меднение и т. д.
Наличие на поверхности трения пленки менее прочного материала, с нашей точки зрения, является условием внешнего трения, при котором необходимо выполнение правила положительного перепада механических свойств. Следует отметить, что применительно к большой скорости скольжения Боуден рассматривает иной механизм износа. Например, в исследованиях, проведенных совместно с Фрейтагом, описывается механизм износа алмаза и металлов при больших скоростях скольжения. Алмаз под влиянием температуры 1000° С превращается в аморфный углерод, который легко изнашивается. Holm полагает, что 1) фактическая площадь касания образуется за счет пластической деформации контактирующих неровностей; 2) износ обусловлен атомарным взаимодействием двух поверхностей.
По Хольму количество изношенного вещества, приходящееся на единицу пути скольжения,
(2.3)
где z - вероятность удаления атома с поверхности при встрече его с другим атомом; иначе говори, это число атомов, которые удаляются при встрече со всеми другими атомами, расположенными на единичной площадке при перемещении на единицу длины.
Burwell и Strong считают, что при износе отделяются частицы, а не отдельные атомы, в результате взаимодействия не атомов, а шероховатостей. Барвелл и Стронг учли предположения, которые сделали Rabinowicz и Tabor , полагавших, что площадка единичного контакта постоянна, и при увеличении нагрузки возрастает число площадок и частиц износа; размеры же их от нагрузки не зависят.
Д. Арчард формулирует более детально зависимость износа на единице пути от нагрузки итвердости. Он рассуждает так. При скольжении на пути 1 см происходит взаимодействие некоторого количества контактов. Пусть r — радиус пятна касания. Изнашиваемый объем будет пропорционален г3, но износ произойдет на пути, пропорциональном r . Следовательно, износ одного контакта на пути r должен быть пропорционален r2. Очевидно, что общее количество контактов пропорционально фактической площади, поэтому износ на единице пути для всех контактов должен быть пропорционален общей нагрузке, деленной на твердость, откуда
(2.4)
где ss — предел текучести.
Эксперименты, которые проводили Арчард и Хирст, показали, что К изменяется от 10-2 до 10-7
Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.5, с.178-189 ] .
Контрольные вопросы
1.Перечислите виды износа по Б.И. Костецкому?
2.Покжите относительную износостойкость по Тонну?
3.Чему пропорционально износостойкость материалов?