книги / Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Л.М. Гревнов (Пермский государственный технический университет); канд. техн. наук В.Ю. Горохов (ЗАО «Новомет-Пермь»)

Шацов А.А.

Ш32 Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2001. 98 с.

Рассмотрены особенности поведения пористых материалов при трении. Приведены модели разрушения поверхности пористых структурно-неоднородных тел. Показана функциональная связь между характеристиками структуры и триботехническими свойствами.

Предназначено для металловедов, работающих в области порошковой металлургии. Может быть полезно студентам и аспирантам специальностей «Композиционные и порошковые материалы, покрытия», «Металловедение и термическая обработка металлов».

УДК 621.762:669.01.034

© Пермский государственный

технический университет, 2001

Исследования последних десятилетий в странах с развитой технологи­ ей машиностроения показали, что только за счет правильного выбора пар трения с позиции трибологии возможна экономия примерно 1,5 % нацио­ нального дохода /1/. Применение порошковых материалов наилучшим обра­ зом отвечает условиям экономической целесообразности, поскольку позволя­ ет заменить дорогие и дефицитные материалы, повысить производительность труда, высвободить производственные площади. Например, наличие в струк­ туре материала Подшипника остаточных пор позволяет увеличить срок служ­ бы деталей в 1,5-10 раз /2/.

Основные факторы, влияющие на трение и износ, подразделяются на три группы: технологические (структура, химические, физические и механи­ ческие свойства материалов), конструктивные (схема контакта, макро- и микрогеометрия поверхности трения) и эксплуатационные (удельная работа трения, скорость скольжения, удельная нагрузка, температурный режим, на­ личие смазки, среда).

В процессе трения формируются поверхностные слои твердых тел, ко­ торые и обусловливают тот или иной механизм трения и износа.

Согласно современным представлениям /3,4/, при фрикционном взаи­ модействии существенное значение имеют электрохимические и химические процессы, поэтому в общую классификацию видов изнашивания целесооб­ разно включить как механическое, так и коррозионное окислительное изна­ шивание (рис. 1).

_______ * _________

Изнашивание меха­ ническое в результате механического взаи­ модействия двух или нескольких веществ.

В физическом смысле возможны следую­ щие процессы:

I ) упругое де­ формирование;

2)пластическое деформирование;

3)абразивное

изнашивание; 4) схватывание с

глубинным вырыва­ нием или сваривание с одновременным прекращением отно­ сительного движения

Рис. 1. Виды изнашивания поверхности

Наиболее распространенными видами изнашивания являются абразив­

ное, адгезионное, кавитационное и усталостное.

Абразивное изнашивание происходит в результате воздействия на по­

верхность трения твердых частиц, содержащихся в смазочных материалах

или в рабочей среде, а также при нарушении условий внешнего трения на

контакте внедрившейся микронеровности. Этот вид изнашивания наиболее

широко распространен в рабочих органах землеройных машин, сельскохо­

зяйственной техники /5/. Однако при нормальной эксплуатации для боль­

шинства узлов трения абразивное изнашивание нехарактерно.

Адгезионное (молекулярное) изнашивание можно рассматривать как результат последовательного образования и разрушения фрикционных свя­ зей, возникающих вследствие межатомных и межмолекулярных взаимодей­ ствий между пленками, покрывающими поверхности твердых тел. Этот вид изнашивания имеет место, когда молекулярная связь, образованная на гра­ нице раздела, оказывается прочнее, чем нижележащий материал; наиболее распространен при использовании пленок слоистых веществ.

Кавитационное изнашивание возникает вследствие кавитационных явлений в смазочном материале или в жидкой рабочей среде при относи­ тельном перемещении твердых тел. В условиях внешнего трения или гра­ ничной смазки этот вид изнашивания маловероятен.

Наиболее характерным для нормального режима работы подавляю­ щего большинства подвижных сопряжений является усталостный юное

/5/. Изнашивание поверхностных слоев твердых тел обусловлено процесса­ ми, протекающими в зонах их фактического касания и на поверхностях, подвергающихся трению. В зависимости от напряженного состояния в зоне касания различают усталостное изнашивание при упругом и пластическом контактах.

Перечисленным выше видам изнашивания соответствуют четыре ти­ па нарушения фрикционных связей. Абразивному изнашиванию соответст­ вует механизм микрорезапия, молекулярному - молекулярное схватывание, усталостному - упругое или пластическое деформирование в зависимости от вида контакта.

Итак, существует классификация, характеризующая контактное взаи­ модействие на основе фазового, структурного и химического состава по­ верхностей трения и локальных микрообъемов зоны фрикционного контакта.

Автор выражает благодарность ООО НЛП «Ферротек» за помощь при подготовке работы к публикации.

Выбор характеристики зависит от способа определения износа или при­ меняемого метода испытаний.

Износостойкость материала является характеристикой его способности сопротивляться изнашиванию в определенных условиях внешнего воздейст­ вия.

Относительная износостойкость является безразмерным показателем, характеризующим соотношение абсолютных величин износа двух материа­ лов А и Б, из которых один материал (А) принят за эталон /6/:

Величина / А/б показывает, во сколько раз износостойкость исследуемо­ го материала Б меньше или больше износостойкости эталонного материа­ ла А.

Износостойкость можно определить также посредством абсолютного (безотносительного) показателя , вычисляя его как величину, обратную износу или скорости изнашивания /6/:

Величины /д/g и оцг дают качественную оценку износостойкости мате­ риалов и связаны между собой:

1.2. Анализ важнейших теорий трения и износа

Наиболее разработанными моделями износа, хорошо коррелирующими

с практикой применения порошковых материалов в узлах трения, являются

модели усталостного изнашивания. Усталостное изнашивание возникает в ре­ зультате повторного деформирования микрообъемов материала, вызывающе­ го возникновение трещин и отделение частиц материала. Циклически изме­ няющиеся контактные напряжения вызывают поверхностное разрушение в виде ямок выкрашивания (питтинг), трещин, осповидного изнашивания, от­ слаивания. Образующиеся раковины диаметром от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров увеличиваются в процессе работы узла трения, что приводит к шелушению поверхности.

Возникновению микротрещин при циклических контактных воздейст­ виях способствует наличие концентраторов напряжений. К поверхностным концентраторам напряжений относятся дефекты в виде царапин, вмятин, ри­ сок и др. Подповерхностные концентраторы напряжений - неметаллические включения, микропоры, раковины, карбиды и др. Большое влияние на трибо­ технические характеристики пары трения оказывают максимальные касатель­ ные напряжения. Первичная трещина чаще возникает на поверхности контак­ та, но может зарождаться и в приповерхностных слоях материала.

Скорость развития усталостного изнашивания зависит от многих факто­ ров: механических свойств материала, физико-механических свойств поверх­ ности, качества обработки поверхности, остаточных напряжений в припо­ верхностных и поверхностных слоях материалов, от концентрации напряже­ ний, степени приработки и др.

Увеличение коэффициента трения скольжения способствует возникно­ вению выкрашивания.

Усталостный износ обусловлен, прежде всего, дислокационными про­ цессами, образованием пустот, слиянием дислокаций вдоль плоскостей скольжения или спайности.

Зависимость интенсивности изнашивания от параметров материала и условий фрикционного контакта была определена И.В. Крагельскнм 161. Ос­ новная идея Крагельского сводится к замене всего многообразия форм кон­ тактирования поверхностей несколькими простыми моделями, представляю­ щими силовое взаимодействие твердых тел как упругое или пластическое деформирование микронеровностей в контактных зонах. Несмотря на про­ должающуюся и ныне острую дискуссию по обсуждаемому вопросу (в нашей стране основным оппонентом является Г.М. Сорокин), идеи Крагельского нашли практическое подтверждение, а их автор стал первым обладателем Зо­ лотой медали в области трибологии. Вместе с тем сегодня ясно, что эти ре­ зультаты относятся главным образом к наиболее распространенному виду изнашивания - усталостному. Интегральная линейная интенсивность изна­ шивания для сферической модели шероховатой поверхности описывается формулой

(8)

п

где ih - удельная интенсивность изнашивания; пкр - число циклов, приводя­ щее к разрушению; h - средняя глубина внедрения неровностей; R - радиус кривизны выступов; v - параметр степенной функции аппроксимации опор­ ной поверхности; а - коэффициент, учитывающий отличие площади сечения выступов на уровне > от фактической площади контакта для того же значе­ ния сближения. Для сферической модели неровностей а = 0,5 при упругом контакте и сх ==1 при пластическом.

При упругом контакте и диапазоне значений v = 1...3 JC]=0,25...0,22;

при пластическом контакте в том же диапазоне значений v значение х\ =

=0,18.......0,15. В случаях, представляющих практический интерес, h/R = =10"3...Ю"1

Число циклов Икр, приводящее к разрушению объема, зависит от на­ пряженно-деформированного состояния материала на фрикционной связи, т.е. приложенной на1рузки и свойств истираемого материала (пределов прочности, текучести, твердости). В частности, интенсивность изнашивания в условиях пластического контакта обратно пропорциональна твердости ма­

териала по Бринеллю.

А.М. Ряховский /7/ вывел расчетное значение интенсивности изнаши­ вания / независимо от параметров шероховатости и волнистости, кроме па­ раметра шероховатости v. При среднем значении v =; 1,4 была получена за­

где Р - удельная нагрузка; р - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга; К ~ коэффициенты; С* - критическое значение предельной пластичности; сттс - предел текучести при сжатии; т - коэффициент малоцикловой усталости.

Формула (10) справедлива для пластического контакта; для упругого контакта остается та же зависимость, изменяются только характеристики физико-механических свойств материала.

В работе /7/ принято: т = 0,5 - для металлов с ОЦК-решеткой и поли­ меров, еслиf * <f*yи т = 0,53, еслиfj* =/*; т = 0,6 - для металлов с ГЦКрешеткой, если f * </*, и т = 0,64, если f * =/*; т = 0,7 - для металлов с