книги / Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов

Исследования поверхностей трения стальных (рис. 20, а, в) и бронзовых (рис. 20, б, г) образцов показали, что относительно небольшое увеличение давления при постоянной скорости скольжения 1 м/с приводит к появлению на поверхности следов микрорезания. Это косвенно подтверждает существо­ вание критической нагрузки.

Рис. 20. Поверхности трения: а, в - материал ПА-ЖГрД, испытанный при нагрузке 3 и 11 МПа соответственно, х50; б, г - материал ПА-Д с 1% CujO, испытанный при нагрузке 1 и 9 МПа соответственно, х50

г

При анализе разрушения поверхности исходят из следующих положений:

1)разрушение поверхности носит усталостный характер и резко ускоря­ ется при превышении порогового коэффициента интенсивности напряжений;

2)сближение между поверхностями трения h не превышает средне­

арифметического отклонения профиля Ra;

3) поры распределены равномерно и их размер пренебрежимо мало от­

личается от наиболее вероятного.

На коэффициент интенсивности напряжений влияют лишь растягиваю­ щие напряжения оу и длина трещины /. В случае короткой трещины /69/

где V - коэффициент Пуассона; q - среднее контактное давление; а - радиус зоны контакта; г - радиус образующейся трещины.

На границе контактной зоны оу максимальны, поэтому предполагается

а(у = 1.

Фактически жонтакт осуществляется лишь в плоскости касания микро­ неровностей. В качестве площади контакта принимаем суммарную площадь

Значения параметров шероховатости Ъ = 3,5, Vi = 1,8 и относительного сближения в = 0,017 взяты по данным работы /3/ для порошковых материа­ лов. С учетом выражений (69), (70) напряжения, возникающие в секущей плоскости, определяем как

(71)

После подстановки выражений (68) - (70) в равенство (66) получаем:

Принимая далее за характерный размер дефекта материала пору, то есть / = d/2, и полагая выполнение зависимости Козени

получаем

Klhb - ^

(74)

Ш г

(1-2W

3(1-П )

Средний размер частиц железа и меди после отсева составляет 80-100 мкм, пороговый коэффициент интенсивности напряжений имеет близкие значения для чугуна и низколегированной стали, но в связи с тем, что структура порошковой стали мало отличается от структуры чугуна, принята величина Kth = 7,0-м /75/, для сплавов на основе меди Kth = 2,5. Зави­ симость v(n) можно найти в работе /53/. Как видно из .табл. 19, расчетная ве­ личина критического давления хорошо коррелирует с давлением, выше кото­ рого наблюдается резкое увеличение интенсивности изнашивания. Получен­ ные результаты подтверждают рекомендации ГОСТ 26802-86, допускающего работу деталей из ПА-ЖГр и ПА-ЖГрД при давлении до 10 МПа, и ГОСТ 26719-85, ограничивающего максимальное давление эксплуатации материа­ лов ПА-БрО и ПА-БрОГр 5-6 МПа. Кроме того, полученные уравнения объ­ ясняют, почему минимум износа и времени приработки порошкового железа и ПА-ЖГр приходится на интервал пористости 5- 6 % /58/, что связано с ло­ кальным экстремумом размеров пор в этом же интервале.

Применение зависимости (74) ограничено как относительно высокой пористостью, когда включаются иные механизмы износа (П = 35-40 %) /60/, так и относительно низкой. Это связано с тем, что, во-первых, при пористо­ сти ниже 5-10 % вычисленные из зависмости Козени размеры пор весьма

существенно отличаются от экспериментально определенных, во-вторых, в материалах с низкой пористостью характерный размер дефекта может пре­ восходить размер поры. Для пористых материалов решающее значение в инициировании разрушения может иметь также форма дефекта.

Таким образом, наибольшие давления, ограничивающие применимость порошкового материала, определяются его пористой структурой, параметра­ ми кривой опорной поверхности и пороговым коэффициентом интенсивно­ сти напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Зависимость трещиностойкости от пористости может быть немонотон­ ной независимо от содержания примесей. Физическим механизмом реализа­ ции такого характера функции Я]с(П) является изменение соотношения до­ лей вязкой составляющей и скола. Оценку трещиностойкости пористых ма­ териалов можно выполнить на основе предположения, что при прохождении между порами трещина затупляется и фронт ее изгибается.

При трении без смазки коэффициент трения / и интенсивность изнаши­ вания I немонотонно изменяются при повышении пористости. Причина не­ монотонной зависимости ДП) -изменение размеров пор и расстояния между ними, что определяет деформацию в активной зоне. В зависимости от доли упруго и пластически деформированных контактов устанавливается вид кон­ тактирования поверхностей, который наряду с физико-механическими харак­ теристиками материала и влияет на величину коэффициента трения. Разру­ шение поверхности порошкового железа до нагрузок в несколько мегапаска­ лей носит усталостный характер. Симбатность функций /(П) и К\с(П) опре­ деляется локализацией разрушения контактной поверхности в малом объеме, при этом отделение частицы износа наступает только по достижении крити­ ческой величины концентрации напряжений.

Трение с ограниченной подачей смазки обеспечивает при тех же нагруз­ ках упругий контакт поверхностей и очень небольшую сдвиговую прочность фрикционной связи. Поверхность пористого железа насыщается углеродом. При пористости 8“ 10 % (для карбонильного железа) наблюдается переход от проницаемой пористой структуры к непроницаемой, что закономерно сказы­ вается на изменении коэффициентов трения и интенсивности изнашивания.

Как и без смазки, при граничном трении функции ДП) и /(П) немоно­ тонны. С достаточной для инженерных расчетов точностью интенсивность изнашивания при граничном трении может быть вычислена по предложен­ ным выражениям, предполагающим упругое контактирование поверхностей и инициирование разрушения порами. Роль пор как резервуаров смазки осо­ бенно велика для проницаемой пористой структуры. В этом случае положи­ тельное влияние пор гораздо важнее, чем их роль в инициировании разруше­ ния.

Зависимости, предложенные для оценки коэффициента трения и интен­ сивности изнашивания пористого железа, приемлемы и для пористых сталей различных классов.

В случае пластического контакта добавки, облегчающие пластическую деформацию, увеличивают коэффициент трения, а затрудняющие - умень­ шают. В порошковых сталях, приготовленных из смесей на основе порошков технического железа и пропитанных маслом, переход от пластического кон­ такта к упругому (Рс до 3 МПа) осуществляется при пористости 15-20 % и сопровождается существенным улучшением антифрикционных характери­ стик.

Экспериментально доказана гомогенизация поверхности как при трении без смазки, так и при ее ограниченной подаче. Показан вклад концентраци­ онной неоднородности в распределение легирующих элементов на поверхно­ сти контакта. Изменение характера контактирования поверхностей оказывает влияние не только на величину коэффициента трения, но и на его связь с

контурным давлением, функцияf(JPc) - для упругого контакта возрастающая, а для пластического - убывающая.

При невысоких нагрузках (~ 0,2 МПа) и ограниченной подаче смазки пористость и состав стали мало влияют наf поскольку вероятность повреж­ дения масляной пленки невелика. Как и трение железа, скольжение порош­ ковой стали в присутствии смазки сопровождается цементацией поверхност­ ных слоев.

Изменения химического, фазового и структурного состава поверхности образцов наблюдаются в областях, существенно более узких, чем зона кон­ тактирования. Обстоятельства взаимодействия во многом обусловливают вид контакта, но для каждого вида контакта / и 1 определяются физико­ механическими свойствами материала.

Для приемлемых условий эксплуатации порошковых материалов (гра­ ничное трение) существует критическая величина контурного давления, ко­ торая и определяет выбор пары трения с позиции предотвращения катастро­ фического изнашивания.

Основными факторами, устанавливающими критическую величину кон­ турного давления, являются параметры кривой опорной поверхности, сбли­ жение, упругие свойства материала, характеристики его пористой структуры и пороговый коэффициент интенсивности напряжений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Джой Х.П. Прошлое и будущее трибологии // Трение и износ. 1990. T. II, №1. С. 149-159.

2.Технология и экономика порошковой металлургии / Куклин А.А., Мичкова Е.С., Буланов В.Я. и др. - М.: Наука, 1989. - 223 с.

3.Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин - М.: Машино­ строение, 1984. - 280 с.

4. Польцнер Г., Майснер Ф. Основы трения и изнашивания. М.: Маши­ ностроение, 1984. - 264 с.

5. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. - М.-.Машиностроение, 1966. - 331 с.

6. Крагельский И.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. -

480с.

7.Ряховский А.М. К расчету интенсивности изнашивания конструкци­ онных материалов при упругопластическом фрикционно-контактном взаи­ модействии /ГГ рение и износ. 1990. T. 11, № 1. С. 42-48.

8.Фляйшнер Г. К связи между трением и износом // Контактное взаимо­

действие твердых тел и расчёт сил трения и износа. - М.: Наука, 1968.

С.163-169.

9.Фляйшнер Г. К вопросу о количественном определении трения и из­ носа // Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. -

-М .: Наука, 1982: С. Z85-296,

10. Сальников А.С. Атомно-энергетическая модель трения // МиТОМ. 1993. №7. С. 27 32.

11. Громаховский Д.Г. Кинетическая модель изнашивания // Российский симпозиум по трибологии с международным участием. Тезисы докладов.

Ч.1 . - Самара, 1993. С. 4-7.

12.Свирский Г.Э. К вопросу статистической теории трения и износа // Теория трения и износа. М.: Наука, 1965. С. 115-117.

13.Rabinovicz Е. Surface Energy Approadh to Friction and Wear // Product Engineering, 1965. V. 36, № 6. P. 95-99.

14.Хрущов M.M., Бабичев M.A. Абразивное изнашивание. - M.: Наука,

1960. - 350 с.

15. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г Абразивное

изнашивание. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

16.Сорокин Г.М. О некоторых гипотезах в области трения и изнашива­ ния материалов // Трение и износ. 1992. Т. 13, № 4. С. 617-623.

17.Бякова А.В., Васильев А.И., Власов А.А. Об износостойкости покры­ тий из нитрида титана в условиях фреттинг-коррозии // Трение и износ. 1992.

Т.13, №4. С. 674-682.

18.Лоцко Д.В., Мильман Ю.В. Структура приповерхностного слоя ме­ ханически обработанных металлических материалов в связи с механизмом абразивного изнашивания // Трение и износ. 1993. Т. 14, № 1. С. 73-83.

19.Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаи­ модействии. - М.: Машиностроение, 1986. - 308 с.

20.Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. - М.: Ме­ таллургия, 1976. - 176 с.

21.Алехин В.П., Шоршоров М.Х. Структурные особенности кинетики микропластической деформации вблизи свободой поверхности твердого тела //-Физика и химия обработки металлов. 1974. №-4. С. 107-201.

22.Грозин Б.Д. Износ металлов. - Киев: Гостиздат УССР, 1951. - 252 с.

23.Попов В.С., Брыков Н.Н., Фидря В.И. Испытания материалов в лабо­ раторных условиях, имитирующих изнашивание облицовок прессформ // Огнеупоры, 1984. № 4. С. 47-49.

24.Малинов Л.С., Харланова Е.Я., Малинова Е.Л. Абразивная износо­ стойкость высокоуглеродистых марганцевованадисвых сталей // МиТОМ. 1993, №2. С. 25-32.

25.Попов В.С., Брыков Н.Н., Андрущенко М.И. и др. Сопротивляемость абразивному изнашиванию сплавов со структурой метастабильного аустени­ та в зависимости от их химического состава // Трение и износ. 1991. Т.12,

№1.С. 163-169.

26. Виноградов В.Н., Лифшиц Л.С., Платова С.Н. Износостойкие стали с метастабильным аустенитом для деталей газопромыслового оборудования // Вестник машиностроение 1982. № 2. С. 26-29.

27. Дорохов В.В., Киселева И.В., Рыжиков А.А. Абразивная износостой­ кость высокоуглеродистой хромоникелевой стлали // МиТОМ. 1993, № 2,

С.30-33.

28.Драчинский Д.£., КуЩевскийчЛ.Е., Перепёлкин А.В. и др. Влияние пористости на трещинрдгдйкость порошкового железа // Порошковая метал­ лургия. 1982, № 12. Сг,80-83.

29.Эванс А.Г., ЛэнгДон Т.Г. Конструкционная керамика. М.: Металлур­ гия. 1980. - 225 с.

30. Платова С.Н.,'Кудряшов В.Г.»; Бернштейн М.Л. и др. Об оценке па­

раметров вязкости разрушения пористых материалов // Физико-химическа#'''

0 механика материалов. 1974. № 5. С. 20-24. ‘

-

31. Crane L.W., Farrow-vR.J. Effect of sintering conditions on fracture

toughness of a commercial alloy steel. Powder Metallurgy. 1981, № 5. P. 198-202/

32. Klarke G.A.,Queeney R.A. Fracture Toughness and Density in Sintered

316L Stainless Steel. Int-J. of Powder Met.-1972. 8. № 2. P. 81-87.

33. Esper T.J., Levese G., Sonsinô CM: Characteristic properties of powder’-4

34. Жердин А.Г., Фирстов C.A., Штыка Л.Г. Трещиностойкость и вяз­ кохрупкий переход в порошковых материалах *// Технологическая и конст­ рукционная пластичность порошковых материалов. - Киев: ИПМ АН УССР, 1988. С. 89-92.

35. Bamby Y.T., Chash D,C. Dins dale R. The fràcture - resistans of a range of sintered steels. Powder Metallurgy. 1973. 16. № 31. P. 55-71.

36.ïngelstrom N., Ustimenko V. The influence of porosity and carbon content on the fracture toughness of some sintered Steels //Powder Metallurgy. 1975. 18. №36. P.303-322.

37.ïngelstrom N., Nordberg H. The Fracture Toughness of flighstrength and

Highductility Sintereel Steels // Scandina an Journal of Metallurgy. 1975. №4.

P.189-192.

38.Влияние пористости на механические свойства спекаемых материа­ лов / Шлесар М., Парилак А., Пеликан К. и др. // Семинар по развитию и ис­ пользованию порошковой металлургии в машиностроении - Доклад от ин­ ститута экспериментальной металлургии Словацкой АН . - Минск. 1985. - 17 с,

39.Желтонога Л.А., Габриэлов И.П. Особенности роста трещины в спе­ ченных материалах // Порошковая металлургия. 1979. № 10. С. 80-85.

40.Драчинский А.С., Крайнов А.В., Кущевский А.Е. Взаимосвязь трещиностойкости с долей межзеренного разрушения порошкового железа // Порошковая металлургия. 1985. № 1. С. 43-45.

41.Ромалис Н.Б. Расчет эффективных коэффициентов интенсивности напряжений для структурно-неоднородных тел с трещинами // Механика композиционных материалов. 1987. № 3. С. 420-423.

42.Prefferbom G. Gnmdznge der Fraktographie von Eisenwerkstoffen // Radex Rundschan. 1978. № 3. P. 591-673.

43.Партон B.3., Морозов E.M. Механика упругопластического разруше­ ния. - М.: Наука, 1974. - 416 с.

44.Красулин Ю.Л., Баринов С.М., Иванов В.С. Структура и разрушение материалов из порошковых тугоплавких соединений. - М.: Наука, 1985. - 152 с.