книги / Трение и износ деталей машин

Рис. 4. Схема шероховатости поверхности

Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам,

носительно средней линии профиля; Rmax - наибольшая высота неровно­ стей, под которой понимается полная высота профиля, т.е. расстояние ме­ жду линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базо­ вой длины; Sm - средний шаг неровностей профиля, т.е. среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины,

1 ”

s m = - T s m. п 1

S - средний шаг неровностей профиля по вершинам выступов, 1 "

я 1 Важнейшей характеристикой микрогеометрии поверхности является

опорная площадь. Ее оценивают опорной длиной профиля г|р (рис. 5) или относительной опорной длиной профиля tp = — .

Опорная кривая профиля характеризует распределение материала в

^ Р шероховатом слое и строится в относительных координатах tp и X = ------

^тах (Р - числовое значение уровня сечения профиля). Для практических целей

используют начальный участок кривой опорной поверхности, располо­ женный выше средней линии. Он может быть представлен в виде

tp = Ьх\

где Ъи v - параметры, зависящие от вида обработки (6= 1 .. .20; v= 2.. .3). Наиболее полно оценить свойства контактируемых шероховатых по­

верхностей можно с помощью комплексного безразмерного критерия ft

А = (г - радиус кривизны вершины выступа профиля).

rbv

Рис. 5. Участок профилограммы и кривая опорной поверхности

Приведем для примера параметры шероховатости поверхности ша­ тунного вкладыша автомобиля: Ь= 1,2; v = 2,0; А = 0,024; Ятах =1,15 мкм;

г= 35 мкм.

4.НОМИНАЛЬНАЯ, КОНТУРНАЯ И ФАКТИЧЕСКАЯ

ПЛОЩАДИ КОНТАКТА

Поверхности деталей сопряжения в процессе работы контактируют по площади, определяемой шероховатостью и физико-механическими свойствами материалов.

Номинальную площадь контакта Аа рассчитывают как геометриче­ скую площадь соприкосновения рабочих поверхностей деталей сопряже­ ния без учета неровностей.

Вследствие волнистости поверхностей деталей фактические пятна контакта будут возникать преимущественно на вершинах волны. Каждая такая область, будучи ограничена контуром, в пределах которого сущест­ вуют фактические пятна контакта, представляет элементарную площад­ ку ААС(рис. 6). Эти контуры удалены один от другого на расстояние шага

волны. Контурная площадь контакта Ас равна сумме элементарных пло­ щадок АЛС. В большинстве случаев ее величина составляет 5-15 % величи­ ны номинальной площади контакта Аа.

Рис. 6. Номинальная, контурная и фактическая площади контакта

Фактическая площадь контакта Аг - это площадь, на которой осуще­ ствляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость поверх­ ности. Фактическая площадь обычно мала и составляет не более 0,01-0,10 номинальной площади. Даже при высоких нагрузках площадь фактическо­ го контакта не превышает 40 % номинальной площади. Так, в случае кон­ тактирования стали со сталью при нагрузке 15 МПа отношение площадей составляет 0,2 при обработке поверхности до Ra = 2,5... 1,25 мкм и 0,35 при Ra = 0,63...0,32 мкм. Пятно фактического контакта, образованное вследствие деформации отдельных микровыступов, имеет диаметр 3-50 мкм.

Контурная и фактическая площади контактирования рабочих по­ верхностей в большой степени зависят от нагрузки. С увеличением нагруз­ ки площадь контакта значительно увеличивается. Это объясняется смятием микронеровностей под действием давлений, превышающих предел текуче­ сти материала. Отношения номинальной нагрузки к величинам фактиче­ ской, контурной и номинальной площадей дают соответственно величины фактического, контурного и номинального давлений:

Отдельные пятна контакта имеют вытянутую форму (рис. 7), и лишь с определенным приближением их можно считать эллипсами или кругами.

Так как круговая модель пятна контакта достаточно проста, а резуль­ таты расчетов площадей контакта и напряжений на контакте для этих мо­ делей различаются не более чем на 5 % при пластическом и 25 % при уп­ ругом деформировании, то чаще всего используют для расчетов круговую модель пятна контакта.

e?f

2

Рис. 7. Пятна фактического контакта и их модели: а - реальная форма; б - эллиптиче­ ская модель; в - круговая модель

Круговым площадкам контакта соответствует случай взаимодейст­ вия сферы с плоскостью (рис. 8). Основная расчетная схема при изучении контакта шероховатых тел предполагает, что одно из контактирующих тел с шероховатостью и недеформированное, а второе - гладкое и деформи­ руемое.

Рис. 8. Схема взаимодействия сфери­ ческой неровности с плоскостью (пе­ ред сферой образуется валике кон­ центрацией напряжений 1)

Средний радиус кривизны выступов R может быть определен сле­ дующим образом:

2 где р2 = 2п рхХ; р - среднее квадратичное отклонение профиля (р = 1,25

Ra); х - среднее число пересечений профиля средней линии, приходящееся на единицу ее длины; X - среднее число выступов (максимумов профиля), приходящееся на единицу длины средней линии.

При определении фактического давления могут быть использованы нижеследующие зависимости.

При пластическом деформировании в первом приближении можно принять, что

Рг« НВ, где НВ - твердость поверхности материала.

Для расчета фактического давления при упругом деформировании используется зависимость

Данная зависимость справедлива при v = 3 и b = 5.

Для приближенных расчетов можно использовать формулу 1

из которой следует, что фактические давления на контакте близки к 0,1 £ (£ - модуль упругости материала).

Из-за малости фактической площади контакта Аг фактическое давле­ ние Рг на контакте может на три-четыре порядка превосходить номинально контактное давление Ра.

Величина сближения шероховатых тел А при упругом деформирова­ нии может быть определена по формуле

А 0,86/?,шах R Л1(Р1 с л

К^шах ) U J

В случае пластического деформирования величина 1

А= Rшах 2РС У

яв ь )

5. СТРУКТУРА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО МАТЕРИАЛА

Поверхностный слой обработанной металлической детали неодноро­ ден по строению (рис. 9).

Толщина поверхностного слоя, отличающегося по структуре и свой­ ствам, зависит от структуры основного материала, вида обработки, основ­ ных параметров режущего инструмента, рода смазочно-охлаждающей жидкости.

Граничный слой 1 (см. рис. 9) поверхности состоит из адсорбирован­ ной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости.

Слой 2 - деформированный металл с деформированными и раздроб­ ленными зернами, искаженной решеткой кристаллов. В нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и трещины.

Структура слоя 3 состоит из зерен, сильно деформированных давле­ нием обрабатывающего инструмента. В нем содержатся включения струк­ турно-свободного цементита, образовавшегося под действием высоких температур.

Слой 4 - металл с исходной структурой.

Механическая обработка детали сопровождается пластической де­ формацией поверхностных слоев и частичным упрочнением (наклепом). В результате наклепа увеличиваются пределы прочности и текучести, уменьшаются показатели пластичности материала в поверхностном слое детали. Толщина наклепочного слоя при различных видах механической обработки различна. Для некоторых видов механической обработки значе­ ния толщины наклепочного слоя приведены в табл. 1.

Таблица 1

Толщина наклепочного слоя в зависимости от вида механической обработки

При механической обработке в поверхностных слоях деталей возни­ кают остаточные напряжения.

Остаточными называют напряжения, существующие в теле при от­ сутствии внешних силовых воздействий на него. Наличие этих напряже­ ний обусловлено неравномерностью температуры по объему тела, образо­ ванием во время нагрева или охлаждения новых структур с иной плотно­ стью, наличием включений.

Остаточные напряжения образуют равновесную систему. В зависи­ мости от объема, который охватывается этой системой, различают собст­ венные напряжения трех родов. Напряжения первого рода уравновешива­ ются в крупных объемах, соизмеримых с размерами детали; напряжения второго рода (микронапряжения) уравновешиваются в пределах одного или нескольких кристаллических зерен; напряжения третьего рода - суб­ микроскопические искажения кристаллической решетки.

При механической обработке детали недеформированные нижние слои материала препятствуют распространению зоны пластической де­ формации верхних слоев. Вследствие этого в поверхностном слое возни­ кают сжимающие, а в сердцевине растягивающие остаточные напряже­ ния.

Увеличение температуры, сопровождающее механическую обработ­ ку деталей, также вызывает остаточные напряжения.

При нагревании поверхностного слоя его объем увеличивается. Хо­ лодные нижележащие слои препятствуют этому При охлаждении объем металла поверхностного слоя уменьшается. В этом случае материал серд­ цевины препятствует сжатию. В результате в поверхностном слое возни­ кают остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине - сжатия.

Остаточные напряжения в поверхностном слое при механической обработке могут достигать 560-1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими.

Поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окру­ жен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет “соседей” в виде таких же атомов. Поэтому в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются свободные связи, наличие которых создает вблизи поверх­ ности атомное (молекулярное) притяжение.

Поверхностный слой обладает избытком потенциальной энергии, ко­ торая соответствует работе, необходимой для перемещения внутренних частиц кристалла на поверхность. Этот избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной или просто по­ верхностной энергией. В результате избыточной поверхностной энергии поверхностный слой металла проявляет большую активность. При взаимо­

действии ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или жидкости, соприка­ сающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде. Явление образования на по­ верхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют ад­ сорбцией.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ), к которым относятся: ор­ ганические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы, обладают наибольшей способностью к адсорбции. Это обусловлено тем, что молеку­ лы этих веществ ориентируются перпендикулярно к поверхности. Такие молекулы называют полярными, они притягиваются и удерживаются по­ верхностью тела.

Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел, значительно понижая их сопротивляемость де­ формированию и разрушению. Это явление, установленное П.А. Ребинде­ ром (1889-1972), названо эффектом Ребиндера.

Адсорбированные поверхностно-активные молекулы, стремясь по­ крыть всю поверхность тела, проникают в ультрамикроскопические тре­ щины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходя­ щими скорость всасывания жидкости в зазор. Когда активные молекулы достигают мест, где ширина микротрещины равна размеру одной-двух мо­ лекул, адсорбционный слой своим давлением F стремится расклинить трещину силами Q для дальнейшего продвижения активных молекул (рис. 10). Давление на стенки трещины у ее вершины может достигать 10 ГПа. Остаточные растягивающие напряжения раскрывают микротре­ щины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера. При сжимающих напряжениях трещины замыкаются, может даже произойти их “самозалечивание”

Рис. 10. Схема адсорбционно-расклини- вающегося действия полярных молекул смазочного материала

Основой для развития микротрещин является наличие дефектов в ре­ альных кристаллах. Различают точечные, линейные, поверхностные и трехмерные дефекты кристаллов.

Точечные дефекты - малые несовершенства во всех направлениях - возникают вследствие наличия в кристалле атомов примесей (рис. 11, а) или образования вакансий (рис. 11,6), т е. пустых мест в узлах кристалли­ ческой решетки, не занятых атомами.

Линейными являются несовершенства, малые в двух измерениях и относительно протяженные в третьем направлении (границы зерен, двой­ ники, межфазные границы, поверхность кристалла). Трехмерные несовер­ шенства - объемные (пустоты, включения).

Кристаллы металлов обычно состоят из большого числа областей размером около 1 мкм, расположенных под углом в десятые доли градуса. Эти области с правильной упаковкой атомов называются блоками.

На границе между блоками упаковка атомов искажена (рис. 11, в). К линейным несовершенствам относят также дислокации (вклинивание) лишних или недостроенных кристаллических плоскостей (рис. 11, г).

Трение вызывает как образование дефектов структуры - вакансий и дислокаций, так и их движение в поверхностных слоях. Количество вакан­ сий при трении в тонком поверхностном слое доходит до 2,5-1021 атомов в

трущихся тел приводит к устранению оксидных пленок, которые служа! барьером для выхода дислокаций на поверхность.

6. ВИДЫ ТРЕНИЯ

Контактное взаимодействие деталей происходит на выступах их по­ верхностей, образованных микронеровностями. Фактическая площадь кон­ такта поэтому обычно мала и составляет не более 10-20 % номинальной площади контакта.

Разновысокость контактирующих выступов и величина действую­ щей нагрузки определяют виды деформации выступов: упругую, упруго­ пластическую без упрочнения, упругопластическую с упрочнением. Одна­ ко в большинстве случаев контактирования площадь фактического контак­ та формируется за счет пластической деформации. Входящие в контакт выступы пластически деформируются (сплющиваются), чаще всего с вне­ дрением в сопряженное тело.

Упругопластическая деформация обусловливает сопротивление пе­ ремещению при трении, процессы теплообразования, формирование эксплутационного состояния поверхности, силы трения и процессы поверхно­ стного разрушения.

Перемещение одного из сопряженных тел по отношению к другому может сопровождаться как внешним, так и внутренним трением. Внешнее трение - сопротивление относительному перемещению, возникающее ме­ жду двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождающееся диссипацией (рассеиванием) энергии. Неизбеж­ но возникающая пластическая деформация сдвига сосредоточена при внешнем трении в зоне контакта тел. Внутреннее трение захватывает весь объем деформируемого тела и обусловлено формоизменением всего объе­ ма. При внутреннем трении диссипация энергии происходит во всем объе­ ме тела.

Основная часть механической энергии, расходуемой на трение, пере­ ходит в тепловую. Тепло распространяется от пятен контакта в глубь обо­ их контактирующих тел. Передача тепла происходит по нормали к изотер­ мической поверхности от мест с большей температурой к местам с мень­ шей температурой. Тепловая энергия, распространяясь в глубь материала, вызывает изменение его свойств в тонком поверхностном слое.

6.1. Законы внешнего трения

Для количественной оценки трения скольжения используется поня­ тие силы трения - Т. Сила трения - сила сопротивления при относитель­ ном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами.