книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

А.Т. ФИЛЯЕВ

ИС С Л Е Д О В А Н И Е

ИЗ Н О С О С Т О Й К О С Т И

СТ А Л Е Й ,

УП Р О Ч Н Е Н Н Ы Х

НА К Л Е П О В

Издательство „Наука и техника"" Ми н с к 1974

Ф58

УДК 539.373\

Ф и л я е в А. Т. Исследование износостойкости сталей, упроч­ ненных наклепом. Минск, «Наука н техника», 1974, стр. 168.

В книге рассмотрено упрочнение стальных деталей поверх­ ностным наклепом, приведены результаты исследований влия­ ния технологических факторов на изменение шероховатости, микропрофпля, остаточных напряжений и микроструктуры поверхностного слоя. Обобщены результаты исследовании влияния наклепа некоторых сталей на их износ при работе деталей со смазкой и без нее. Показаны влияние поверхност­ ного наклепа на длительность приработки сопряженных дета­ лей, а также взаимосвязь износа с прочностными характери­ стиками, микропрофилем поверхности, режимами работы со­ единения. Приведены краткие сведения об использовании пла­ стических свойств сталей и путях совершенствования техноло­ гии изготовления деталей.

Таблиц 21. Рисунков 46. Библиография— 173 названия. Рассчитана на научных сотрудников и инженерно-техни­

ческих работников, может быть полезна студентам вузов.

6П4

Р е ц е н з е н т ы :

канд. техн. наук Н. И. Ковзель, канд техн. наук В. А. Сидоренко, канд. техи. наук Ю. А. Сидоренко

© Издательство «Наука и техника», 1974.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одним из путей решения задач дальнейшего развития производства, увеличения выпуска продукции является внедрение в промышленность и особенно в машинострое­ ние принципиально новых и более совершенных техноло­ гических процессов.

Повышение надежности и увеличение долговечности машин и механизмов во многом зависит от правильного подбора и обработки сопрягаемых деталей, что в свою очередь связано с физико-механичёскими свойствами и износостойкостью материалов.

Полное использование мощности и производитель­ ности машин ограничивается недостаточной износостой­ костью отдельных деталей и узлов, что влечет за собой огромные затраты средств на ремонт, часто составляю­ щие 30—40% стоимости новой машины, на содержание чрезвычайно большой сети ремонтных предприятий и на производство запасных частей. Анализ показывает, что из-за износа рабочих поверхностей выбраковывается 80—90% деталей тракторов и автомобилей. Выход де­ талей из строя происходит в основном из-за нарушения первичной формы и увеличения зазоров в сопряжениях. Поэтому при изготовлении новых и восстановлении изно­ шенных деталей машин основным является применение таких технологических процессов обработки, которые уменьшили бы возможность создания на поверхностях трения условий для возникновения опасных усталостных напряжений и интенсивного износа, технологии, кото­ рая дала бы возможность получить нужную микрострук­ туру поверхностного слоя материала при благоприятном профиле и шероховатости поверхности.

Повышенные требования к работоспособности и дол­ говечности деталей машин вызывают необходимость

дальнейших комплексных исследований прогрессивных способов упрочнения поверхности, изучения количествен­ ного и качественного характера ее износа в различных условиях трения скольжения. Используемые в настоящее время экспериментальные методы оценки износостойко­ сти требуют большого объема испытаний, проведение которых особенно на стадии проектирования и изготовле­ ния изделий часто затруднено пли невозможно. Устране­ ния этих трудностей можно достичь только путем рацио­ нального сочетания экспериментальных п расчетных методов оценки износостойкости и надежности сопря­ женных пар трения скольжения.

Несмотря на то что уже около ста лет проблема тре­ ния и износа материалов привлекает внимание многих выдающихся ученых и исследователей, она до сих пор остается актуальной и недостаточно разработанной.

За последние 50 лет в нашей стране наряду с много­ численными исследованиями проблеме трения и износа посвящен ряд обобщающих монографий [7, 44, 52, 78, 86, 91, 98, 161]. Между тем состояние теории трения и износа в машинах еще такое, что нельзя полностью от­ ветить на многочисленные вопросы, выдвигаемые прак­ тикой в связи с развитием новых машин, повышением скоростей и нагрузок, применением новых материалов

испособов их обработки. В настоящее время еще нет единого взгляда на природу сил трения, отсутствует общепринятая классификация видов изнашивания мате­ риалов, имеется множество различных способов исследо­ ваний явлений износа, что делает результаты разных ав­ торов почти несравнимыми. Недостаточно изучены во­ просы, связанные с влиянием твердости, пластичности, характера и величины остаточных напряжений в поверх­ ностных слоях трущихся пар. К сожалению, еще нет единой теории трения и износа материалов, как нет и единых представлений о физической сущности явлений износа, о связи этих явлений с механическими и физиче­ скими свойствами поверхностей трения в зависимости от методов их упрочнения. Известно, что повышение износостойкости и прочности только за счет легирования

итермической обработки не всегда рационально, так как эти процессы неминуемо сопровождаются повышением чувствительности поверхности к концентраторам напря­

жений.

4

Разнообразны результаты исследовании в области влияния шероховатости поверхности, предварительного наклепа металла, а также результаты исследовании

Вместе с тем износ и пластическая деформация неотде­ лимы друг от друга. Наклеп— одно из наиболее рас­ пространенных явлений в технике. Нет пи одного вида механической обработки сплавов и металлов, вида износа, которые не были бы связаны в какой-то мере с необратимыми структурными изменениями поверхност­ ных слоев, а также формы всего тела или отдельных его частей. Вот почему в последние годы в отечественном и зарубежном машиностроении получила широкое распро­ странение обработка деталей поверхностным пластиче­ ским деформированием (ППД). В машиностроении при­ меняются различные способы поверхностного упрочне­ ния, каждый из которых обладает преимуществами и недостатками в конкретных условиях. Различие схем по­ верхностного деформирования обусловливает разный характер эпюр остаточных напряжений. Остаточным на­ пряжениям в поверхностном слое принадлежит решаю­ щая роль в увеличении долговечности при упрочнении де­ талей машин ППД.

Современные исследования в металловедении (рептгеноструктурпый анализ, электроноскопия), развитие тео­ рии дислокаций, а также попытка объяснить износ и распределение напряжений в поверхностном слое с по­ зиций этой теории являются особенно многообещаю­ щими. Большой вклад в развитие новых методов иссле­ дования, теорию дислокаций сделали Н. С. Акулов, С. И. Губкин, А. X. Коттрелл, Е. Г. Коновалов, И. В. Куд­ рявцев, И. А. Одинг, М. М. Саверин, В. П. Севердеико, Ю. С. Термииасов и др.

Данная монография посвящена изучению влияния ППД на некоторые физико-механические свойства, ше­ роховатость и износ поверхности при трении скольжения. ППД в значительной степени изменяет физико-химиче­ ские свойства поверхностных слоев металла и позволяет улучшить ряд эксплуатационных свойств деталей.

В работе показано, что величина износа связана с характеристиками микропрофиля поверхности, которые оказывают влияние на скорость изнашивания и па про­

5

Гл а в а I

О ТРЕНИИ И ИЗНОСЕ МАТЕРИАЛОВ

1. Природа сил трения

Наука о трении и износе металлов зародилась много веков назад. Пытливые умы великих людей древности и эпохи Возрождения обращали внимание на те силы, ко­ торые противостоят активным силам движения предме­ тов. Еще Леонардо да Винчи на заре XVI в. измерял силу, которую необходимо приложить, чтобы сдвинуть канат, находящийся в одном случае в бухте, а в дру­ гом — в развернутом состоянии. Как оказалось, требует­ ся примерно одинаковое усилие, несмотря на различ­ ную площадь соприкосновения каната с опорной по­ верхностью. Было сформулировано положение о неиз­ менности коэффициента трения для всех тел и любых со­ стояний поверхности.

В период интенсивного развития техники значитель­ но возрос интерес к познанию законов трения. С целью изучения закономерности трения и износа материалов был проведен ряд фундаментальных исследований. Опубликованные работы отражают отдельные стадии развития науки о трении и изнашивании [44, 52, 53, 78, 90, 98, 160].

М. В. Ломоносов в 1752 г. предложил «...исследовать сцепление между частичками тел... стачиванием на бруске», причем особо подчеркнул необходимость «...исследовать тела, особливо металлы, долгим стира­ нием». Для этого М. В. Ломоносовым была сконструиро­ вана машина в виде точила, на которой он проводил опыты, т. е. более двухсот лет назад русскими учеными были проведены экспериментальные исследования изно­ состойкости материалов на сконструированной ими же машине. Подобные опыты были проведены на Западе, например в Германии, Баушингером только спустя 120 лет.

7

Представления о природе трения и износа изменя­ лись и совершенствовались по мере углубления знаний о физических: п механических свойствах твердых тел.

Французский физик Амонтон в 1699 г. впервые сфор­ мулировал геометрическую теорию трения и иа основе экспериментальных исследований установил, что сила трения пропорциональна весу груза, она не зависит от величины площади касания и что коэффициент трепня есть тангенс угла наклона единичной неровности:

где F — сила трения; f — коэффициент трения; N — сила нормального давления; а — угол наклона касательной, проведенной к поверхности микронеровностей.

Кулон независимо от Амонтона в 1779 г. провел ряд экспериментальных работ, результаты которых опубли­ ковал в труде «Теория простых машин, принимая в рас­ чет трение их частей и жесткость канатов». Кулон пока­ зал, что сила трения для разных материалов зависит от нормального давления N и коэффициента трения /. Автор подтвердил зависимость (1) и расширил ее, введя постоянное слагаемое

Кулоном, Эйлером (1748 г.), Грюмбелем (1920 г.), объ­ ясняют трение как результат механических взаимодейст­ вий микронеровностей. Они соответствовали эпохе раз­ вития механики абсолютно твердых тел. Однако так на­ зываемая «физико-механическая теория», основанная па упругой деформации неровностей, уже в то время при­ знавалась недостаточной, так как она не объясняла меж­ частичного сцепления (адгезии) между элементами тру­ щихся поверхностей. Кроме того, не учитывался износ, сопровождающий трение. Эта теория не отражала всей сложности процесса и противоречила многим экспери­ ментальным данным.

Зависимость (2) лежит в основе теорий Закса и Мор­ роу. К этой же группе следует отнести теорию трения весьма твердых шероховатых тел Э. И. Адировича и Д. И. Блохинцева [8].

8 -

Английским физиком Дезагюлье (1751 г.) была пред­ ложена теория, объясняющая трение как результат прео­

Томлинсон [144] на основании представления о моле­ кулярной природе трения сделал попытку развить тео­ рию несколько в ином направлении. Автор исходил из предположения, что между телами существуют силы мо­ лекулярного притяжения и отталкивания, величина кото­ рых зависит от расстояния между молекулами. Причем силы притяжения незначительны по сравнению с силой, прижимающей одно тело к другому, в то время как силы молекулярного отталкивания велики и именно они урав­ новешивают внешнюю нагрузку. При трении одной по­ верхности о другую их молекулы переходят из зоны дей­ ствия сил притяжения в зону действия сил отталкивания и наоборот. На отрыв каждой пары молекул затрачи­ вается определенная энергия, которая и влияет па силу

математического аппарата, основанного на использова­ нии эмпирических коэффициентов из курса сопротивле­ ния материалов, для объяснения основных положений теории нельзя считать удачным. Как показали исследо­ вания, силы молекулярного притяжения чрезвычайно велики. На величину силы трения они оказывают боль­ шее влияние, чем силы отталкивания.

Исследования Б. В. Дерягина [43, 44] основаны на молекулярной теории трения, согласно которой трение твердых тел обусловлено наличием молекулярных шеро­

9