Экзаменационный билет № 4

1.Контакт шероховатых поверхностей. Зависимость параметров контактирования от номинального давления в модельном представлении.

В понятие контактирования входит соприкосновение поверхностей, изначально имеющих неидеальный рельеф, который обусловлен как способом изготовления деталей, так и процессами релаксации и реконструкции поверхностей (рис. 3.2, а). Как правило, пятна фактического касания формируются при контакте вершин неровностей. Полная площадь фактического контакта состоит из множества таких микроконтактных зон (рис. 3.2, б).

На поверхности могут присутствовать макроскопические и микроскопические неровности (рис. 3.3). Отклонения от идеальной формы поверхности, которые имеют масштаб 10^-3÷10^-4м, считаются макроскопическими и характеризуются как волнистость поверхности. Микроскопические неровности, представляющие собой шероховатость, имеют масштаб 10^-5 ÷ 10^-6 м.

Шероховатость и волнистость поверхности наряду с точностью формы служат основными характеристиками качества изделия. От них в значительной степени зависит износ трущихся поверхностей, а, следовательно, и качество.

В зависимости от номинальной нагрузки, шероховатости поверхностей, физико-механических свойств контактирующих материалов ФПК варьируется в широких пределах и составляет от сотых долей процента до десятков процентов от номинальной площади контакта (рис. 3.4). В частности, для металлов она обычно находится в пределах 1-10% от номинальной площади контакта. Боуденом и Тейбором предложена следующая формула для оценки ФПК при пластическом контакте, которая дает достаточно правильные результаты для металлических поверхностей с грубой и средней шероховатостью:

Ar=N/q_t

где - фактическая площадь касания, rA: N- нормальная нагрузка, qt- напряжение текучести (в качестве обычно используется значение твердости по Бринеллю). Анализируя это простое соотношение с учетом того, что типичные значения ФПК на 1-2 порядка меньше номинальной площади контакта, можно сделать важный вывод – контактные давления, развивающиеся на пятнах фактического касания, значительно превышают номинальные давления (рис. 3.5), что вызывает пластическую деформацию на контакте.

Зависимость площади контактирования от давления

1. Влияние температуры и температурного градиента на процессы, протекающие на поверхностях трения и в объемных слоях твердых тел.

В микровыступе под действием силы трения может происходить сдвиг, который в модели реализуется посредством смещения слоев друг относительно друга в направлении параллельном поверхности трения. Элементарным носителем сдвига является пара слоев. Считается, что каждый слой взаимодействует только с двумя ближайшими соседями. Для нахождения сдвигового напряжения, действующего в паре слоев, используется упруго-пластическая функция отклика. Она имеет следующие параметры: упругий и ‘пластический’ модули, максимальную упругую деформацию и равновесный сдвиг.

Материал каждого слоя характеризуется следующими свойствами:

- плотностью ρ;

удельной теплоемкостью c;

− теплопроводностью λ;

− модулем сдвига G;

− “пластическим” модулем сдвига Gпл;

− предел текучести при одноосном растяжении σт. x

Кроме того, каждый слой характеризуется смещением и скоростью поступательного движения.

Фрикционный нагрев и напряжения при трении приводят к пластической деформации . В свою очередь,, пластический сдвиг ведет к локальному повышению температуры материала из--за превращения энергии деформации в тепло. Это вызывает еще большее разупрочнение материала и постепенное вовлечение нижележащих слоев в пластическое деформирование. Конкуренция процессов упрочнения и разупрочнения в условиях существования дополнительных внутренних источников тепла в материале приводит к тому, что материал деформируется послойно. Приэтом в полосе сдвига деформация одинакова по глубине

2. Методы поверхностного упрочнения и модификации поверхностей трения.

1. Химико-термическая обработка (ХТО)

Целью ХТО является создание на стальной поверхности тонкого легированного слоя за счет диффузии извне легирующих элементов. Поверхность может быть подвергнута закалке, когда поверхностный слой приобретает высокую твердость (до 60 единиц по шкале Роквелла и более). К ХТО относят: цементирование, азотирование, борирование, насыщение хромом, никелем, цианирование (насыщение одновременно азотом и углеродом), борохромирование (одновременное насыщение бором и хромом). Так, например, цементация осуществляется в твердом, жидком и газообразном карбюризаторах. В качестве твердого карбюризатора используется древесный уголь. Процесс протекает медленно: скорость науглероживания порядка 0,1 мм/ч. Однако, если повысить температуру до 950-980С, процесс существенно ускоряется.

Азотированию подвергаются стальные детали при более низкой, чем при цементирова-нии, температуре: 520-560 С. Легирующие элементы, входящие в состав стали (Cr, Mo, V, Al), образуют с азотом стойкие нитриды. Наибольшую твердость придает алюминий, однако поверхностный слой приобретает повышенную хрупкость, и наблюдается искажение формы изделия. В результате азотирования детали обретают высокую цикличную прочность и, соответственно, стойкость против усталостного изнашивания. Поэтому азотированию подвергают коленвалы, цилиндры, поршневые кольца, седла клапанов, зубья шестерен. Ресурс шеек азотированных коленвалов превосходит амортизационный срок двигателя. Кроме износостойкости, азотирование придает деталям и высокую коррозионную стойкость. Износостойкость сохраняется при нагреве до 500-600С (что весьма важно для ДВС), в то время как при нагреве цементированной поверхности выше 225-275 С, твердость ее, а следовательно, и износостойкость снижаются. Недостатками метода являются увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.