книги из ГПНТБ / Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения

свежие поверхности окисляются. А это приводит к возникно­ вению слабых поверхностных связей и их разрывам при сколь­ жении. Наблюдается истирание поверхностей при взаимодей­ ствии обратной фрикционной пары (контакт «шероховатой» деформированной поверхности и «гладкой» педеформнроваппой).

Шаржирований поверхности наблюдается при взаимодей­ ствии прямой фрикционной пары (контакт «шероховатой» недеформированной и «гладкой» деформированной поверх­ ностей). Проникая в недра поверхностного слоя, отдельные неровности твердой поверхности оттесняют материал от зоны контакта и вызьивдют его «передеформирование». В результа­ те многократных воздействий гладкая поверхность периоди­ чески разрушается и покрывается испещренными неровно­ стями.

При исследовании процесса трения шероховатых и дефор­ мированных тел их поверхности могут как прирабатываться (вследствие истирания), так и разрабатываться (вследствие шаржирования).

Этим видам износа предшествуют три рассмотренных вы­ ше основных вида разрушения фрикционных контактов: от­ слаивание, окалывание и вырывание.

Отслаивание — результат жизнедеятельности поверхност­ ного слоя. Развитие пластической деформации, особенно в ре­ жиме высоких температур, может приводить к оттеснению ма­ териала от поверхности контакта. На определенном этапе взаимодействия происходит затормаживание оттеснения ма­ териала поверхностного слоя и этим исчерпывается его спо­ собность к дальнейшему вязкошластическому течению. Обра­ зованные па поверхности трения наплывы не имеют былой прочной связи с основой материала и могут подвергаться от­ слаиванию.

Разрушение поверхности скалыванием может происходить при накоплении и развитии усталостных трещин, направлен­ ных как вдоль, так и поперек скольжения. Разрушение ока­ лыванием происходит как между зернами материала в местах концентрации напряжений, так и внутри зерен контакта. Скалывание может происходить и при однократном воздейст­ вии отдельной неровности более твердой поверхности по «мяг­ кой» гладкой основе контр, тела. К разрушению поверхности скалыванием относится и абразивное изнашивание отдельны­ ми твердыми частицами. Разновидностью скалывания явля­ ется выкрашивание. Выкрашиваться могут твердые структур’

70

ные составляющие мягкой основы сплава, различные графи­ товые включения, частицы антифрикционного материала, эле­ менты окисных пленок и другие ингредиенты, содержащиеся в поверхностном слое после его истирания или отслаивания.

Вырывание. Этот вид износа возникает при образовании сильных ,поверхностных связей, которые приводят к разру­ шению материал# на глубине контакта. Обусловлен этот вид износа действием слабых когезионных связей.

Схватывание сопряженных поверхностей в результате ад­ гезионного взаимодействия может привести к образованию налета из мягкого материала на поверхности твердого или твердого на поверхности мягкого материала. Такое явление переноса материала при трении, как и глубинное вырывание, является предвестником катастрофического износа.

Исследования показывают, что процесс изнашивания во времени можно характеризовать кривой, представленной на рис. 23, где по оси абсцисс откладывается время длительности процесса, а по оси ординат — величина среднего износа в микронах.

Из графика следует, что процесс изнашивания имеет три характерные стадии: стадию приработки 1, стадию установив­ шегося (стационарного) изнашивания II, стадию прогрессиру­ ющего изнашивания или стадию разрушения III *

Характерной особенностью процесса изнашивания в первой

* Анализ процесса изнашивания показывает, что стадии приработки

предшествует небольшой по времени инкубационный период, при котором интенсивность изнашивания растет.

71

стадии является сглаживание поверхностей трения и приспоеабливаемость контакта к действующим нагрузкам и темпе­ ратурам, Скорость изнашивания ів этой зоне со временем убывает. Обусловлено это тем, что па первой стадии касание поверхностен происходит по сферичеокпм вершинам наиболее высоких неровностей. В результате действующая нагрузка воспринимается малой площадью касания, и давления дости­ гают высоких значений. Это вызывает значительную пластиче­ скуюдеформацию материалов. Однако, интенсивное оминанпе выступов сглаживает неровности, и несущая поверхность увеличивается. В контакт вступает переходная коническая часть выступа. Это приводит к уменьшению величины кон­ тактных давлений и снижению скорости процесса изнашива­ ния.

Установившаяся стадия 'изнашивания происходит в отно­ сительно стационарных условиях. Сопряженные поверхности в этот период приработались, характер шероховатости почти не претерпевает изменений, п параметры сопротивления и из­ носа твердых тел имеют стабильные значения. Вызвано это тем, что параллельно со сглаживанием неровностей от истира­ ния поверхностных слоев происходит их отслаивание или пропахивание внедрившимися и образующимися продуктами износа вследствие окалывания частиц.

Скорость процесса сглаживания поверхностей со временем убывает, а скорость отслаивания или пропахивания поверх­ ностных слоев растет. По истечении некоторого времени эти скорости выравниваются. В этот момент наступает стадия ус­ тановившегося изнашивания, характеризующаяся тем, что создается стабильная неизменная шероховатость, присущая данному'процессу и условиям трения.

' Стадия установившегося процесса характеризуется по­ стоянной интенсивностью изнашивания поверхностей. Харак­ терной особенностью этой стадии является сохранность гео­ метрических параметров шероховатых поверхностей.

Третья стадия прогрессирующего износа характеризуется ростом скорости изнашивания, который приводит впослед­ ствии к катастрофическому износу — разрушению поверх­ ностей трения. Эта стадия изнашивания наступает в тот -мо­ мент, когда господствующим видом разрушения в зонах кон­ такта является скалывание ослабленных поверхностных сло­ ев, усиливающееся действие выкрошенных ингредиентов из из­ ношенной основы материала. На этой 'Стадии быстро увели­ чивается скорость разрушения, которая резко изменяет коли*

72

чественные характеристики процесса в связи с изменением физической картины явления.

В этом периоде качество поверхности резко изменяется, шероховатость увеличивается, возникают задиры, схватыва­ ние и вырыты значительных масс материала. Дальнейшая экс­ плуатация узла трения может привести к вырывай и катаст­ рофическому разрушению его поверхностей.

Обобщая, можно сделать следующий вывод. На первой стадии господствующим видом изнашивания поверхности яв­ ляется ее истирание, 'вторая стадия является переходной, на третьей — шаржирование. В соответствии с этим на первой стадии работают сферические вершины, на второй — переход­ ные конические части неровностей с увеличивающимися угла­ ми .конусности и на третьей — последней стадии — цилиндри­ ческие («стержневые») основания выступов (см. карту фрик­ ционного разрушения поверхностей, стр. 136).

Рассмотренный процесс изнашивания поверхностей при трении по своему характеру напоминает .процесс ползучести металлов, происходящий под нагрузкой при повышенных тем­ пературах, но ниже 0,3 температуры плавления Ѳ„.

Описывается процесс ползучести таким же графиком (рис. 23), как и процесс.'изнашивания. Различие заключается в том, что здесь по оси ординат откладывается величина де­ формации.

На первом начальном участке процесс ползучести проте­ кает с уменьшающейся скоростью и носит пеустаповившийся характер.

На втором участке скорость ползучести (угол наклона ка­ сательной к кривой с горизонтом) почти сохраняется неиз­ менной и процесс является установившимся. Третий этап пол­ зучести характеризуется нарушением в стабильности проте­ кания процесса. На графике вид ’кривой резко изменяется, что приводит к прогрессирующему процессу, нарушениям связей и разрушению тела.

Различие в видах кривой на отдельных участках опреде­ ляется сложностью процесса и разнообразием физической картины, сопровождающей ползучесть металлов.

Приведенная аналогия раскрывает хорошую возможность для привлечения теории ползучести к раскрытию закономер­ ностей изнашивания поверхностей при трении.

При формировании фрикционных связен пятна контакта*

* Ползучестью называется медленное н непрерывное накопление плас­ тической деформации тела при действии постоянного напряжения [14].

73

подвергаются силовым воздействиям, упрочняющим матери­ ал. При расформировании связей происходит разгрузка пятен контакта и разупрочнение материала. Разупрочнению мате­ риала способствует и нагревание поверхностей.

В первый период потенциальная энергия контактной зоны увеличивается за счет работы, совершаемой приложенными усилиями. Во второй период энергия в контактной зоне умень­ шается вследствие развития различных физико-химических процессов и возможных структурных превращений при проте­ кании пластической деформации.

Пусть зависимость между напряжением, деформацией и временем жизнедеятельности контакта представлена функ­ цией

При нагружении -контакта среднее напряжение увеличива­ ется, а при разгружении — убывает. Можно принять, что при определенных условиях релаксации приращенное за первый период напряжение полностью снимается во втором периоде.

Приравняем производную от напряжения по времени к нулю.

Получим

д е

Здесь Ѵ(р) и Ѵ(у) — соответственно скорости разупроч­ нения и упрочнения тероконтакта.

Из формулы (5.3) следует, что скорость деформации в контактной зоне с течением времени изменяется по сложному закону и зависит от характера протекания двух антагонисти­ ческих процессов — скорости упрочнения и скорости разупроч­ нения контакта.

Если скорость разупрочнения контакта больше скорости его упрочнения, то скорость деформации растет, и материал контакта переходит в режим вязкого течения. В этих услови­ ях следует ожидать -разрушение контакта вследствие отслаи­ вания верхних ослабленных слоев материала от его основы. При скорости разупрочнения контакта, меньшей скорости его

74

где ß i u — некоторые параметры. Тогда величина износа составит

Д/г = /г0 — /г = /г0а-ѵ.

Из кривой изнашивания (рис. 23) видно, что на первой стадии скорость процесса истирания убывает. Можно при­ нять, что скорость изнашивания с течением времени убывает по параболической зависимости.

Этой закономерности процесса изнашивания хорошо под­ чиняется сферическая модель, у которой длина пути сколь­ жения на контакте 2а пропорциональна корню квадратному из высоты изношенной части отдельного выступа.

Для конической модели отдельной неровности длина пути скольжения на контакте пропорциональна высоте изношенной части выступа, так как a = /itgy. В этом случае величина из­ ношенной части выступа пропорциональна пути или 'времени протекания процесса. Для этой модели кривая изнашивания па первом этапе имела бы вид прямой линии.

ВОПРОСЫ

1.Охарактеризуйте два основных периода преобразования фрикционного контакта.

2.Какие три стадии сопровождают процесс разрушения фрикционных поверхностей?

3.Какой вид имеют две поверхностные зоны контакта при нарушении фрикционной связи?

4.Какова роль поверхностно-активных веществ в вопросах прочности фрикционного контакта?

5.Какое влияние оказывает твердость окислов металлов на прочность фрикционного контакта?

6.Что называется износом сопряженных деталей машин? Какие явления сопровождают процесс изнашивания поверх­ ностей твердых тел?

8.В чем сущность истирания и шаржирования поверхно­

стей?

9.Какие виды разрушения фрикционных контактов сопро­ вождают процесс изнашивания поверхностей?

10.Приведите характеристику процесса изнашивания по­ верхностей во времени.

76 .

Глава è.

РАСЧЕТ ФРИКЦИОННОГО КОНТАКТА

6.1. Характеристика термомеханического нагружения контакта

Последовательные нарушения фрикционных связей про­ исходят при механических и тепловых нагружениях контакта. Механическое нагружение является неодинаковым вдоль по­ верхности контакта. Вследствие трансформации контактного давления 'Передние участки контакта испытывают большие нагрузки, чем задние. Тепловое нагружение контакта, вызван­ ное неравномерным повышением температуры, приводит к диффузионным процессам. В результате атомы в поверхност­ ном слое перемещаются из напряженных к ослабленным мес­ там и оставляют на своем месте вакансии. Поэтому концент­ рацию напряжений следует ожидать в передних зонах кон­ такта, где действуют повышенные давления и ослаблены свя­ зи между атомами. В этих местах появляются нарушения в регулярном строении атомной .решетки —: мелкие трещины, как результат нагружения контакта и его трансформации. Трещины могут появляться и в зонах контакта, где происхо­ дит концентрация атомов вследствие протекания диффузион­ ных процессов. Появление небольших трещин в -местах кон­ центрации атомов в кристаллической решетке — результат теплового нагружения контакта.

Происхождение трещин играет важную роль в вопросах фрикционной прочности контакта. Опыт показывает, что теп­ ловое нагружение контакта редко приводит к разрушению ма­ териала. Вызвано это тем, что при каждом появлении термотрещины происходит ослабление локальных,связей с облегче­ нием протекания местной термической деформации и «разгружением» близлежащей зоны контакта. Поэтому при повтор­ ном термонагружении максимальные термонапряжения возни­ кают в'других местах. В результате появляется разветвлен­ ная сеть мелких микротрещин, ие нарушающая продолжитель­ ное время работоспособности и сопротивляемости контакта. В этих условиях нагружения и преобразования контакта раз­ рушение является вязким.

Повторные механические нагружения усиливают напря­ женность контакта и способствуют дальнейшему росту тре­ щины, которая становится магистральной. Развитие такой ма-

'77

гистралы-юй трещины приводит к хрупкому разрушению кон­ такта.

Тормозом для развития магистральной трещины может быть местная пластическая деформация контакта и появле­ ние на пути ее распространения разветвленной сети мелких термотрещин. Скорости антагонистических процессов образо­ вания магистральной трещины и разветвленной сети микро­ трещин определяются степенью релаксаций напряжений (от механического и теплового нагружений). Механические на­ пряжения способны релаксировать только при малых запасах упругой энергии, т. е. при малой энерго'плотности контакта, а релаксация термических напряжений происходит независимо от величины энергоплотности контакта. Отсюда возникает не­ сколько вопросов. Какая релаксация напряжений более ин­ тенсивная (механическая или тепловая)? При каких услови­ ях релаксация механических напряжений более интенсивная, чем релаксация тепловых напряжений? Как (какими порци­ ями) подводить энергию к контакту и какова должна быть скорость .ее рассасывания (поглощения) в объеме?

Приведенный сравнительный анализ термомеханических нагружений контакта показывает, что процесс управления работой узла трения и обеспечения заданной долговечности его эксплуатации может быть связан с усилением местной пластической деформации контакта и ослаблением общей де­ формации либо создании быстрой смены температурных по­ лей за счет нагрева и охлаждения контактной зоны узла тре­ ния.

В зависимости от условии нагружения, и характера рассе­ ивания энергии при нарушении фрикционной связи различают три основных вида разрушения фрикционного контакта: уп­ руго-вязкое, вязко-пластическое и хрупкое.

Упруго-вязкое разрушение происходит в результате упру­ гого нагружения контакта и рассеяния подводимой энергии, вызывающими небольшое повышение температуры в контакт­ ной зоне, постепенно насыщаемой разветвленной сетью мел­ ких термотрещин. Вязкопластическому разрушению предше­ ствует развитая пластическая деформация контакта и погло­ щение подводимой энергии, связанной с образованием де­ фектов и дроблением контактной зоны на отдельные блоки. При хрупком разрушении контакта нагрева поверхности не наблюдается, подводимая энергия расходуется на разрыв свя­ зи между частицами упрочненной зоны. -

Процесс-нарушения фрикционной связи начинается с рас-

78

гіространения механической волны напряжений, которая при встрече с дефектами поверхностного 'слоя претерпевает изме­ нения и преобразуется в неупорядоченное движение, вызывая нагрев материала. Измененные свойства материала способ­ ствуют развитию пластических деформаций и дроблению по­ верхностного слоя на отдельные блоки, вызывающие упрочне­ ние контакта. При дальнейших нагружениях контакта проис­ ходит концентрация напряжений, вызывающая рост микротрещин до критических размеров с разрушением связей в местах сочленения отдельных блоков.

Рассмотрим методику расчета коэффициентов износа по­ верхностей для упрочненного и иеупрочненного контактов при развитии упругих и пластических деформаций.

Относительная деформация в контактной зоне при нарушении фрикционной связи

Динамический, кратковременный и концентрированный ха­ рактер процесса трения приводит к возникновению периоди­ ческих нагружений, которые, распространяясь в глубь контакт­ ной зоны, способны захватывать заметные по величине объ­ емные слои материалов. Пусть при «встрече» выступов сопря­ женных поверхностей происходит «удар» и начинается фор­ мирование фрикционной связи. В результате «удара» возника­ ет мгновенное изменение скорости скольжения, которое воз­ буждает на поверхности сопряженных тел волновые процес­ сы, распространяющиеся в глубь контактной зоны.

Предположим, что при нагружении предварительно упроч­ ненной контактной зоны в поверхностном слое возникают как продольные, так и поперечные волны. Из этого следует, что слой материала находится под действием сжимающей и сдви­ гающей нагрузок и не допускает значительных заметных де­ формаций. Это дает возможность подсчитать относительную скорость подведения энергии к контактной зоне при наруше­ нии фрикционной связи. Известно, что абсолютные скорости распространения продольных и поперечных волн нагружений в материале составляют

79-