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

Г. И. Епифанов, рассматривая трение как сопротив­ ление материалов сдвигу и исходя из представления о единой природе трения, считает, что при скольжении срезаются не только молекулярные мостики, а срез происходит по площади, во много раз превышающей суммарную площадь мест схватывания. Эксперимента­ ми, проведенными им, было доказано, что при правиль­ ной оценке площади среза трущихся тел удельная сила оказывается близкой к сопротивлению материала срезу. Объяснение автором величины силы трения только со­ противлением материалов срезу без учета сил адгезии и пластических деформаций умаляет возможности этой теории.

Английская школа Боудена создала свою теорию тре­ ния, которая за границей получила в последнее время широкое распространение [17—21]. По мнению Боудена и Тейбора [22—24], между поверхностями трения твер­ дых тел вследствие молекулярного взаимодействия в точках контакта образуются мостики сварки, которые с приложением тангенциальной силы разрушаются и вы­ деляют тепло. Перемещение поверхностей относительно друг друга вызывает непрерывное образование и разру­ шение соединительных мостиков. Неровности более твер­ дой поверхности «пропахивают» менее твердую, вызывая тем самым определенной величины силу трения. Боуден [25] объясняет ее возникновение наличием сопротивле­ ния срезу Fc металлических соединений и сопротивления «пропахиванию» Fn:

где ѲПр — касательное напряжение среза; 5ф — факти­ ческая площадь контакта; Ті— удельное сопротивление вытеснению металла; 5 — поперечное сечение дорожки трения.

Боуден и Лебен [26] исследовали площади контакта между трущимися поверхностями и явления скачкооб­ разного движения при трении. Авторы пришли к выводу, что сила трения не является величиной постоянной, а испытывает весьма резкие колебания. Процесс скольже­ ния не является непрерывным, движение происходит рывками. Боуден и Лебен объясняют скачкообразный характер силы трения тем, что при трении металлов

11

происходят явления сварки с последующим разрушением мест схватывания.

Возможно, что при большом давлении происходит слипание металлических поверхностен, но это явление нельзя обобщать, так как оно наблюдается даже при трении металла о дерево, когда никакой сварки быть пе может. Скачкообразные изменения силы трения значи­ тельно раньше были изучены н объяснены советскими учеными, которые показали, что скачки являются резуль­ татом автоколебании испытательной системы, а не след­ ствием разрыва узлов сварки [22, 23].

Одним из главных достоинств исследований англий­ ской школы является увязка характеристик трения с механическими свойствами трущихся тел. Однако выво­ ды, представления о механизме трения и их теоретиче­ ские обоснования часто далеки от реальных процессов, так как они сделаны без учета точных законов атомных взаимодействий.

В последние годы развивается п совершенствуется молекулярно-механическая теория трения, основные по­ ложения которой сформулированы И. В. Крагельским [82—91]. Анализируя формулу Амоптона — Кулона [2], И. В. Крагельский показал, что опа является выра­ жением более полного закона, который наряду с меха­ ническими факторами учитывает явления износа, прили­ пания и шероховатость поверхностей. Автор отмечает, что трепне имеет двойственный характер: с одной сторо­ ны, оно обусловлено возникновением механических за­ цеплений поверхностей трения, с другой — возникнове­ нием молекулярного притяжения. Исходя из дискретной структуры контакта, И. В. Крагельский предложил производить расчет силы трепня путем суммирования сопротивлений, возникающих па площадях молекуляр­ ного и механического взаимодействия:

F ~ Кмол^ф.мол Ч Кмех'-’ф.мех’

где Тмол. Тдіех — удельные молекулярные и механические

ного молекулярного взаимодействия; В\ — коэффициент, характеризующий молекулярную шероховатость; А2 — сопротивление срезу при отсутствии нормальной нагруз­

13

ки; В2— коэффициент, характеризующий упрочнение материала под действием сжимающей нагрузки.

При постоянном соотношении площадок контакта за­

где а, ß — параметры, зависящие от механических н мо­ лекулярных свойств поверхностей.

Исходя из двойственной природы трения, следует, что оно связано с объемным деформированием материа­ ла и преодолением молекулярных связей между сбли­ женными участками трущихся поверхностей. Механиче­ ское деформирование обусловлено взаимным внедрением более жестких выступов (шероховатостей) в сопряжен­ ное тело. Вследствие анизотропии механических свойств металлов и сплавов внедрение одной поверхности в дру­ гую возможно даже при совершенно гладких (полиро­ ванных) поверхностях. Различно ориентированные кри­ сталлиты по-разному сопротивляются сжимающей на­ грузке, и первоначально гладкие поверхности при сжа­ тии становятся шероховатыми.

Адгезионные связи твердых тел обусловлены различ­ ными видами межмолекулярного взаимодействия пленок на твердых телах (окисных, пленок-смазок, адсорбиро­ ванных пленок различных газов) и свойствами этих пле­ нок. При сближении между поверхностями возникают силы молекулярного притяжения.

Экспериментально силы молекулярного притяжения были определены Б. В. Дерягиным {44]. Так как эти силы очень быстро убывают с увеличением расстояния, то они пли совсем не проявляются, или приводят к весь­ ма прочной связи, которую при разрушении контакта обнаружить также невозможно. О наличии таких сил можно судить по контактам пластических или весьма упругих тел. Процесс диффузии на образовавшихся пят­ нах касания начинается почти мгновенно, что обеспечи­ вает прочность связи.

Окисные пленки на поверхности — это наиболее частый вид химического действия окружающей среды на поверхности трущихся деталей. Пленки, вступая в адге­ зионное взаимодействие, защищают От схватывания сами тела. Прочность пленок меньше прочности основ­ ного металла, поэтому разрушение происходит не по

13

глубине материала, а в поверхностных слоях. Адгезион­ ные разрушения при трении — это разрушения на сдвиг тонкой промежуточной пленки между поверхностями трения. В зоне фрикционного контакта происходят физико-механические изменения свойств материалов де­ талей, протекает деформирование поверхностных слоев, особенно в местах контакта. И. В. Крагельскнй указы­ вает на тесную связь между величиной адгезии и сопро­ тивлением объемному деформированию.

Из молекулярно-механической теории трения следует, что процесс внешнего трения представляет собой дефор­ мирование весьма тонких поверхностных слоев каждого из соприкасающихся тел, сопутствующее разрушению адгезионных мостиков между пленками, покрывающими эти тела. Трение значительно меняет рельеф соприкаса­ ющихся поверхностей, а поверхностные слон приобре­ тают совершенно иные свойства по сравнению с материа­ лом нижележащих слоев. Различие в свойствах (и в пер­ вую очередь в прочности) адгезионной связи и нижеле­ жащих слоев является определяющим фактором трения. Необходимым условием для внешнего трения является положительный градиент механических свойств по глуби­ не каждой из трущихся поверхностей, т. е. dox/ d z > О, где ах — разрушающее напряжение в направлении пло­ скости касания; z — координата, перпендикулярная к плоскости касания.

При этом условии связь менее прочна, чем в нижеле­ жащих слоях, и все деформации сосредоточиваются в тонком поверхностном слое. Если dox/ d z < 0, т. е. связь прочнее нижележащих слоев, то разрушение будет происходить по более слабому основному материалу на значительной глубине. Возникает внутреннее трение.

Поэтому так важно для нормального протекания про­ цесса внешнего трения наличие положительного гра­ диента, который обеспечивается за счет применения бо­ лее мягких покрытий (жидких и твердых смазок) пли за •счет высоких скоростей и температур, размягчающих •более тонкие поверхностные слои. Анализ механизма внутреннего и внешнего трения показывает, что природа внутреннего трения едина, она связана с передачей ко­ личества движения от одного слоя к другому. Природа внешнего трения двойственна, она обусловлена преодо­ лением адгезионных сил, возникающих между двумя те-

14

ламп, II преодолением сопротивления объемному дефор­ мированию материала, обтекающего неровности.

Согласно молекулярно-механической теории, сила трения

(9)

где Fоб, Fадг — силы, затрачиваемые на объемное дефор­ мирование материала и расходуемые на преодоление адгезионных связей в зоне контакта.

Вычисляя площади касания для различных типов контакта и устанавливая сопротивление на срез (т)> адгезионные связи и предел текучести (as)деформируе­ мого полупространства, И. В. Крагельский дает выраже­ ние для силы трения, силы нормального давления и коэф­ фициента трения. Поэтому коэффициент трения опреде­ ляется по формуле

S

где то — прочность на срез адгезионных связей при от­ сутствии сжимающего усилия; ß — пьезокоэффициеит, или коэффициент упрочнения адгезионной связи от нор­ мального давления; С — коэффициент формы, С«3; as —

где /деф — деформационная составляющая.

Анализ формул показывает, что коэффициент трения уменьшается с повышением прочности пленки (то) и ее толщины, повышением твердости (os) и за счет уменьше­ ния /г. Применяя обильную смазку, уменьшая адгезию,, можно при определенной нагрузке иметь постоянный, коэффициент трения независимо от материалов.

Несмотря на всю сложность картины трения, все же возможно установить определенные закономерности раз­ вития процесса трения. На трение скольжения оказы­ вают наибольшее влияние три параметра: нагрузка, ско­ рость и температура. Очевидно, что с увеличением на­ грузок растет объемная составляющая силы трения, так как увеличивается площадь касания. Рост температуры

15

•на поверхностях трения характеризуется прямой зави­ симостью от скорости. Увеличение температур влияет на свойства граничных фаз, вследствие чего коэффициент трения изменяется. По исследованиям Боудена и Тейбо­ ра, с повышением температуры коэффициент трения убывает вплоть до начала термического распада или плавления граничной пленки [24]. С увеличением темпе­ ратуры и падением твердости материала увеличивается глубина внедрения единичных неровностей, что приводит

механической природе трения являются общепризнанны­ ми. Однако с дальнейшим развитием теории упругости, физики твердого тела все чаще выполняются исследова­ ния, связывающие трение с пластическим оттеснением материала, работой, затрачиваемой на это, а также с электрическими явлениями. Сделаны попытки построе­ ния физической теории, согласно которой трение и износ •обусловлены работой, затрачиваемой на образование новой поверхности (В. Д. Кузнецов), электромагнитной теорией трения (Бриллюэн), молекулярно-кинетической теории для полимеров (Г. В. Бартенев). А. Д. Дубинин [47] предложил энергетическую теорию трения и изно­ са. Она исходит из предпосылок, что процесс трения един, но эффекты, связанные с ним, могут быть различ­ ны, и зависят они от разных условий. Опыт и повседнев­ ная практика показывают, что при движении одного тела относительно другого (твердого, жидкого и газооб­ разного) происходит непрерывное скачкообразное пре­ вращение энергии поступательного движения тела в энергию волновых и колебательных движений частиц ма­ териальной системы, в результате чего возникают термо­ электронные, термические, акустические и другие явле­ ния. Причиной возникновения указанных явлений слу­ жит механическая энергия, рассеянная в субмикроско­ пических частицах массы поверхностного слоя, что и •обеспечивает возникновение упругих колебаний (акусти­ ческих явлений) и распространение пластических воли напряжений. При распространении в массах трущихся тел упругих и пластических волн напряжений возникает

16

носостойкости и долговечности, стремлением изучить по­ ведение материалов при различной их обработке и усло­ виях трения.

На актуальность изучения явлений износа в своих работах неоднократно указывали Н. Н. Давпденков, А. К. Зайцев, М. М. Хрущов, Б. И. Костецкий, И. В. Крагельский и др.

Для выявления сущности механизма износа, система­ тизации явлений, происходящих при этом, как отмечено

вряде работ, необходима четкая классификация износа

итеория изнашивания материалов [52].

Внастоящее время предложено несколько классифи­ каций.

А. К. Зайцев предложил развернутую классификациювидов изнашивания, которая включает следующие виды

явления и процессы состоят главным образом в механи­ ческом взаимодействии, т. е. в изменении формы и объе­ ма трущихся поверхностей, без существенного проявле­ ния физических и химических изменений;

II класс — физико-механический (ФМ), когда меха­ нический износ сопровождается существенными физиче­ скими процессами;

III— химико-механический (ХМ), когда механиче­ ский износ сопровождается существенными химическими процессами;

IV класс — комплексный (К), когда механический износ сопровождается существенными физическими и хи­ мическими процессами.

Далее автор уточнил характеристику износа в 12 пунктах -— по роду трения: скольжение, качение, смешан­ ное; по виду трения: твердое, полусухое, полужидкостное, абразивное; по среде: в воздухе, во влажном воздухе, в ином газе, в смеси газов и паров, в воде дистиллирован­ ной и морской, в водном растворе разных веществ и т. д.

Классификация получилась громоздкой и, по словам самого автора, дает «символическую характеристику износа» [52], поэтому она не нашла применения.

После многочисленных исследований и анализа лабо­ раторных опытов по изнашиванию в условиях трения скольжения И. В. Крагельский и Е. М. Швецова [84]

18

предложили свою классификацию, которая построена на последовательных процессах: взаимодействия поверх­ ностен, их изменении и разрушении.

В зависимости от рода взаимодействия и характера его очагов возникают различные процессы разрушения поверхностей трением. Одновременно происходит дефор­ мирование и нагревание слоя материала, вызывающее в нем физические и химические изменения, а также тот или иной вид разрушения и его интенсивность. Авторы утверждают, что видов взаимодействия два: механиче­ ское и молекулярное. Видов разрушения несколько.

При механическом взаимодействии обнаружены вы­ царапывание, выкрошиванпе, микроразрушенпе.

При молекулярном взаимодействии обнаружены глу­ бинное вырывание, если силы сцепления велики (молеку­ лярное схватывание); некоторые виды разрушения ме­ ханического воздействия, если силы сцепления малы и на­ рушаются при дальнейшем скольжении тел (молекуляр­ ное притяжение).

Авторы утверждают, что в поверхностных слоях также могут быть разнообразные физико-химические изменения, которые определяются свойствами материа­ лов в узлах трения, упрочнение при деформации, рекри­ сталлизация, образование и распад твердых растворов, коагуляция, диффузия, насыщение элементами окружаю­ щей среды и т. д. Поэтому, чтобы как-то влиять на износ узла, надо определить, какой вид взаимодействия имеет место, какой вид разрушения он вызывает и какие физи­ ко-химические изменения происходят в поверхностных слоях тех или иных деталей.

Последствия разрушения и физико-химических про­ цессов остаются на изношенных поверхностях. Зная от­ личительные признаки, последовательность и характер развития отдельных звеньев этой цепи явлений, авторы считают, что можно по последствиям разрушения опре­ делить весь процесс изнашивания. Для этого И. В. Крагельский и Е. М. Швецова составили карты износа и дали описание отдельных его видов [84, 87—89]. И. В. Крагельский [88] определил идеальное изнашивание как процесс разрушения материала, образующего фрикцион­ ную связь в результате ее многократного нарушения. Его молекулярно-механическая теория нашла широкое применение при изучении износа деталей машин.