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

ствует металлоструктурный анализ процессов изнашива­ ния деталей машин и видов износа в их развитии, зави­ симости, в связи с переходом от одного вида износа к другому.

В. А. Кислик [66, 67] в своих исследованиях приме­ нил металловедческий метод изучения износа деталей паровоза. На основе изучения изношенных поверхностей деталей, бывших в эксплуатации, и проведенных опытов в лабораторных условиях при имитировании процесса разрушения материалов деталей автор определил ха­ рактерные черты разрушения (виды износа):

1) механическое разрушение зацепляющихся неров­ ностей, происходящее в условиях трения скольжения при непосредственном контакте поверхностей, не разделенных слоем смазки;

2)усталостные разрушения, вызванные повторным механическим взаимодействием неровностей или пере­ менным давлением смазки;

3)износ из-за наклепа металла и повышения хруп­ кости у поверхности, возникающих от деформации при истирании;

4)отслаивание образующихся пленок окислов, насы­ щенных кислородом воздуха;

5)механические разрушения, происходящие в резуль­ тате молекулярного схватывания, в точках местного кон­ такта во время приработки, а также при установившемся

процессе изнашивания; 6) механические разрушения, обусловленные повыше­

нием температуры в зоне трения, вызывающей вследствие закалки повышение твердости на локальных участках местного контакта.

Г. М. Заморуев [53—55] разработал классификацию видов изнашивании при трении скольжения, которая включает десять различных форм, имеющих место в

20

пом пли полужидкостном трении. При этом протекают процессы: упругие и пластические деформации, течение

так же, как заглаживающее при жидкостном или полу­

щееся при граничном трении. Процессы, протекающие при этой форме трения, аналогичны процессам при из­ нашивании поверхностным течением, с той только раз­

форме изнашивания приобретает зеркальный блеск, че­ го не наблюдается при изнашивании течением, так как в этих условиях на поверхностях трения сохраняются более толстые пленки окислов; интенсивность изнаши­ вания в первой форме выше, чем в третьей.

К четвертой форме автор относит окислительное изнашивание. К пятой — царапающее изнашивание, ко­ торое характеризуется тем, что в условиях сухого тре­ ния поверхностные слои сильно деформируются и текут. В активных точках контакта происходит схватывание металлических поверхностей, вырывание небольших ку­ сочков, обладающих высокой твердостью, царапающих поверхности трения. При изучении продуктов износа в них оказывается большое количество типичной мелкой металлической стружки. Явления царапающего изнаши­ вания, развиваясь, переходят в шестую форму изнаши­ вания — заедание. В седьмую форму автор выделяет полирующее изнашивание, характеризующееся процесса­ ми, близкими к полированию поверхностей трения.

Сминающее изнашивание является восьмой формой, химико-механическое в особых условиях — девятой, а абразивное изнашивание — десятой формой. Последнее рассматривается при наличии и отсутствии жидкой сре­ ды. Изнашивание характеризуется пластическими де­ формациями, вдавливанием отдельных зерен в поверх­ ность стали и срезанием стружки.

Предложенная классификация форм изнашивания при всей ее условности позволяет сделать определенные

21

выводы во время исследований износостойкости стали разного химического состава, при различных видах упрочнения поверхностного слоя, а также высказать те или иные рекомендации по повышению износостойкости деталей машин.

В. Ф. Лоренц [104, 105] предложил схему изнашива­ ния металлов, состоящую из трех основных взаимосвя­ занных частей: истирающей пары, образующей стык со­ пряженных, взаимодействующих тел; внешнего воздей­ ствия, которое является причиной, вызывающей взаимодействие сопряженных тел; служебного эффекта действия, являющегося результатом взаимодействия со­ пряженных тел.

Каждая из указанных трех основных частей рабо­ чей схемы изнашивания представляет собой комплекс, состоящий из отдельных элементов, которые по имею­ щимся у них признакам объединены автором в отдель­ ные группы. Так, состояние пары Лоренц характеризует материальными, конструктивными и геометрическими признаками, внешнее воздействие — движением, трени­ ем, средой, силовыми и рабочими факторами, определяе­ мыми длительностью работы истирающейся пары и ка­ чеством обслуживания при эксплуатации. Служебный эффект действия истирающейся пары автор разделяет на полезный и вредный. К полезному относится степень правильности и надежности выполнения истирающейся парой ее служебных функций, к вредному эффекту — ее износ.

Автор считает, что предложенная им рабочая схема изнашивания является отправной базой для разработ­ ки и установления правильных режимов работы сопря­ женной пары.

В. Ф. Лоренц [104], впервые предложивший класси­ фикацию видов абразивного изнашивания, рассматри­ вает износ поверхности фиксированными и свободными частицами абразива, который в свою очередь подраз­ деляется на износ монолитным абразивом, абразивной поверхностью, в абразивной массе, абразивной среде,

'32

кация видов износа по служебным признакам изнаши­ вания деталей (табл. 1).

М. М. Хрущов считает признаками для классифика­ ции условий службы материала деталей, влияющих на изнашивание, род тела, при трении о которое происхо­ дит изнашивание деталей машин, виды трения (трение скольжения и трение качения) и наличие смазки. На основе этого автор составил классификацию типовых внешних условий службы деталей, которые включают в--

му повышению температуры п изменению свойств по­ верхностного слоя испытуемого материала, интенсив­ ность изнашивания оказывается прямо пропорциональ­ ной величине давления: А/i/AL = CP, где Р — величина давления.

Однако следует отметить, что в сопряженных парах, работающих в реальных условиях, эта зависимость не всегда соблюдается.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [161] эксперимен­ тально установили, что при абразивном ■изнашивании чистых металлов и отожженных сталей между износо­ стойкостью и числом твердости сохраняется зависи­ мость в виде прямой пропорции Е = Ь Н = const.

Исследования на абразивное изнашивание различ­ ных сталей в состоянии поставки показало, что для них зависимость износостойкости от твердости выражается той же общей закономерностью, тем же коэффициен­ том Ь.

Вместе с тем для сталей с различной термической обработкой зависимость между износостойкостью и твердостью иная. В данном случае износостойкость возрастает с увеличением твердости, хотя значительно медленнее, чем для чистых металлов и термически необ­ работанных сталей. С увеличением содержания угле­ рода в сталях зависимость износостойкости от твердо­

между поверхностями которых находится абразив, опи­ санная выше закономерность не соблюдается, т. е. твер­ дость в данном случае не определяет износостойкости. Твердая деталь, работающая в паре с мягкой, изнаши­ вается быстрее. Это объясняется тем, что. абразивные частицы внедряются в поверхность мягкой детали и вы­ ступают как многогранный инструмент, срезающий верхние слои твердой детали.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев исследовали влияние

2 5

различной степени наклепа на износостойкость чистых металлов и некоторых сплавов. Выявлено, что при абра­ зивном изнашивании наклеп не оказывает влияния иа износостойкость.

Результаты всех экспериментальных работ, прове­ денных авторами, могут составить основу для построе­ ния теории абразивного изнашивания.

Науку о трении и износе материалов значительно пополнил своими работами Б. И. Костецкий [78, 80]. Автор посвятил исследования изучению закономерно­ стей процесса трения, изнашивания деталей машин, определению физических и химических явлений, проис­ ходящих при трении, разработке методики металловед­ ческого исследования явлений изнашивания, системати­ зации видов изнашивания. Им применен комплексный метод исследования микрорельефа, тепловых полей, структурных и фазовых превращений в материале, воз­

работающая деталь или сопряжение деталей имеет чет­ ко выраженный ведущий вид износа, определяющий стойкость детали при ее эксплуатации. Одновременно имеют место сопутствующие виды износа, оказывающие незначительное влияние на работу трения и износ со­ пряженных деталей. В основе процессов, происходящих при различных видах изнашивания, лежат явления, под­ чиняющиеся законам физики твердого тела и металло­ ведения.

Б. И. Костецкий подчеркивает, что наличие ведуще­ го вида изнашивания позволяет свести задачу об изу­ чении ряда сложных явлений изнашивания в деталях машин к изучению в каждом конкретном случае только одного ведущего вида.

Автор утверждает, что величина износа определяет­ ся в первую очередь внешними факторами: родом и ха­ рактером трения; величиной давления на поверхностях трения и характером положения нагрузки; скоростью взаимного перемещения трущихся поверхностей и изме­ нения скорости во времени; способом подвода, количе­ ством и качеством смазки; температурными условиями; коррозирующими воздействиями и качеством образую­ щихся поверхностных пленок; присутствием абразивов, их качественной и размерной характеристикой; сте­

26

пенью и характером удаления продуктов износа; фор­ мой и размером трущихся поверхностен, определяющи­

кому [80], являются изнашивание схватыванием I рода, окислительное, тепловое или изнашивание схватывани­ ем II рода, абразивное и осповидное.

В своих работах автор дал исчерпывающую харак­ теристику и теоретическое обоснование каждого вида изнашивания.

Б. И. Костецкий считает, что критерием для построения теории износостойкости металлов должны служить установленные законы разрушения поверхностных сло­ ев при трении и анализ физических явлений, происходя­ щих в поверхностных слоях трущихся материалов, опре­ деляющих вид трения и механизм изнашивания. Износостойкость зависит от свойств сопротивления металла данному виду изнашивания. Повышение износостойко­ сти достигается путем усиления тех свойств, которые оказывают сопротивление данному виду изнашивания. Эффективным в решении этого вопроса является созда­ ние таких условий работы трущихся пар, при которых вместо нежелательных видов (схватывание I и II рода, абразивное, осповидное) протекало бы окислительное изнашивание. Этого можно достичь изменением свойств, поверхностного слоя трущихся пар.

Изучению износа и его классификации посвятил свои исследования и Д. В. Конвисаров [70]. Автор рассмат­ ривает износ как результат проявления трех процессов: хрупкого скалывания частиц, пластического деформиро­ вания (смятия) и окисления. Этому же вопросу посвя­ щены некоторые работы Б. Д. Грозина [39], который считает, что из-за многообразия явлений, приводящих к износу, классификация видов износа вообще теряет вся­ кий смысл.

Классификация видов износа описана в работах не­ которых зарубежных авторов. Барвелл и Стронг [11] выделяют виды износа вследствие адгезии, коррозии, при наличии абразивных частиц, вследствие пропахива­ ния твердыми неровностями более мягкого контртела и износ по другим причинам — эрозии поверхностей, уста­ лости и т. п.

27

Барвелл особо выделяет непрерывный износ, выра­ жающийся в удалении металла в виде небольших час­ тиц, уносимых смазкой без порчи поверхности. Этот вид износа может продолжаться в течение длительного вре­ мени, прежде чем его влияние станет ощутимым.

К нежелательному виду износа автор относит задир поверхности, который приводит к невозможности даль­ нейшего использования детали. Причиной задира явля­ ется высокая температура, возникающая в точках не­ посредственного контакта.

Барвеллом в особые группы выделены износ при трении качения, являющийся следствием усталости ме­ талла, и абразивный износ.

Наиболее тяжелой формой разрушения поверхности Барвелл считает «усталостную коррозию», которая ха­ рактеризуется появлением на поверхности осповидных углублений и скоплением окислов. Смесь наклепанного металла окислов, продуктов химических реакций уско­ ряет ухудшение поверхностей и ее износ.

Блок [16] отмечает, что при всем многообразии ви­ дов износа общим для них является перенапряжение поверхностного слоя металла. Поэтому в основу класси­ фикации нужно взять те виды износа, в которых пере­ напряжения проявляются особенно сильно. К первому классу автор отнес односторонний износ (или эрозию), ко второму — двусторонний износ, к последнему — аб­ разивный, адгезионный износ и износ за счет усталост­ ного разрушения поверхности.

Схематическая классификация Блока не дает реко­ мендаций, при каком виде износа поверхность сможет работать, не теряя служебных свойств более длитель­ ное время. Этого недостатка не имеют классификации Б. И. Костецкого и Барвелла.

Некоторые зарубежные ученые считают, что сила трения и износ поверхности возникают вследствие взаимодействия тел, образования мостиков сварки под действием температуры трения и разрушения этих мо­ стиков. Объемное деформирование поверхностных сло­ ев, по их мнению, играет второстепенную роль, что для металлов оно всегда пластическое, а это значит, что коэффициент трения является величиной постоянной и его значение выражается отношением сопротивления на срез к твердости менее прочной составляющей пары

•28

трения. Такая точка зрения противоречит действитель­ ному положению вещей.

II.В. Крагельскин, Б. И. Костецкпй, М. М. Хрущов

идругие ученые придерживаются иной точки зрения: образование мостиков сварки в нормальных условиях трения устраняется применением различных смазок и пленок (окислов). Основную роль при трении и износе играет объемное упругое и пластическое деформирова­

ние мнкроиеровиостей и в результате многократного де­ формирования усталостное разрушение их. Коэффи­ циент трения изменяется для данной пары в зависимо­ сти от давления, размера поверхности, температурного режима, ибо он представляет собой комплексную харак­ теристику свойств тел, режимов скольжения.

Финч [154, 155], изучая явления схватывания в за­ висимости от давления и температуры, сделал вывод, что в этом процессе немаловажную роль играет пласти­ ческая деформация, которая приводит к разрушению окисных адсорбированных пленок, предотвращающих схватывание. Различную склонность к схватыванию раз­ ноименных пар металлов автор объясняет их различ­ ными физическими свойствами, главным образом раз­ личной твердостью и изнашиваемостью окисных пленок.

Финк [152, 153] при исследовании влияния окисле­ ния металлов при трении качения на износ трущихся пар пришел к заключению, что окисление металлов при их износе трением второго рода резко увеличивает ко­ эффициент трения, является промежуточным этапом разрушения трущихся поверхностей, что окислению со­ путствует пластическая деформация поверхностного слоя. На основе экспериментов автор развил свою те­ орию окисления трением.

Б. И. Костецкий, изучая работы Финка, отметил основной недостаток его исследований: они проводились при трении II рода. Трение II рода характеризуется упрочнением поверхностных слоев металла, остаточны­ ми напряжениями I рода и явлениями усталости метал­ ла. Все это вызывает ведущий осповидный износ. Окис­ ление поверхностного слоя — второстепенный вид износа, сопутствующий осповидному — основному.

Вероятно, для глубокого изучения характеристик износа недостаточно исследовать только продукты изно­

29