Лекция № 3

1. РАЗРУШЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ. ОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТИЦ ИЗНОСА

О природе разрушения твердых теп

Механизм разрушения твердых тел в большой мере зависит от вида материала (металлы, хрупкие тела, полимеры), вида нагружения, а также величины нагрузки, вызывающей разру­шение. Следует различать механизм разрушения в условиях многократного и однократного воздействия. При многократном воздействии изучение этого механизма представляет особые трудности, так как материал изменяет свои свойства в процессе повторного нагружения.

Применительно к конструкционным материалам, металлам, условия разрушения при однократном воздействии рассмотрены Н. Н. Давиденковым и Я. Б. Фридманом.

Весьма эффективным является предлагаемый Я. Б. Фридма­ном критерий жесткости нагружения, представляющий собой от­ношение максимального касательного напряжения {т_тах) к мак­симальномуприведенному растягивающему напряжению 5^_ах.

Если нагружение жестко, т.е. , то разрушение происходит в результате отрыва материала, так как в материале скорее достигнется критическое напряжение отрыва. Если нагружение мягко, т. е. , то разрушение осуществляется путем сдвига. Важно, что характер разрушения зависит в та­кой же мере от свойств материалов, как и от условий нагружения, что открывает пути правильного использования свойств материа­лов и выбора режима их эксплуатации.

Максимальная техническая прочность, т. е. максимальное нор­мальное к плоскости трещины растягивающее напряжение s_к, вы­ражается Гриффитсомследующим образом в зависимости от величины поверхностной энергии s_н, модуля упругости материа­ла E и длины трещины с:

(1.5)

Трещина будет самопроизвольно увеличиваться, когда умень­шение упругой энергии в образце за счет падения напряжения вокруг трещины в связи с ее ростом равно или больше увеличе­ния потенциальной энергии, связанной с образованием поверхно­стей разрыва. Однако это справедливо лишь для идеально упру­гих тел. Если же тела обладают пластичностью, то освобождаю­щаяся при раскрытии трещины упругая энергия будет расходо­ваться не на дальнейшее увеличение трещины, а на пластические течения. Это ограничивает приложение схемы Гриффитса.

В. И. Лихтман, Е. Д. Щукин и П. А. Ребиндер предлага­ют рассматривать два этапа этого процесса: а) стадию пласти­ческой деформации, предшествующей появлению опасных тре­щин и б) быстрое распространение одной или нескольких сли­вающихся опасных трещин. Переход от одной стадии к другой происходит, когда произведение нормального напряжения рна скалывающее t достигнет величины , где G — модульсдвига,

a —свободная поверхностная энергия твердого тела, L — сече­ниеобразца (в нашем случае — сечение частицы износа).

Особые трудности представляет собой анализ механизма раз­рушения тел при напряжениях, меньших критических, происхо­дящих в результате однократного длительного или повторных воздействий.

Наиболее глубокое изучение временной зависимости прочно­сти твердых тел было выполнено С. Н. Журковым с сотрудника­ми.

Итогом этих исследований является зависимость времени, необходимого для разрушения твердого тела, от ряда пара­метров:

, (1.6)

 

где t₀ — постоянная, близкая к периоду тепловых колебаний ато­мов;

и — энергия активации процесса разрушения;

(1.7)

 

 

здесь u₀ - энергия активации процесса разрушения при отсутствии растягивающего напряжения, близкая по вели­чине энергии сублимации для металлов или энергии химической связи для полимеров;

g — коэффициент, зависящий от природы и структуры ма­териала;

р — растягивающее напряжение;

k – постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

Зависимость (I. 6) соблюдается в широком диапазоне време­ни (10^-3 до 10⁷).

Об образовании частиц износа

Рассмотрим образование частиц износа при микрорезании, глубинном вырывании и повторном деформировании.

Микрорезание

При соответствующей конфигурации контактирующего вы­ступа или наличия на поверхности трения твердой частицы (аб­разива или наклепанной частицы износа материала) при внедре­нии на достаточную глубину (примерно 0,2—0,3 радиуса высту­па), т. е. при переходе порога внешнего трения, мо­жет наблюдаться микрорезание материала.

Стружка, полученная М М. Хрущовым при воздействии абразивной шкурки, находящейся на жесткой металлической основе, па сталь У-8, закаленную и отпущенную при 100°С. Однако получить стружку, когда абразив находится в почве, почти невозможно, так как в этом случае абразивные частицы округлены и не лежат, как у абразивной шкурки, на твердом основании. Эти частички, утапливаясь в почву, лишь пластически деформируют металл.

В обычных узлах трения получение таких частиц износа ис­ключено, так как заранее подбирают нагрузки, при которых внед­рение не достигает необходимой для резания величины.

Следует учитывать, что если даже в одном из 1000 контактов допустить резание, то оно уже становится ведущим видом из­носа.

Глубинное вырывание

Глубинное вырывание — недопустимый вид разрушения. При дисперсном характере его интенсивно изнашиваются поверхно­сти трения. В некоторых случаях, при достаточно больших оча­гах глубинного вырывания, наблюдается заедание поверхностей трения, полностью нарушающее работу узла трения.

Глубинное вырывание возникает при нарушении порога внеш­него трения. Оно носит характер выдирания или выкалывания материала не по месту спайки, а внутри одного из тел.

Поверхность разрушения состоит из фигур, напоминающих по форме фигуры, образующиеся при разрушении разрываемых образцов: у пластичных материалов выступающие вверх и вдоль движения, а также сужающиеся конусы и гребни; у хрупких ма­териалов — острые уступы и впадины.

Условия для схватывания обычно возникают только в отдель­ные моменты скольжения. Значительную часть пути грубые, рва­ные поверхности, с выступами и углублениями, внедряются одна в другую, выцарапывая, а в некоторых местах выглаживая поверхности. Поэтому глубинное вырывание почти всегда сопро­вождается другими видами разрушения.

Поверхности трения обычно покрыты царапинами различной длины, отличающимися от царапин, полученных без вырывания, тем, что их дно и стенки имеют рваные очертания.

 

Вырванный материал образует выступ, который вновь схваты­вается с окружающим материалом. Происходит глубинное выры­вание внутри царапины, в результате чего последняя расширя­ется. Этот процесс носит лавинный характер.

Глубинное вырывание может наблюдаться в узлах сухого трения, где оно при значительных давлениях и малых скоростях скольжения принимает массовый характер и приводит к быстро­му выходу из строя трущихся деталей. Примером может слу­жить фрикционный узел автосцепки железнодорожного подвиж­ного состава, когда ранее трущаяся пара (цилиндр — сухарь ав­тосцепки) изготовлялась из близких по составу сталей.

В условиях граничной смазки глубинное вырывание возмож­но только при разрыве масляной пленки, прочность которой очень велика. Ее разрыв возможен при неустановившемся режи­ме трения или его нарушении в процессе приработки, при пере­рывах подачи смазки, попадании частиц между поверхностями трения, перегреве контакта и других причинах.

Процесс вырывания сопровождается интенсивными механи­ческими изменениями окружающих слоев материала на значи­тельную глубину. Зерна вытягиваются, образуя вихреобразную структуру, измельчаются и перемешиваются до полной однород­ности. В поверхностных слоях они переходят иногда в окислы или нетравящийся слой. Так, в процессе задира при граничной смазке образуются белые пятна.

Причиной глубинного вырывания является нарушение порога внешнего трения за счет возникновения отрицательного градиен­та механических свойств по глубине от поверхности трения или за счет слишком большого относительного внедрения.

Отделение частиц вследствие повторного деформирования

Пятна касания при износе располагаются хаотически. Перед каждым пятном возникает гребешок деформированного материа­ла. Волна бежит перед выступом (рис.6), распространяясь и в глубину. Повторные воздействия приводят к возникновению концентраторов напряжений. Последние появляются также в ре­зультате тепловой и механической обработки детали под влия­нием тепла, выделяющегося при трении. Они вызываются также следами обработки — царапинами и, наконец, металлургически­ми дефектами — усадочными порами, газовыми пузырями, вклю­чениями шлака, резкой неоднородностью размеров кристаллов, различием в твердости и т. д. Эти концентраторы постепенно пе­реходят в трещины, не срастающиеся после снятия нагрузок, вследствие адсорбционных, диффузионных и коррозионных про­цессов, которые протекают на вновь образованных поверхностях раздела.

Механизм образования этих трещин описай нами выше как для адсорбционного, так и кррозионного воздействий.

Разрушение материала в результате повторных деформаций, приводящих к разрыхлению металла, подробно описано Н. Н. Афанасьевым. Он указывает, что при достаточных на­пряжениях, например для армко-железа 26 кГ/см², линии сдви­гов при повторных изгибах образца заметны уже при первых циклах нагружения. Потом эти линии увеличиваются в ширину и иногда дают разветвление. Позднее линии сдвигов превращают­ся в трещины. Первым признаком перехода линии сдвига в тре­щину усталости является образование у конца ее густой развет­вленной с системы линий сдвигов, напоминающей по форме корневище.

 

Рис. 6. Валик, образующийся при скольжении индентор

 

 

Упрочнение зерна связа­но с повышением предела текучести; оно приводит к повышению напряжения при той же деформации. В связи с возрастанием напряжения в отдельных дефектных ме­стах возможно образование скольжения с надрывами. Постепенно эти надрывы сливаются в трещину, которая приводит к разрушению материала.

 

Разрушения, возникающие на поверхностях трения в резуль­тате повторных воздействий, названы нами фрикционной уста­лостью.

Некоторые закономерности фрикционной усталости описа­ны выше. К сожалению, экспериментальных данных по оценке величин частиц износа, образующихся в этих условиях, имеется еще недостаточно. Так, для металлов мы располагаем данными Керриджа и Ланкастера, относящихся к сухому трению. Ю. И. Костерин для асбофрикционных материалов, поль­зуясь седиментационным методом Фигуровского, определил, что средний размер асбофрикционныхчастиц составляет 1 — 2 мм, а иногда и меньше.

Как известно, при установившемся режиме трения шерохова­тость поверхности воспроизводится. Каков механизм воспроиз­ведения шероховатости — сказать трудно. Сам процесс отделе­ния частицы износа — явление достаточно редкое. Так, если'при­нять, что размер частицы износа эквивалентен сфере диаметром 3 мк, то при линейном износе 10^-10 с поверхности 1 см² отделится при перемещении на 1 см две-три частицы. Это обстоятельство заставляет высказаться в пользу усталостного износа.

Частицы износа могут иметь форму ле­пестков или очень мелких образований— в виде пыли, отшелу­шивающейся с поверхности трения, представляющей собой предельно охрупченный материал вследствие перенаклепа, окисле­ния или диффузионного легирования. На рис. 12 показано схема­тически возникновение подобных частиц износа.

О расчете размера частиц износа

Rabinowicz рассуждает так. Пусть полусферическая ча­стица лежит на поверхности, удерживаясь на ней силами адге­зии по диаметральной плоскости. Если эту частицу сжимать дру­гой поверхностью, параллельной первой, то упругая энергия де­формации, изменяющая размеры тела в поперечном направле­нии, выразится следующим образом

, (1.8)

 

где n — коэффициент Пуассона;

e — деформация сжатия.

Общая поверхностная энергия, удерживающая частицу,

(1.9)

Для отделения частицы необходимо, чтобы E_J ³ E_s, откуда

, (1.10)

где W _ab = g _a + g ь - g_ab. Здесь g _а и g _ь — поверхностное натяже­ние на границе твердое тело —воздух; g_ab — поверхностное на­тяжение на границе раздела этих твердых фаз.

Полагая, что n² = 10^-1, e_max =3×10^-3 и , находим

, (1.11)

где q — эффективное напряжение пластического деформирова­ния, q=cs_s.

Далее Рабинович рассматривает полусферу, касающуюся диаметральной площадью. Однако он полагает, что адгезия воз­никает на поверхности полусферы, а последняя сжимается силой, нормальной к диаметральной площади. Полагая, что частицы и основа состоят из одного и того же материала, он получает

 

(1.12)

В данном случае автор полагает, что

g _a + g ь - g_ab=2g_a

 

Э. Рабинович первый предпринял попытку расчета размера частицы износа. Однако предполагаемый расчет страдает изве­стной схематичностью. Приравнивать работу упругой деформации работе, необходимой для образования новой поверхности, не следует, так как значительная доля работы затрачивается на пластическое деформирование зоны, прилежащей к поверхно­сти трещины, и упругое деформирование прилежащих областей.

Кроме того, эта расчетная схема совершенно не учитывает необходимость образования трещин предразрушения. Однако, как мы отмечали, общая работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, может быть пропорциональна поверхностной энергии, поэтому соотношение (I.17) следует рассматривать лишь как безразмерную характеристику, которой могут быть пропорциональны размеры частиц.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ФРИКЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ

Из предыдущего мы видим, что взаимодействие поверхностей имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Мо­лекулярное взаимодействие обусловлено взаимным притяжением двух твердых тел, их адгезией; механическое — взаимным внед­рением элементов сжатых поверхностей. При скольжении имеют место различные изменения поверх­ностного слоя, вызванные деформацией, напряжением, темпера­турой и химическим действием окружающей среды. Были рассмотрены различные виды разрушения поверхностей трения. Па основе изложенного произведем классификацию фрикцион­ных связей, возникающих на поверхностях двух тел под дейст­вием нормальных и тангенциальных сил и исчезающих при сня­тии этих сил.

На рис.7 показано пять основных видов нарушения фрик­ционных связей. Первые три вида наблюдаются при механиче­ском взаимодействии, последние два — при молекулярном. В за­висимости от величины адгезии и относительной глубины

Трение

 

Рис. 7 Основные виды нарушения фрикционных связей

 

внедрения будут иметь место:1) упругое оттеснение материала; 2) пластическое оттеснение материала; 3)срез внедривше­гося материала; 4) схватывание пленок, покрывающих поверхно­сти твердых тел, и их разрушение; 5) схватывание поверхностей, сопровождающееся глубинным вырыванием материала.

Условия перехода от первого вида ко второму и третьему за­висят от относительной глубины внедрения материала и величи­ны сил адгезии. Если принять, что внедряющийся элемент подобен сферическому индентору, то, как мы увидим далее,микрорезание в случае идеальной смазки будет, когда , для сухих поверхностей - приблизительно 0,1.

Упругое оттеснение будет иметь место, когда

. (1.13)

Характер деформирования единичных неровностей можно оценивать по углу их наклона. X. Блок предложил следующую характеристику (по Буссине):

(1.14)

где b — множитель, изменяющийся от 0,8 до 2;

Н — твердость;

m — коэффициент Пуассона.

Это уравнение эквивалентно предыдущему и отличается от него лишь множителем. Согласно уравнению {I. 14) пластиче­ская деформация имеет место для сталей при угле О больше 1° и для цветных металлов больше 0,3°.

Осуществление четвертого и пятого видов зависит от соот­ношения между прочностями пленки и основного материала, а также от величины напряженного состояния. Если прочность пленки меньше прочности основного материала, то будет иметь место четвертый вид. Когда прочность пленки или поверхностных слоев, лишенных пленки, больше, то будет иметь место пятый вид.

Переход от четвертого к пятому виду зависит от градиента механических свойств.

Если , где t — сопротивление на сдвиг, h — глубина, отсчитываемая от пятна касания, то будет иметь место четвертый вид; если < 0 — пятый вид.

Тот или иной вид нарушения фрикционной связи зависит как от геометрии контактирования (формы выступа и глубины внед­рения), так и от свойств материала: предела текучести s _s, мо­дуля упругости Е, величины адгезии.

Весьма типичным для трения и изнашивания является рас­смотрение взаимодействия двух трущихся тел, разделенных про­межуточной прослойкой (пленкой смазки, окисла и др.).

3. УСЛОВИЯ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ОБЛАСТЬ ПРОЦЕССОВ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ

 

Было бы неправильным всякое тангенциальное сопротивле­ние, возникающее в плоскости касания двух тел, называть силой трения, а наблюдаемые при этом повреждения считать износом. Если стоять па этой позиции, то прочность любого сварного шва, испытываемого на срез, будет характеризоваться силой трения, а повреждение при разрушении — его износом. Или, например, срез зубьев реечного зацепления будет являться трением, а сре­занные зубья рассматриваться как износ. Очевидно, что эти точки зрения являются неверными и поэтому необходимо более четко сформулировать понятие о силе трения и износе.

Если оценивать виды образования и нарушения пятен по ус­ловиям отделения материала, то их можно разделить на три группы:

первая — пятна, в которых материал отделяется при очень большом числе циклов (рис.7, I и IV виды);

вторая — пятна, в которых материал основы отделяется при однократном образовании и исчезновении пятна (III и V виды);

третья — промежуточный случай, когда материал основы от­деляется при многократном образовании и исчезновении пятна (II вид).

Для внешнего трения необходима локализация всех деформа­ционных процессов в тонком поверхностном слое. Так как обыч­но прочность адгезионного шва бывает выше, чем прочность близлежащего материала, то для внешнего трения твердых тел необходимо наличие на этих телах тонких поверхностных пле­нок, защищающих нижележащий материал от адгезионного взаи­модействия.

Трением будем называть сопротивление, обусловленное пре­одолением фрикционных связей при условии, обтекания материа­ла внедряющимися неровностями, когда образующиеся адгези­онные связи локализуются в тонких пленках, покрывающих твер­дые тела.

Износом будем называть отделение материала при I, II и IV видах нарушения фрикционных связей. Третий вид нарушения нельзя считать износом, ибо ему соответствует любая операция, связанная с сознательным изменением размеров (резанием, шли­фованием и др.), и, следовательно, не будет отличия между изно­сом и технологической операцией обработки поверхностей.

Итак, износ — процесс отделения материала в результате многократного нарушения фрикционных связей. Из этого опре­деления следует, что одной из наиболее существенных характе­ристик износостойкости является способность поверхностных слоев противостоять повторным деформациям.

Усталость поверхностных слоев при упругом деформировании и охрупчивание 'при повторной пластической деформации явля­ются основными причинами износа деталей машин.

Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.1, с.36-49 ].

Контрольные вопросы

1. Что такое фрикционные связи при трении и износе?

2. Какую двойственную природу имеет трение?

3. Что такое относительное внедрение?

4. Что такое относительная прочность адгезионной связи?

 

Лекция №4 ИЗНОС ПРИ ТРЕНИИИ

 

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗНОСА

Контактирующие поверхности под воздействием сил трения могут разрушаться различным образом. Выше были рассмотре­ны некоторые виды разрушения поверхностей трения. Тот или иной вид разрушения зависит как от свойств трущихся тел, так и от внешних условий, нагрузки и скорости скольжения. На­грузка, точнее относительное внедрение, обусловливает вид на­рушения фрикционных связей. При скольжении поверхностные слои нагреваются, в результате чего свойства их изменяются. В некотором интервале сближений и температур вид нарушения фрикционных связей остается неизменным, типичным для дан­ных условий. В связи с этим оказывается возможным различать виды износа. Существует несколько классификаций видов износа.

Первая классификация была предложена Бринелем в 1921 г., который в зависимости от кинематического признака и наличия прослойки между поверхностями различал износ:

1) при трении качения со смазкой; 2) при трении качения без смазки; 3) при трении скольжения со смазкой; 4) при тре­нии скольжения без смазки; 5) между двумя твердыми телами; 6) с разделением твердых тел промежуточным шлифующим по­рошком.

Развернутую классификацию видов износа дал в 1937 г. В. Ф. Лоренц.

Детальную классификацию видов износа предложил в 1947 г. А. К. Зайцев..

Burwellи Strong различают износ, происходящий вследствие:

1) адгезии; 2) коррозии; 3) наличия абразивных частиц; 4) пропахивания твердыми неровностями более мягкого контр­тела; 5) различных причин — эрозии поверхностей, усталости и др.

Б. И. Костецкий, рассматривая процессы, протекающие в поверхностных слоях металлов под воздействием сил трения, различает следующие виды износа:

1) износ схватыванием первого рода; 2) окислительный, связанный с поглощением кислорода воздуха поверхностным слоем металла; 3) тепловой; 4) абразивный; 5) осповидный (усталостный).

Подробная классификация видов износа по служебным при­знакам предложена М. М. Хрущовым.

Е. Н. Швецовой и И. В. Крагельскимразработана клас­сификация видов износа, построенная на рассмотрении трех последовательных этапов: 1) взаимодействие поверхностей, происходящее при скольжении; 2) их изменение; 3) разрушение поверхностей. Так как до сих пор еще четко не выявлены при­знаки, по которым надлежит классифицировать износ, то, есте­ственно, не создано и единой классификации видов износа. Однако, если интересоваться видом разрушения поверхностей (классификации Барвелла, Хрущова, Швецовой — Крагельского), то, как видим, предложенные классификации примерно одинаково различают эти виды повреждений

2. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ КОНЦЕПЦИИ И РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ

Одна из первых концепций, описывающих процесс износа, сформулирована Н. Н. Давиденковым, рассматривающим меха­нический износ как два самостоятельных, протекающих одно­временно процесса истирания и смятия. Под первым Давиденков понимал отрывание с последующим удалением частиц металла, под вторым — расплющивание материала под действием движущегося груза. Далее он указывает, что применение истирающего материала (наждака, опилок, кварцевого песка) или шлифующих орудий существенно изменяет физическую при­роду износа, внося в нее элементы резания и приближения к обработке резцом.

Д. В. Конвисаров видит природу износа в трех процессах: 1.) хрупком скалывании частиц, 2) пластическом деформировании (смятии), 3) окислении. Эта концепция не является строго формулированной, ибо автор не указывает, каким же образом окисленный слой будет удален.

П. Л. Ребипдер и его ученики рассматривают процесс износа как поверхностное диспергирование в результате многократной пластической деформации, приводящей к упрочнению и усталостному разрушению. Адсорбционное или адсорбционно-химическое воздействие окружающей среды интенсифицирует этот процесс, облегчая пластическое деформирование и после­дующее хрупкое разрушение металлов в поверхностном слое. Это, в свою очередь, облегчает приработочный (полезный) износ в условиях высоких контактных давлений. Под влиянием адсорбционно-активной смазки имеет место в дальнейшем значительное повышение гладкости поверхности, приводящее к сни­жению давления, и упрочнению поверхности, что, в свою очередь, приводит к резкому снижению установившегося износа. Концеп­ция П. А. Ребиндера учитывает неоднородность реальных тел и позволяет устанавливать влияние на износ окружающей среды (смазки, воздуха и др.).

Первая количественная зависимость, связывающая износ со свойствами материалов и внешними условиями трения, была сформулиро­вана В. Тонном применительно к абра­зивному износу в 1937 г. Тонн, пользуясь понятием относи­тельной износостойкости, представля­ющей собой отношение износа данно­го образца к износу эталона (целлу­лоид), получил линейную зависимость между относительной износостойкостью и твердостью материа­ла. По Тонну

(2.I)

М. М. Хрущов и М. Л. Бабичев подтвердили эту за­висимость для технически чистых и отожженных металлов, полу­чив, что

(2.2)

 

В этих формулах

- отношение износа испытуемого образца В₂ к износу эталона В₁

К и b — константы в уравнении;

Н — твердость испытуемого образца;

а — коэффициент пропорциональности;

q_a — номинальное удельное давление, т. е. прямая, характеризующая относительную износостойкость в зависимости от твердости, проходит через начало координат.

Исследованию износа при действии абразива, находящегося между поверхностями трения, а также и других видов износа горных машин посвящена монография М. М. Тенненбаума.

Глубокие теоретические исследования действия абразива на материал выполнены В. Н. Кащеевым, который констати­ровал, что механизм износа материалов абразивными зернами различной степени закрепленности (свободное зерно, абразивная среда, абразивный круг) носит совершенно разный характер в

силу неодинаковости схем разрушающих напряжений

Основной вывод, к которому пришли исследователи, зани­мавшиеся оценкой износостойкости материалов при истирании их по жестко закрепленному абразиву, состоит в том, что износ прямо пропорционален нагрузке и обратно пропорционален твердости:

,

что справедливо лишь для данных частных условий.

В общем случае износ пропорционален нагрузке в степени, большей единицы. Это подтверждают Eszlinger, Sporkert, В. М. Гутерман и М. М. Тенпенбаум, Н. М. Серник, В. Г. Колссов, Д. И. Горин.

Д. И. Горин констатировал, что твердость не является до­статочно надежным критерием износостойкости. Так, например, пальцы гусеничной цепи из стали 45, закаленные до твердости HRC 52—58, изнашиваются больше, чем такие же пальцы, име­ющие твердость HRC 32—36. Эту же точку зрения разделяют Rosen, Wellinger, Rosenberg.

Каждая лабораторная методика при испытании на трение и износ может давать правильные результаты по отношению к на­туре лишь в случае, если на ней осуществляется тот вид нару­шения фрикционной связи, который имеет место на практике. На­пример, испытательная машина Х4-Б, где абразивное полотно ук­реплено на жестком основании, пригодна для оценки износостой­кости материалов, когда последний работает в режиме микроре­зания. Что касается оценки износостойкости материалов, рабо­тающих в почвенных условиях, для этого должна быть примене­на иная методика.

Так, например, В. Н. Ткачевым была предложена методика, когда испытуемый образец взаимодействует с полусвязанной абразивной массой, плотность которой может изменяться в ши­роких пределах.

Ценной является лабораторная методика оценки трения и из­носа материалов по упруго-абразивной поверхности, имитирую­щей различные грунтовые поверхности, разработанная А. В. Чичинадзе, Э. Д. Брауном и др..

Сам термин «абразивный износ» нуждается в уточнении, так как под этим видом износа подразумеваются в настоящее время разрушения металла под воздействием твердых частиц, занесен­ных извне в контакт или образовавшихся в процессе износа (наклепанные частицы износа). Однако эти твердые частицы могут производить совершенно различное механическое дейст­вие, начиная от микрорезания и кончая упругим деформирова­нием материала.

Все зависит от формы твердых мелких частиц, степени их за­крепленности, действующей нагрузки. Интересно, что в самом термине «абразив» {от латинского слова abradere — соскабливать, сбривать, соскребывать) ничего не сказано о режущем действии частиц — скорее этот термин на латинском языке соответствует слову истирание.

Широко распространенная концепция Боудена и Тейбора о природе трения, в основе которой лежит представление об обра­зовании мостиков сварки и их последующем разрушении, позво­ляет рассматривать износ как результат удаления с поверхности трения одного тела приварившихся выступов, разрушающихся на некоторой глубине.

Исследованием переноса металла в условиях сухого трения занимался Morton Antler. Он показывает, что при трении сферического индентора по плоскости в условиях сухого трения этот перенос связан с наростообразованием.

Наличие переноса металла в условиях жидкостного трения констатировал Н. А. Буше. Он установил, что на поверхности стального вала образуется пленка из структурной мягкой со­ставляющей. Пленку иногда создают искусственно, применяя специальные покрытия, фрикционное латунирование, меднение и т. д.

Наличие на поверхности трения пленки менее прочного мате­риала, с нашей точки зрения, является условием внешнего тре­ния, при котором необходимо выполнение правила положитель­ного перепада механических свойств. Следует отметить, что применительно к большой скорости скольжения Боуден рассмат­ривает иной механизм износа. Например, в исследованиях, про­веденных совместно с Фрейтагом, описывается механизм износа алмаза и металлов при больших скоростях скольжения. Алмаз под влиянием температуры 1000° С превращается в аморфный углерод, который легко изнашивается. Holm полагает, что 1) фактическая площадь касания образуется за счет пластиче­ской деформации контактирующих неровностей; 2) износ обу­словлен атомарным взаимодействием двух поверхностей.

По Хольму количество изношенного вещества, приходящееся на единицу пути скольжения,

(2.3)

где z - вероятность удаления атома с поверхности при встрече его с другим атомом; иначе говори, это число атомов, которые удаляются при встрече со всеми другими ато­мами, расположенными на единичной площадке при пе­ремещении на единицу длины.

Burwell и Strong считают, что при износе отделяются ча­стицы, а не отдельные атомы, в результате взаимодействия не атомов, а шероховатостей. Барвелл и Стронг учли предположе­ния, которые сделали Rabinowicz и Tabor, полагавших, что площадка единичного контакта постоянна, и при увеличении на­грузки возрастает число площадок и частиц износа; размеры же их от нагрузки не зависят.

Д. Арчард формулирует более детально зависимость износа на единице пути от нагрузки и твердости. Он рассуждает так. При скольжении на пути 1 см происходит взаимодействие не­которого количества контактов. Пусть r — радиус пятна касания. Изнашиваемый объем будет пропорционален г³, но износ прои­зойдет на пути, пропорциональном r. Следовательно, износ од­ного контакта на пути r должен быть пропорционален r ². Оче­видно, что общее количество контактов пропорционально фактической площади, поэтому износ на единице пути для всех контактов должен быть пропорционален общей нагрузке, делен­ной на твердость, откуда

(2.4)

где s_s — предел текучести.

Эксперименты, которые проводили Арчард и Хирст, показали, что К изменяется от 10^-2 до 10^-7

Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.5, с.178-189 ].

Контрольные вопросы

1.Перечислите виды износа по Б.И. Костецкому?

2.Покжите относительную износостойкость по Тонну?

3.Чему пропорционально износостойкость материалов?