Изнашиваемого материала

Рассмотренные теории распространяются только на упругие деформации в контакте. Однако причина преждевременного выхода из строя деталей машин, приборов и инструментов — многократная упругопластическая деформация контактируемых поверхностей в результате внедрения в них закрепленных или свободных абразивных частиц при ударе. В начальный момент удара в контакт с изнашиваемой поверхностью вступают наиболее крупные абразивные зерна. Абразивные зерна, твердость которых выше твердости металла, внедряются в поверхность, вызывая вначале упругую, а затем локальную пластическую деформацию. На поверхности и на некоторой глубине от нее возникают напряжения, во много раз превосходящие предел текучести материала. Внедрение абразивного зерна при ударе в пластичную поверхность происходит плавно, а в хрупкую — скачкообразно. • , .

Исследователи по-разному представляют механизм взаимодействия абразива с изнашиваемой поверхностью. Хрущев и Бабичев [114] указывают на «два процесса, происходящих в поверхностном слое металла: образование пластически выдавленных рисок— царапин и отделение частиц металла». Львов [121] считает основным процессом, вызывающим изнашивание, образование пластически выдавленной царапины. Он подчеркивает, что валики по краям образовавшейся царапины состоят из «сильно деформированных зерен основы и разрушенных твердых зерен».

Анализ работ по исследованию механизма разрушения поверхностей материалов абразивными частицами позволяет предположить, что чисто статического взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью нет. М. М. Те-ненбаум [Пб] указывает, что при внедрении абразивных зерен в поверхность (а это происходит почни при любом виде абразивного изнашивания) они разрушаются. Процесс раздробления зерна по характеру мгновенно прилагаемой энергии подобен взрыву. Следовательно, при любом виде абра-

Представив в обобщенном виде контакт абразива с изнашиваемой поверхностью как определенную 'систему «абразив— среда—материал»1, можно е некоторыми допущениями типизировать современные представления о механизме и методах исследования абразивного изнашивания материалов.

[149]. Разница в механизме разрушения поверхностного слоя состоит в том, что заданная частота ударов установки увеличивает вероятность контакта оптимально ориентированных зерен с изнашиваемой поверхностью.

Особенность натурных испытаний реальных деталей на изнашивание заключается в том, что для одной и той же детали в одних и тех же условиях эксплуатации наблюдаются самые разнообразные схемы взаимодействия абразива с изнашиваемой поверхностью. Для исследования были выбраны детали ходовой части тракторов типа Т-100, оборудованных бульдозерами (табл. 33). Их долговечность определяется не

На величину износа образца, кроме напора при истечении струи, влияют: линейная скорость движения образца, диаметр абразивной струи, размер абразивных частиц, концентрация абразива в воде, угол взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью.

1,5% С и до 12% Сг. Прямая 2 соответствует наплавкам, содержащим до 5%! С и до 26% Сг. Следует отметить, что с увеличением количества углерода повышается износостойкость как наплавок, содержащих около 5% Сг, так и наплавок, содержащих до 26% Сг. Однако нарастание износостойкости происходит более интенсивно у наплавок с содержанием хрома до 5%'. Оказывается, что одну и ту же износостойкость можно получить при меньших количествах углерода и хрома. Так, например, износостойкостью, равной 2,0, обладает сплав У42Х26, соответствующий прямой 2, и сплав У15Х11, соответствующий прямой 1. Однако сплав У 15X11 содержит углерода и хрома в 2 раза меньше. Наплавки и сплавы I группы были также испытаны при меньшей интенсивности абразивного воздействия путем снижения скорости соударения абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью до 60 м/сек.

Перспективным, но еще недостаточно изученным методом повышения сопротивления износу является избирательный перенос при движении сочлененных деталей машин. При избирательном переносе в зоне контакта образуется тонкая металлическая пленка, обладающая свойствами: 1) многократной деформации без разрушения; 2) регенерации массы, так как частицы износа вновь схватываются с изнашиваемой поверхностью; 3) неокисля-емости.

Сущность абразивного изнашивания описана в гл. 7. Интенсивность его зависит от многих факторов, в том числе от коэффициента трения между абразивом и изнашиваемой поверхностью. Если на

Рис. 18.16. Взаимодействие абразива с изнашиваемой поверхностью в режиме обычного трения (а) и при ИП (б):

Один из усложненных вариантов установки с газовой пушкой (рис. 1.54) предназначен для исследования воздействия на материал одиночных или групповых ударов абразивных частиц, падающих под различными углами к изнашиваемой поверхности [82]. На установке можно измерить скорость движения частиц до и после удара, определить углы атаки и отскока, время контакта абразивной частицы с изнашиваемой поверхностью. Макси-7в

Стойкость против абразивного износа возрастает с увеличением твердости изнашиваемого материала, но для различных материалов в разной степени (рис. 369), поэтому эффективным повышением износостойкости является поверхностная закалка или другие методы повышения поверхностной твердости (цементация, азотирование и т. д.). При одинаковой поверхностной твердости стали со структурой мартенсит + карбиды обладают большей износостойкостью, чем стали с такой же твердостью, но не имеющие избыточных карбидов (рис. 369).

изменением энергетического состояния поверхностных слоев, приводящих к интенсивному разрушению; резким увеличением объема изнашиваемого материала, происходящим в основном за счет увеличения размеров отделяющихся частиц.

Приведенное выражение показывает пути снижения интенсивности изнашивания: уменьшение плотности накопленной материалом энтропии, локализация энергетических процессов в тонком поверхностном слое изнашиваемого материала, применение материалов с максимальным значением SQ или повышение этой величины различными методами (поверхностным упрочнением, легированием элементами с высокими энергиями активации и др.). Однако оно не отражает влияния отдельных физических и химических процессов на увеличение плотности накоплений энтропии и производства избыточной энтропии, которые необходимо знать для теоретической оценки долговечности или износостойкости узла трения. Не умаляя ценности полученных результатов, необходимо отметить, что они не позволяют выразить общую связь внешних взаимодействий с термодинамическими и физико-химическими процессами в трибосистеме, определяющими интенсивность изнашивания или долговечность различных трибосистем.

Она дает возможность оценить состояние трибосистемы для любого момента времени с помощью термодинамических параметров системы. Используем эту модель для вывода уравнения, позволяющего оценить интенсивность изнашивания трибосистемы. Обозначим путь трения через L и выразим массу т изнашиваемого материала через его объем и плотность: Aw = FAhp, где F - площадь трения; А/г - толщина изнашиваемого слоя. Правую часть уравнения (4.33) свернем согласно (4.32), она равна AS. Тогда получим модель трибосистемы в виде

Выражения (4.36) и (4.37) представляют термодинамическую (энтропийную) модель металлополимерной трибосистемы, рассматриваемой в качестве открытой термодинамической системы. Известно, что имеющиеся в арсенале конструкторов расчетные зависимости на износ и долговечность носят эмпирический характер и не учитывают действительную картину и природу изнашивания поверхностей трения. Предлагаемая же модель открывает принципиальную возможность оценить интенсивность изнашивания металлополимерной пары трения на этапе проектирования машины на основе закономерностей физико-химических процессов в зоне трения и физических свойств изнашиваемого материала. Для этого необходимо записать уравнения потоков энергии и вещества для каждого слагаемого подынтегрального выражения согласно физическому закону соответствующего эффекта (теплового, электрического, диффузионного) и решить эти уравнения при соответствующих начальных и граничных условиях, а также, используя выражение (4.32), определить A.V* для выбранного композиционного материала. Однако задача получения аналитического выражения для соответствующих эффектов требует проведения сложных теоретических и экспериментальных исследований и составляет одну из актуальных задач трибологии на ближайшие десятилетия.

4) особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования и с эффектом накопления водорода, характерным для мгновенного разрушения и образования мелкодисперсного порошка изнашиваемого материала.

где h (P) — деформативная зона, которая в условиях воспроизводимости фактической площади касания зависит от степени шероховатости, механических свойств материалов и удельного давления Р; область изменения (0<6<1) зависят от механических свойств изнашиваемого материала. Если начальное значение #„< /?J, то в процессе приработки оно должно возрасти до значения R*g; если же Rq^>Rq, то оно должно уменьшиться до того же значения. Если начальное значение параметра шероховатости близко к -Rq, то изнашивание происходит в условиях воспроизводимости параметра Rq и протекает значительно медленнее, чем в предыдущих случаях [115].

Результаты исследований, проведенных М. М. Тененбаумом [186—189], показывают, что гидроабразивное изнашивание является сложным, самонастраивающимся процессом, зависящим прежде всего от угла атаки, скорости абразивных частиц в момент удара о поверхность детали, отношения значений твердости изнашиваемого материала и абразива (коэффициент твердости), .концентрации абразивных частиц в жидкости. Гидроабразивное изнашивание определяется не только действием абразивных частиц, но и физико-химическими реакциями с жидкостью. При определенных условиях воздействие жидкости может быть столь активным, что гидроабразивное изнашивание (действие твердых частиц) подавляется кавитацией или коррозией. Обычно гидроабразивному разрушению предшествуют пластическая деформация, микроусталостные явления или процессы микрорезания, на которые накладываются гидравлические удары захлопывающихся кавитационных пузырьков и адсорбционно-кор-розионные реакции [186, 190].

Величина износа и скорость удара абразивных частиц связаны степенной зависимостью, в которой показатель степени скорости частиц колеблется от 1,'5 до 4 и определяется физико-механическими свойствами изнашиваемого материала.

Величина износа и механизм изнашивания определяются структурой и свойствами изнашиваемого материала (количеством, размерами и расположением упрочняющих фаз, степенью легирования,, прочностью, пластичностью и т. д.) и параметрами газоабразивного нагружения (углом атаки, скоростью ударения, физико-механическими характеристиками абразива и т. д.). Одним из важнейших параметров внешнего силового воздействия является угол атаки. Различают малые, средние углы и углы, соответствующие прямому динамическому внедрению. При малых углах атаки разрушение поверхности обусловлено действием касательных напряжений. Вместе с тем было показано, что разрушение не связано с процессами микрорезания. На это указывают данные рентгеноструктурного анализа и замеры микротвердости поверхностного слоя, свидетельствующие о незначительном наклепе [202].

Действительно, "с увеличением твердости абразива интенсивность изнашивания для стали, имеющей меньшую твердость, больше, чем для стали с большой твердостью. Установлено, что твердость абразива, при которой износ достигает максимального значения и в дальнейшем не меняется, зависит от твердости изнашиваемого материала.