Материалов твердость

Трение и модифицирование материалов трибосистем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.

Один из центральных моментов учебного процесса - обеспечение необходимой учебно-методической литературой, и в первую очередь учебниками и учебными пособиями. Цель настоящего учебного пособия - способствовать решению этой задачи и познакомить будущих инженеров с современными методами модифицирования материалов трибосистем — деталей машин и инструментов, обеспечивающих существенное повышение их износостойкости и долговечности. Пособие подготовлено сотрудниками Омского государственного технического университета (профессор Ю.К. Машков), Омского государственного университета (П.В. Орлов) и Института сенсорной микроэлектроники СО РАН (К.Н. Полещенко, С.Н. Поворознюк).

Затраты на ремонт и недополучение выпускаемой продукции, вызванное простоем оборудования, приводят к значительным экономическим потерям, а отказы узлов трения транспортных машин - к аварийным ситуациям. Избежать или свести к минимуму вероятность отказа узлов трения машин и элементов технологических систем возможно на основе применения и развития методов модификации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов при грамотном использовании основных положений трибофизики и рациональном использовании различных методов (технологий) поверхностного модифицирования материалов трибосистем, рассмотрение которых является содержанием настоящего учебного пособия.

1.2. ТРИБОФИЗИКА И ТРИБОТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМ

1.3.1. ТЕРМОДИНАМИКА СОВМЕСТИМОСТИ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМ

Надежность и долговечность в значительной степени зависят от свойств материалов и правильности их выбора для заданных условий работы узла трения. При выборе материалов для трибосистемы необходимо учитывать способность их к совместимости. Под совместимостью материалов трибосистем (деталей узлов трения) понимают способность обеспечить оптимальное состояние в заданном диапазоне условий работы по выбранным критериям [9, 10]. Такими критериями могут быть: критическая температура, температура перехода в смешанный режим трения, предельная нагрузка переходного режима, предельная нагрузка образования задира, коэффициент нагруженное™ и т.п. [10]. При хорошей совместимости обеспечиваются невысокие уровни трения, износа и длительная работа трибосистемы без повреждения трущихся поверхностей.

Переход трибосистемы из неравновесного термодинамически нелинейного состояния в стационарное равновесное связан с образованием диссипативной поверхностной структуры, происходящим в результате самоорганизации. Для реализации процесса самоорганизации необходимы соответствующие условия. Задача создания таких условий должна решаться при выборе и разработке материалов трибосистем для конкретных условий трения, выборе смазочных материалов, конструкции деталей узлов трения. Так, при разработке полимерных композиционных материалов для металлополимерных трибосистем предложен комплекс требований к составу, структуре и свойствам (табл. 1.1), обеспечивающий минимизацию накопления энтропии в трибосисте-ме [6].

структуры. Такие методы реализуются как совокупность отдельных более простых процессов в условиях сообщения тепловой энергии (нагрева) модифицируемому материалу [23, 24] и позволяют значительно изменять не только состав и структуры материала, но и эпюру остаточных напряжений в поверхностном слое. Имплантация и ионное перемешивание относятся к наиболее современным и развивающимся методам модификации материалов трибосистем и улучшения трибо-технических свойств конструкционных материалов. Дальнейшее развитие этих методов, отработка способов технического контроля режимов обработки и качества модифицированных поверхностей - одна из наиболее актуальных задач триботехнологии на ближайший период.

МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМ

Вещества - компоненты системы - присутствуют в системе в различных фазах. Фазой называется однородная часть системы, ограниченная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Фазы выступают в качестве элементов структуры любого материала, следовательно, структурно-фазовый состав материала (системы) во многом определяет его свойства. Отсюда понятно значение закономерностей фазовых переходов при анализе процессов и разработке методов структурной модификации материалов трибосистем.

Изучение физических закономерностей изменения структурно-фазового и напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей при трении, накопление и обобщение результатов экспериментальных исследований и опыта эксплуатации трибосистем различного вида и назначения позволили определить физические основы структурной модификации материалов трибосистем. В главе 6 показано, что в качестве физической основы структурной модификации выступают закономерности фазовых переходов, определяемые уровнем потенциала Гиббса или свободной энергией системы. А переход из одного фазового состояния в другое сопровождается существенным изменением внутреннего строения и физических свойств системы. Фазы выступают в качестве элементов структуры любого материала (сплава,

При НВ>350 (вторая группа материалов) твердость выражается обычно в единицах Роквелла HRC(1HRC«10 НВ, точнее см. рис. 8. 40).

Применение высокотвердых материалов является большим резервом повышения нагрузочной способности зубчатых передач. Однако с высокой твердостью связаны некоторые дополнительные трудности:

дость по Виккерсу), или условную величину, зависящую от глубины внедрения наконечника (твердость по Роквеллу). В нек-рых нестандартных методах определения твердости при вдавливании (напр., по Мейеру, по Людвику) число твердости определяется отношением нагрузки к площади проекции отпечатка на плоскость, перпендикулярную направлению внедрения наконечника. Значительно реже применяются методы определения твердости при динамич. вдавливании шариковых или конич. наконечников с последующим приближенным пересчетом полученных данных в общепринятые числа твердости (НВ, HV, HR) или с вычислением т. н. динамич. твердости путем деления энергии, затраченной на образование отпечатка, на его объем. Т. при в. является важной и удобной механич. хар-кой материала, т.к. определяется весьма просто и быстро, не требует разрушения образца или детали, в отличие от др. механич. испытаний, и может служить для косвенной приближенной оценки прочностных свойств материала (напр., у многих материалов твердость по Бринеллю связана с пределом прочности линейной зависимостью). Методы определения твердости при царапании, а также способы качаний (по Герберту) и упругого отскока (по Шору) применяются в настоящее время весьма редко, так что методы определения Т. при в. являются основными в совр. технике механич. испытаний материалов.

Карбид бора состоит из кристаллического карбида бора и небольшого количества примесей. Он является самым твердым из искусственных абразивных материалов (твердость 9,32 по шкале Мооса) и вторым по твердости после алмаза.

Наименование деталей и машин Условия работы Способ наплавки и технологические указания Марка наплавочных материалов Твердость яде

Сопротивляемость абразивному износу также зависит от конкретной пары рассматриваемых материалов. Твердость поверх-72

В начале маршрутной карты типового технологического процесса восстановления типовой поверхности приводят инструктивные указания по применимости технологического процесса (материал детали, размеры поверхности, толщина покрытия, наносимого в один или несколько слоев, термическая обработка); по достигаемым качественным показателям восстановленных поверхностей при применении различных материалов (твердость, шероховатость, точность, наличие пор, раковин, сплошность покрытия, прочность сцепления, стабильность получения заданных показателей); по подготовке поверхностей к восстановлению; возможности применения различных материалов, моделей однотипного оборудования, приспособлений, оснастки, инструмента, а также приводят требования по технике безопасности при проведении технологического процесса.

„рдость) поверхностного слоя [91, Jo] Определенная корреляция уставлена и между износостойкостью материалов и модулем упругости. Если вердость материала близка или тем более намного превышает твердость бразива, показатели износостойкости везко возрастают. Условия, при КОТОРЫХ в реальных случаях происходит абразивное изнашивание, разнообразны Все это не позволяет однозначно ранжировать материалы по износостойкости (как это сделано, например, для прочности).

Сведений об износостойкости материалов высокой твердости, испытанных по какой-либо единой методике, нет. Приведенные в опубликованных работах данные, полученные по различным методикам и при несопоставимых условиях испытаний, не могут дать объективной оценки износостойкости твердых материалов. К тому же и свойства таких материалов зависят от технологии их получения, пористости и т. п. Наиболее объективную информацию об относительной износостойкости рассматриваемых материалов, твердость которых существенно выше твердости основного природного абразива (оксида кремния), дают значения твердости и модуля упругости, указанные далее в таблицах. В значительной мере от этих (характеристик зависят и прогнвозадир-ные свойства материалов [73], важные Для деталей машин, работающих в контакте не с абразивом, а друг с другом.

Стали в нормализованном состоянии для обоих сопряженных зубчатых колес применяют только во вспомогательных механизмах, например в механизмах с ручным приводом. Основные материалы — среднеуглеродистые стали 40, 45, 50. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса изготовляют из разных материалов. Твердость и механические свойства невысокие.

При Н>350 НВ (вторая группа материалов) твердость выражается обычно в единицах Роквелла — HRC (1HRC«10 HB, точнее см. рис. 8.40).