Разрушение поверхностей

Полимерные материалы, испытанные под навесом и подземных помещениях, подвергаются изменению в значительно меньшей степени, чем в открытой атмосфере. Основным фактором разрушения полимеров является солнечная радиация, вызывающая фотохимические реакции. Переменное смачивание морской водой ускоряет разрушение полимеров.

Выше Г? полимерный материал становится высокоэластическим. Разрыв высоко-эластич, материала отличается от разрыва хрупкого тем, что ему предшествует большая деформация, связанная с ориентацией и выпрямлением полимерных цепей. Вместе с тем, как и при хрупком разрыве, сечение образца до приложения нагрузки и после разрыва и сокращения не изменяется, а поверхность разрыва располагается, как правило, нормально к растягивающим усилиям. Однако механизм длит, разрыва в обоих случаях различен. Разрушение полимеров в высокоэластич. состоянии осуществляется путем роста надрывов, являющихся аналогами трещин в хрупких телах. При этом медленной и быстрой стадиям разрушения соответствует обратный порядок зон на поверхности разрыва по сравнению с хрупкими твердыми телами.

Зуев К. С., Разрушение полимеров под действием агрессивных сред, изд. 2-е, перераб. и дополн., «Химия», 1972.

Между скоростью образования свободных радикалов в нагруженном полимере и временной зависимостью прочности т = Лехр(—ост) существует корреляция (в диапазоне температур от —50 до 50° С), подтверждающая, что разрушение полимеров является следствием процесса, управляемого некоторым энергетическим барьером, величина которого зависит от напряжения; установленное численное равенство коэффициентов аир означает, что энергия активации для временной зависимости прочности полимерных материалов равна или очень близка к энергии активации образования радикалов (разрушения химических связей).

Чисто механическое разрушение полимеров трудно отделить от разрушений других видов, тем не менее исследования показали, что такое разрушение полимеров имеет место. Причиной необратимого уменьшения вязкости может быть наличие в системе зубчатых передач, поскольку наиболее крупные молекулы полимеров могут разрушаться грубыми сопряженными деталями.

До сих пор рассматривалось разрушение полимеров при испытании с заданной скоростью нарастания напряжения или деформации, а также при постоянной нагрузке (при ползучести). Усталостное разрушение материалов связано с циклическими изменениями деформаций или напряжений.

Усталостное разрушение полимеров наступает в результате прорастания трещин [29, 37—42]. Любой материал всегда содержит неоднородности, в которых образуются субмйкротрещины при напряжении, превышающем некоторое критическое значение. В каждом цикле при максимальном значении напряжения субмйкротрещины увеличиваются, пока одна из них (или несколько) не станет макротрещиной, после чего ее быстрый рост вызывает разрушение образца. Такой процесс накопления трещин, или усталостное разрушение материала, наблюдается как в жестких, так и в эластичных полимерах. Выносливость эластичных материалов связана с энергией раздира, а жестких — с энергией роста трещин [37, 38]. Чем выше устойчивость материала к раз-диру или росту трещин, тем меньше накопление трещин при циклических нагрузках.

При температурах ниже 20 — 25 °С прочность термопластов повышается, однако снижается ударная вязкость и увеличивается чувствительность к надрезу (рис. 13.16). При отрицательных температурах возможно хрупкое разрушение полимеров (у поливинилхлорид а уже при 0°С). Для предупреждения этого разрушения в полимеры добавляют пластификаторы, синтетические ка-учуки, хотя при этом прочность материала понижается.

54. Зуев Ю. С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. -М.: Химия, 1972. -232 с.

131. Тынный А. Н. Прочность и разрушение полимеров при воздействии жидких сред. -Киев: Наукова думка, 1975, - 206 с.

Выше Т' полимерный материал становится высокоэластическим. Разрыв высоко-эластич. материала отличается от разрыва хрупкого тем, что ему предшествует большая деформация, связанная с ориентацией и выпрямлением полимерных цепей. Вместе с тем, как и при хрупком разрыве, сечение образца до приложения нагрузки и после разрыва и сокращения не изменяется, а поверхность разрыва располагается, как правило, нормально к растягивающим усилиям. Однако механизм длит, разрыва в обоих случаях различен. Разрушение полимеров в высокоэластич. состоянии осуществляется путем роста надрывов, являющихся аналогами трещин в хрупких телах. При этом медленной и быстрой стадиям разрушения соответствует обратный порядок зон на поверхности разрыва по сравнению с хрупкими твердыми телами.

Работоспособность некоторых деталей (например, зубчатых колес, подшипников и др.) определяется не общей их прочностью, а прочностью рабочих поверхностей, т. е. контактной прочностью. В этом случае разрушение поверхностей деталей вызывается действием контактных напряжений о//. Контактными называются напряжения, возникающие в месте контакта двух деталей, когда размеры площадки контакта малы по сравнению с размерами деталей (сжатие шаров, цилиндров, зубчатых колес и т. п.). Эти напряжения имеют местный характер и быстро убывают по мере удаления от зоны контакта, поэтому они не влияют на общую прочность.

Во время работы червячных передач развиваются большие скорости скольжения при неблагоприятных условиях гидродинамической смазки. Из-за этого происходит разрушение поверхностей зубьев в результате выкрашивания и схватывания, выражающегося как бы в „сваривании" микронеровностей контактирующих поверхностей или „намазывании" материала зубьев: колеса на червяк. Разрушаются, как правило, только зубья колес. Во избежание разрушения материалы червяка и колеса выбираются так, чтобы зубья колес были выполнены из антифрикционных сравнительно мягких материалов, а червяки — из стали (при возможности со шлифованной поверхностью). Червяки изготовляют из цементируемых сталей (15Х, 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ, 20ХФ) с твердостью после термообработки HRC 58 ... 63 и из среднеуглеродистых сталей (45, 40Х 38ХГН, 40ХН) с поверхностной или объемной закалкой до твердости HRC 50 ... 55. Червячные колеса изготовляют из бронз марок БрОФ10-1 и БрОФН-10 при скоростях скольжения vs = 6 ... 25 м/с; БрОЦС 6-3-3, БрОЦС 5-5-5 и БрСцН7-2 при vs < 12 м/с: БрАЖ9-4, БрАЖ10-4-4 и т. д. при vs < 8 м/с. В приборных устройствах применяют также червячные колеса, изготовленные из пластмасс. Червячные колеса по конструкции могут быть цельные и составные. Типовые конструкции цельных червячных колес показаны на рис. 21.6. Колеса с проточкой применяют при диаметрах более 100 . .. 120 мм. С целью экономии бронзы большие по размерам колеса делают составными. В них бронзовый зубчатый

процессы трения, включающие интенсивную деформацию и неизбежное разрушение трущихся поверхностей. Оксидная пленка на цинке может изменить напряжение сдвига на 100%, на алюминии напряжение сдвига возрастает в 2,3 раза при увеличении толщины окисной пленки с 10 до 50 нм. Несмотря на малую толщину, окисная пленка всего в несколько элементарных ячеек кристаллической решетки данной фазы окисла при комнатной температуре (20-25°С) приостанавливает дальнейшее окисление. Разрушение поверхностей трения и покрывающих их окисных пленок в среде воздуха сопровождается окислением ювенильных поверхностей.

Наибольший экспериментальный материал накоплен при изучении механизма изнашивания металлических материалов, занимающих ведущее место среди конструкционных материалов, применяемых в узлах трения машин. Независимо от вида трения металлических пар трения механизм изнашивания в большинстве случаев содержит однотипные процессы и характеристики, классифицированные в 1953 г. Е.М. Швецовой и И.В. Крагельским. Они предложили при анализе процесса изнашивания расчленить его на три явления: взаимодействие поверхностей трения; изменения, происходящие в поверхностном слое металла; разрушение поверхностей. Рассмотрим каждое явление отдельно, хотя в реальности они происходят одновременно, взаимно влияя друг на друга.

Разрушение поверхностей трения, обнаруживаемое визуально или под микроскопом, происходит в результате отдельных элементарных Процессов, ВИД И сочетание которых зависят от свойств материалов и условий трения. Д.Н. Гаркунов выделяет следующие элементарные виды разрушения.

Разрушение поверхностей трения при изнашивании может происходить в субмикроскопических масштабах, когда вместе со смазочным материалом или воздухом уносятся обломки кристаллических образований, зерен. Размер частиц продуктов износа может изменяться от неразличимых газом пылинок до нескольких миллиметров. Чистые (ювенильные) поверхности в процессе их образования при отделении частиц износа окисляются, сами частицы износа в дальнейшем дробятся, слипаются, прилипают и впрессовываются в сопряженные поверхности. Продукты износа участвуют в процессе изнашивания в качестве промежуточной среды между поверхностями трения. Взаимное внедрение неровностей поверхностей, глубинное вырывание материала, адгезия и спрессовывание продуктов износа предопределяют перенос материала с одной поверхности на другую.

Износостойкость. Разрушение поверхностей от износа неизбежно и в какой-то степени сопутствует работе любого механизма. Износ возникает от механического сцепления поверхностей и молекулярного схватывания частиц вследствие трения между относительно движущимися сопряженными поверхностями. Износ может иметь несколько иную природу, когда между соприкасающимися поверхностями попадают твердые частицы (абразивы), царапающие и срезающие частицы металла.

50. Крагельский И. В. Геометрическая характеристика условий взаимодействия и разрушение поверхностей трения.— Сб. «Повышение износостойкости и срока службы машин». М., Машгиз, 1953.

Изнашивание при фреттинг-коррозии — это коррозионно-меха-ническое изнашивание соприкасающихся тел при малых относительных перемещениях [155]. Результатом фреттинг-коррозии является интенсивное хрупкое разрушение поверхностей трения. Для данного вида изнашивания характерно два одновременных процесса — схватывание и окисление, причем их интенсивность значительно выше,; чем в условиях обычного трения скольжения. Схватывание — местное соединение контактирующих поверхностей — наблюдается даже при невысоких нагрузках. Разрушение поверхности при фреттинг-коррозии проявляется в виде натиров, налипаний, раковин или вы-рывов, заполненных продуктамит!знашивания. Первым диагностическим признаком фреттинг-коррозии служит появление на поверхности трения окрашенных пятен, в которых находятся деформированные окислы. Рост амплитуды колебаний трущихся тел приводит к разрушению поверхности вследствие отслоения частиц материала и увеличения толщины окисных пленок, причем продукты изнашивания обычно не удаляются из зоны контакта. Наряду с процессами микросхватывания и окисления изнашивание интенсифицируется наложением усталостных процессов и абразивным разрушением [74, 175—177]. Определяющая роль какого-либо процесса зависит от конкретных условий изнашивания.

Дискретность касания. Известно, что вследствие волнистости и шероховатости реальных поверхностей контакт двух тел дискретен. В соответствии с этим различают три вида площадей контакта: номинальную, контурную и фактическую [6]. Знание фактической площади контакта необходимо для оценки напряжений и деформаций, а также размера источника тепловыделения при трении, т. е. тех параметров, которые определяют изменение и разрушение поверхностей трения. Определение фактической площади контакта тесно связано с изучением шероховатости поверхности, основные результаты которого изложены в [6—9]. Фактическая площадь контакта составляет около 1% от контурной (или номинальной, если отсутствует волнистость) [6, 10].

Фреттинг-процесс — разрушение поверхностей деталей машин, проявляющееся в резко интенсифицированном окислении или схватывании. Значительная интенсификация окисления и схватывания вызвана динамическим характером нагружения, при котором на контакте резко увеличивается градиент деформаций и температур. Усталостные явления при трении автор ограничивает только условиями качения. Основные характеристики и развитие усталостных повреждений определяются процессами повторной пластической деформации, упрочнением и разупрочнением поверхностных слоев, возникновением остаточных напряжений и особых явлений усталости. Следует отметить, что повторная знакопеременная деформация, упрочнение и разупрочнение свойственны многим видам разрушения и при трении скольжения.