книги / Трение и износ деталей машин
..pdfРис. 4. Схема шероховатости поверхности
Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам,
1 ( |
5 . |
, |
5 |
Л |
я г = - |
S |
я ,гах |
+ 1 К ™ |
• |
-4t= 5 |
|
i=5 |
J |
|
где Я,- , Hj - соответственно высота выступов и глубина впадин от |
носительно средней линии профиля; Rmax - наибольшая высота неровно стей, под которой понимается полная высота профиля, т.е. расстояние ме жду линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базо вой длины; Sm - средний шаг неровностей профиля, т.е. среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины,
1 ”
s m = - T s m. п 1
S - средний шаг неровностей профиля по вершинам выступов, 1 "
я 1 Важнейшей характеристикой микрогеометрии поверхности является
опорная площадь. Ее оценивают опорной длиной профиля г|р (рис. 5) или относительной опорной длиной профиля tp = — .
Опорная кривая профиля характеризует распределение материала в
^ Р шероховатом слое и строится в относительных координатах tp и X = ------
^тах (Р - числовое значение уровня сечения профиля). Для практических целей
используют начальный участок кривой опорной поверхности, располо женный выше средней линии. Он может быть представлен в виде
tp = Ьх\
где Ъи v - параметры, зависящие от вида обработки (6= 1 .. .20; v= 2.. .3). Наиболее полно оценить свойства контактируемых шероховатых по
верхностей можно с помощью комплексного безразмерного критерия ft
А = (г - радиус кривизны вершины выступа профиля).
rbv
Рис. 5. Участок профилограммы и кривая опорной поверхности
Приведем для примера параметры шероховатости поверхности ша тунного вкладыша автомобиля: Ь= 1,2; v = 2,0; А = 0,024; Ятах =1,15 мкм;
г= 35 мкм.
4.НОМИНАЛЬНАЯ, КОНТУРНАЯ И ФАКТИЧЕСКАЯ
ПЛОЩАДИ КОНТАКТА
Поверхности деталей сопряжения в процессе работы контактируют по площади, определяемой шероховатостью и физико-механическими свойствами материалов.
Номинальную площадь контакта Аа рассчитывают как геометриче скую площадь соприкосновения рабочих поверхностей деталей сопряже ния без учета неровностей.
Вследствие волнистости поверхностей деталей фактические пятна контакта будут возникать преимущественно на вершинах волны. Каждая такая область, будучи ограничена контуром, в пределах которого сущест вуют фактические пятна контакта, представляет элементарную площад ку ААС(рис. 6). Эти контуры удалены один от другого на расстояние шага
волны. Контурная площадь контакта Ас равна сумме элементарных пло щадок АЛС. В большинстве случаев ее величина составляет 5-15 % величи ны номинальной площади контакта Аа.
Рис. 6. Номинальная, контурная и фактическая площади контакта
Фактическая площадь контакта Аг - это площадь, на которой осуще ствляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость поверх ности. Фактическая площадь обычно мала и составляет не более 0,01-0,10 номинальной площади. Даже при высоких нагрузках площадь фактическо го контакта не превышает 40 % номинальной площади. Так, в случае кон тактирования стали со сталью при нагрузке 15 МПа отношение площадей составляет 0,2 при обработке поверхности до Ra = 2,5... 1,25 мкм и 0,35 при Ra = 0,63...0,32 мкм. Пятно фактического контакта, образованное вследствие деформации отдельных микровыступов, имеет диаметр 3-50 мкм.
Контурная и фактическая площади контактирования рабочих по верхностей в большой степени зависят от нагрузки. С увеличением нагруз ки площадь контакта значительно увеличивается. Это объясняется смятием микронеровностей под действием давлений, превышающих предел текуче сти материала. Отношения номинальной нагрузки к величинам фактиче ской, контурной и номинальной площадей дают соответственно величины фактического, контурного и номинального давлений:
Р,= Рс |
N_ |
|
V |
||
|
Отдельные пятна контакта имеют вытянутую форму (рис. 7), и лишь с определенным приближением их можно считать эллипсами или кругами.
Так как круговая модель пятна контакта достаточно проста, а резуль таты расчетов площадей контакта и напряжений на контакте для этих мо делей различаются не более чем на 5 % при пластическом и 25 % при уп ругом деформировании, то чаще всего используют для расчетов круговую модель пятна контакта.
e?f
2
а |
б |
в |
Рис. 7. Пятна фактического контакта и их модели: а - реальная форма; б - эллиптиче ская модель; в - круговая модель
Круговым площадкам контакта соответствует случай взаимодейст вия сферы с плоскостью (рис. 8). Основная расчетная схема при изучении контакта шероховатых тел предполагает, что одно из контактирующих тел с шероховатостью и недеформированное, а второе - гладкое и деформи руемое.
Рис. 8. Схема взаимодействия сфери ческой неровности с плоскостью (пе ред сферой образуется валике кон центрацией напряжений 1)
Средний радиус кривизны выступов R может быть определен сле дующим образом:
2 где р2 = 2п рхХ; р - среднее квадратичное отклонение профиля (р = 1,25
Ra); х - среднее число пересечений профиля средней линии, приходящееся на единицу ее длины; X - среднее число выступов (максимумов профиля), приходящееся на единицу длины средней линии.
При определении фактического давления могут быть использованы нижеследующие зависимости.
При пластическом деформировании в первом приближении можно принять, что
Рг« НВ, где НВ - твердость поверхности материала.
Для расчета фактического давления при упругом деформировании используется зависимость
Данная зависимость справедлива при v = 3 и b = 5.
Для приближенных расчетов можно использовать формулу 1
Рг |
|
Rшах 2 |
|
3,4 |
R |
||
|
из которой следует, что фактические давления на контакте близки к 0,1 £ (£ - модуль упругости материала).
Из-за малости фактической площади контакта Аг фактическое давле ние Рг на контакте может на три-четыре порядка превосходить номинально контактное давление Ра.
Величина сближения шероховатых тел А при упругом деформирова нии может быть определена по формуле
А 0,86/?,шах R Л1(Р1 с л
К^шах ) U J
В случае пластического деформирования величина 1
А= Rшах 2РС У
яв ь )
5. СТРУКТУРА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО МАТЕРИАЛА
Поверхностный слой обработанной металлической детали неодноро ден по строению (рис. 9).
Толщина поверхностного слоя, отличающегося по структуре и свой ствам, зависит от структуры основного материала, вида обработки, основ ных параметров режущего инструмента, рода смазочно-охлаждающей жидкости.
Граничный слой 1 (см. рис. 9) поверхности состоит из адсорбирован ной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости.
Слой 2 - деформированный металл с деформированными и раздроб ленными зернами, искаженной решеткой кристаллов. В нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и трещины.
Структура слоя 3 состоит из зерен, сильно деформированных давле нием обрабатывающего инструмента. В нем содержатся включения струк турно-свободного цементита, образовавшегося под действием высоких температур.
Слой 4 - металл с исходной структурой.
Механическая обработка детали сопровождается пластической де формацией поверхностных слоев и частичным упрочнением (наклепом). В результате наклепа увеличиваются пределы прочности и текучести, уменьшаются показатели пластичности материала в поверхностном слое детали. Толщина наклепочного слоя при различных видах механической обработки различна. Для некоторых видов механической обработки значе ния толщины наклепочного слоя приведены в табл. 1.
Таблица 1
Толщина наклепочного слоя в зависимости от вида механической обработки
Вид обработки |
|
Толщина наклепочного слоя, мкм |
Точение сталей и сплавов: |
|
|
черновое |
|
0,40-0,08 |
чистовое |
|
0,06-0,15 |
Шлифование: |
|
1 |
абразивным кругом |
|
0,04-0,10 |
лентой |
, |
0,04-0,06 |
При механической обработке в поверхностных слоях деталей возни кают остаточные напряжения.
Остаточными называют напряжения, существующие в теле при от сутствии внешних силовых воздействий на него. Наличие этих напряже ний обусловлено неравномерностью температуры по объему тела, образо ванием во время нагрева или охлаждения новых структур с иной плотно стью, наличием включений.
Остаточные напряжения образуют равновесную систему. В зависи мости от объема, который охватывается этой системой, различают собст венные напряжения трех родов. Напряжения первого рода уравновешива ются в крупных объемах, соизмеримых с размерами детали; напряжения второго рода (микронапряжения) уравновешиваются в пределах одного или нескольких кристаллических зерен; напряжения третьего рода - суб микроскопические искажения кристаллической решетки.
При механической обработке детали недеформированные нижние слои материала препятствуют распространению зоны пластической де формации верхних слоев. Вследствие этого в поверхностном слое возни кают сжимающие, а в сердцевине растягивающие остаточные напряже ния.
Увеличение температуры, сопровождающее механическую обработ ку деталей, также вызывает остаточные напряжения.
При нагревании поверхностного слоя его объем увеличивается. Хо лодные нижележащие слои препятствуют этому При охлаждении объем металла поверхностного слоя уменьшается. В этом случае материал серд цевины препятствует сжатию. В результате в поверхностном слое возни кают остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине - сжатия.
Остаточные напряжения в поверхностном слое при механической обработке могут достигать 560-1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими.
Поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окру жен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет “соседей” в виде таких же атомов. Поэтому в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются свободные связи, наличие которых создает вблизи поверх ности атомное (молекулярное) притяжение.
Поверхностный слой обладает избытком потенциальной энергии, ко торая соответствует работе, необходимой для перемещения внутренних частиц кристалла на поверхность. Этот избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной или просто по верхностной энергией. В результате избыточной поверхностной энергии поверхностный слой металла проявляет большую активность. При взаимо
действии ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или жидкости, соприка сающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде. Явление образования на по верхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют ад сорбцией.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ), к которым относятся: ор ганические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы, обладают наибольшей способностью к адсорбции. Это обусловлено тем, что молеку лы этих веществ ориентируются перпендикулярно к поверхности. Такие молекулы называют полярными, они притягиваются и удерживаются по верхностью тела.
Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел, значительно понижая их сопротивляемость де формированию и разрушению. Это явление, установленное П.А. Ребинде ром (1889-1972), названо эффектом Ребиндера.
Адсорбированные поверхностно-активные молекулы, стремясь по крыть всю поверхность тела, проникают в ультрамикроскопические тре щины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходя щими скорость всасывания жидкости в зазор. Когда активные молекулы достигают мест, где ширина микротрещины равна размеру одной-двух мо лекул, адсорбционный слой своим давлением F стремится расклинить трещину силами Q для дальнейшего продвижения активных молекул (рис. 10). Давление на стенки трещины у ее вершины может достигать 10 ГПа. Остаточные растягивающие напряжения раскрывают микротре щины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера. При сжимающих напряжениях трещины замыкаются, может даже произойти их “самозалечивание”
Рис. 10. Схема адсорбционно-расклини- вающегося действия полярных молекул смазочного материала
Основой для развития микротрещин является наличие дефектов в ре альных кристаллах. Различают точечные, линейные, поверхностные и трехмерные дефекты кристаллов.
Точечные дефекты - малые несовершенства во всех направлениях - возникают вследствие наличия в кристалле атомов примесей (рис. 11, а) или образования вакансий (рис. 11,6), т е. пустых мест в узлах кристалли ческой решетки, не занятых атомами.
|
о |
о |
о |
о |
ф« о |
о |
о |
б |
|
|
О О О |
о |
ф |
о |
о о о |
||||
|
о |
о |
о |
о |
ф |
о |
о |
о |
о |
9Y' 1Жt9у"птгп| |
о |
о |
о о ф о о о о |
||||||
о |
о |
о |
о |
|
о |
о |
о |
о |
|
|
о |
о |
о |
о |
|
о |
о |
о |
о |
к А А |
О О О О О О О О |
||||||||
о о о о О О О О |
|||||||||
_I Д-4K-i \ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
± П |
в |
|
|
|
|
г |
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис |
11. Дефекты кристаллической решетки |
|
|
|
|
|
Линейными являются несовершенства, малые в двух измерениях и относительно протяженные в третьем направлении (границы зерен, двой ники, межфазные границы, поверхность кристалла). Трехмерные несовер шенства - объемные (пустоты, включения).
Кристаллы металлов обычно состоят из большого числа областей размером около 1 мкм, расположенных под углом в десятые доли градуса. Эти области с правильной упаковкой атомов называются блоками.
На границе между блоками упаковка атомов искажена (рис. 11, в). К линейным несовершенствам относят также дислокации (вклинивание) лишних или недостроенных кристаллических плоскостей (рис. 11, г).
Трение вызывает как образование дефектов структуры - вакансий и дислокаций, так и их движение в поверхностных слоях. Количество вакан сий при трении в тонком поверхностном слое доходит до 2,5-1021 атомов в
кубическом сантиметре, при обычных же условиях |
не превышает 106- |
I08 см-2 Наличие поверхностно-активных веществ |
на границе контакта |
трущихся тел приводит к устранению оксидных пленок, которые служа! барьером для выхода дислокаций на поверхность.
6. ВИДЫ ТРЕНИЯ
Контактное взаимодействие деталей происходит на выступах их по верхностей, образованных микронеровностями. Фактическая площадь кон такта поэтому обычно мала и составляет не более 10-20 % номинальной площади контакта.
Разновысокость контактирующих выступов и величина действую щей нагрузки определяют виды деформации выступов: упругую, упруго пластическую без упрочнения, упругопластическую с упрочнением. Одна ко в большинстве случаев контактирования площадь фактического контак та формируется за счет пластической деформации. Входящие в контакт выступы пластически деформируются (сплющиваются), чаще всего с вне дрением в сопряженное тело.
Упругопластическая деформация обусловливает сопротивление пе ремещению при трении, процессы теплообразования, формирование эксплутационного состояния поверхности, силы трения и процессы поверхно стного разрушения.
Перемещение одного из сопряженных тел по отношению к другому может сопровождаться как внешним, так и внутренним трением. Внешнее трение - сопротивление относительному перемещению, возникающее ме жду двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождающееся диссипацией (рассеиванием) энергии. Неизбеж но возникающая пластическая деформация сдвига сосредоточена при внешнем трении в зоне контакта тел. Внутреннее трение захватывает весь объем деформируемого тела и обусловлено формоизменением всего объе ма. При внутреннем трении диссипация энергии происходит во всем объе ме тела.
Основная часть механической энергии, расходуемой на трение, пере ходит в тепловую. Тепло распространяется от пятен контакта в глубь обо их контактирующих тел. Передача тепла происходит по нормали к изотер мической поверхности от мест с большей температурой к местам с мень шей температурой. Тепловая энергия, распространяясь в глубь материала, вызывает изменение его свойств в тонком поверхностном слое.
6.1. Законы внешнего трения
Для количественной оценки трения скольжения используется поня тие силы трения - Т. Сила трения - сила сопротивления при относитель ном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами.