Микрообъемов поверхностного

Повышение усталостной прочности при кратковременных перегрузках объясняется деформационным упрочнением, происходящим при пластических деформациях'микрообъемов материала, сходным с упрочнением при наклепе. Установлено, что под действием пластических деформаций происходят упрочняющие процессы: разупорядочение кристаллических решеток; увеличение плотности дислокаций; измельчение кристаллических блоков и увеличение степени их разориентировки; зубчатая деформация поверхностей спайности в результате выхода пластических сдвигов на поверхность зерна и, как следствие, увеличение связи между зернами. Уменьшается растворимость С, О и N в а-железе; эти элементы выпадают из твердых растворов, образуя высокодисперсные карими, _оксидц_Н-нитриды в виде облаков, блокирующих распространение дислокаций. В закаленных сталях происходит распад остаточного аустенита, превращающегося в мелкоигольчатый мартенсит деформации.

усталостное изнашивание, происходящее в результате усталостного разрушения (отслаивания и выкрашивания) при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения.

При изнашивании в струе абразивных частиц происходят следующие процессы: а) разупрочнение поверхностного слоя детали; б) разрушение поверхности в результате высоких контактных напряжений; в) резание микростружек абразивной частицей; г) контактная усталость; д) выплавление микрообъемов материала детали в результате высокой локальной температуры.

Изнашивание более жестких и хрупких полимерных материалов происходит в основном в результате микрорезания. На интенсивность изнашивания сильно влияет характер надмолекулярной структуры материала. При трении с граничной смазкой преобладание кристаллических областей в структуре полимера над аморфными обеспечивает его более высокую твердость и износостойкость. Между тем увеличение степени кристалличности снижает износостойкость полимера при абразивном изнашивании. Это объясняется тем, что даже при повышении твердости полимера за счет увеличения кристаллических областей она остается в несколько раз ниже твердости абразива, поэтому повышение твердости оказывается неэффективным. Уменьшение эластичности полимера создает более благоприятные условия для начала срезания абразивными частицами микрообъемов материала; при срезе опреде-

период приработки, так как в этом случае при отделении микрообъемов материала при износе поверхности воспроизводится аналогичный микрорельеф [83].

слоение, нарушение адгезии, растрескивание связующего и развитие трещин и т. д. Перечисленные микроявления, сопровождающие разрушение, настолько усложняют рассмотрение проблемы на микроуровне, что прикладной, инженерный критерий разрушения не может быть построен на основании анализа механизма и взаимодействия всех этих^явлений. Как правило, информация такого рода помогает лишь описать^характер и природу разрушения при растяжении, сжатии и других видах нагружения. Инженерные критерии разрушения строят на основе данных о поведении и прочности микрообъемов материала, т. е. они имеют феноменологический характер. Единого математического пред ставления поверхности разрушения для заданного композицион ного материала не существует, и выбор критерия разрушения" определяется наилучшим соответствием между определенными экспериментально пределами прочности материала, а также правдоподобным представлением о его прочности при еще не исследованных экспериментально напряженных состояниях. Наиболее существенной предпосылкой для построения критерия разрушения является то, что он должен описывать поверхность в пространстве напряжений.

усталостное изнашивание — при контактных напряжениях 150—450 кг/мм2; в результате повторного деформирования микрообъемов материала происходит отделение частиц (отслаивание и выкрашивание); < : :

Анализ рассмотренных данных (см. рис. 63) показывает, что как при единичных, так и при повторных контактах одной и той же поверхности с абразивом доля пластического оттеснения уменьшается с понижением температуры. Глубина внедрения абразива в металл с понижением температуры в отдельных случаях увеличивается, несмотря на некоторое повышение его твердости. Это объясняется, вероятно, эффектом разупрочнения микрообъемов материала при низких температурах вследствие интенсификации процессов перенаклепа.

Износ как усталостное разрушение материала, усталостное в том смысле, что разрушение происходит в результате многих актов механического воздействия на данный микроучасток поверхности трения со стороны контртела, может происходить в условиях как упругого, так и пластического контакта. В первом случае имеет место усталостный процесс, при котором число циклов до разрушения составляет тысячи и больше. Во втором —• разрушение происходит в условиях так называемой малоцикловой усталости [49], когда число циклов до разрушения — десятки и больше. Оба эти процесса протекают во времени при циклическом нагружении микрообъемов материала и различаются уровнем возникающих напряжений и характером деформирования поверхностного слоя [50].

предположение, что указанное явление связано с влиянием существенно выраженной неравномерности пластической деформации при высоких частотах, а следовательно, со значительным микролокальным разогревом отдельных микрообъемов материала, что в свою очередь приводит к снижению циклической прочности.

Абразивным изнашиванием, следовательно, можно назвать процесс разрушения поверхности трения путем микрорезания, повторного пластического деформирования и вырывания микрообъемов материала твердыми частицами, проникающими в зону трения из окружающей среды или же являющимися продуктом сопутствующих видов изнашивания.

По наличию смазки существует трение без смазочного материала (сухое трение) и трение со смазочным материалом. По виду смазочного материала различают газовую, жидкостную и твердую смазки, которые обеспечивают полное разделение поверхностей, находящихся в относительном движении. При этом трение металлических поверхностей заменяется трением слоев смазки, снижаются силы трения 1 и создаются условия для резкого уменьшения износа. При небольшом слое смазки (0,1-^-0,2 мкм) трение и износ определяются свойствами трущихся поверхностей смазочного материала, отличными от объемных. Такая смазка называется г р а-п и ч и о н. Граничное трение по сравнению с сухим уменьшает скорость изнашивания, при этом на процессы разрушения микрообъемов поверхностного слоя влияют как свойства сопряженных металлов, так и свойства смазки. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое величиной, обратной интенсивности изнашивания, принято называть износостойкостью.

Классификация, предложенная И. В. Крагельским [35], базируется на представлении об усталостном разрушении поверхностей трения при скольжении. Отправной точкой для такой классификации послужил общий практически для всех видов фрикционного воздействия многократный циклический характер нагружения микрообъемов поверхностного слоя. Правильность и общность такого представления подтверждаются как широкой практической проверкой основанных на нем аналитических зависимостей, позволяющих оценивать износостойкость материалов, так и характером процессов, протекающих на контакте: структурными изменениями в материале и механизмом образования частиц износа.

Циклическое нагружение микрообъемов поверхностного слоя, сопровождаемое значительными пластическими деформациями в местах реальных контактов, является причиной усталостного разрушения материала. Усталостные трещины образуются на дефектах, всегда имеющихся в реальном твердом теле вследствие его неоднородности. К ним относятся дефекты механической обработки (царапины), металлургические дефекты (поры, газовые и шлаковые включения). Трещины могут возникать также на межфазных и межкписталлитных_хшйжщх, и т. д.

Наконец, третий вид в группе механического изнашивания — изнашивание при_х?упком^„азгщДЁаШ!., Суть его состоит в разрушении наклепанных"в процессе трения микрообъемов поверхностного слоя детали.

На качество применяемых машин существенное влияние оказывает материальный износ, под которым в настоящее время принято понимать изменение их размеров, формы, массы или состояния поверхности. Материальный износ обычно рассматривается как механический процесс, осложненный действием физических и химических факторов, вызывающих снижение прочности микрообъемов поверхностного слоя [20]. В связи с тем, что износ сопровождается изменением механических и физических свойств деталей и сборочных единиц, а также снижением их химической стойкости, то в конечном счете ухудшается качество машин, уменьшается ее производительность и экономичность.

При нормальном ударе абразивных частиц возможно хрупкое, усталостное и полидеформационное разрушение микрообъемов поверхностного слоя; разрушение мягких материалов может происходить также путем среза при перекрытии пластических образований от одиночных ударов.

По наличию смазки существует трение без смазочного материала (сухое трение) и трение со смазочным материалом. По виду смазочного материала различают газовую, жидкостную и твердую смазки, которые обеспечивают полное разделение поверхностей, находящихся в относительном движении. При этом трение металлических поверхностей заменяется трением слоев смазки, снижаются силы трения1 и создаются условия для резкого уменьшения износа. При небольшом слое смазки (0,1-5-0,2 мкм) трение и износ определяются свойствами трущихся поверхностей смазочного материала, отличными от объемных. Такая смазка называется граничной. Граничное трение по сравнению с сухим уменьшает скорость изнашивания, при этом на процессы разрушения микрообъемов поверхностного слоя влияют как свойства сопряженных металлов, так и свойства смазки. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое величиной, обратной интенсивности изнашивания, принято называть износостойкостью.

Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникновение различных теорий внешнего трения. Наиболее полно силовое взаимодействие твердых тел объясняет молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения, которая исходит из дискретности контакта трущихся поверхностей. Из-за шероховатостей соприкосновение поверхностей возникает в отдельных пятнах касания, образующихся от взаимного внедрения микронеровностей или их пластического смятия. Взаимодействие скользящих поверхностей в этих пятнах согласно теории имеет двойственную природу — деформационную и адгезионную. Деформационное взаимодействие обусловлено многократным деформированием микрообъемов поверхностного слоя внедрившимися неровностями. Сопротивление этому деформированию называют деформационной составляющей силы трения Fa. Адгезионное взаимодействие связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки. Сопротивление срезу этих мостиков и формирование новых определяет адгезионную составляющую силы трения Faa. Таким образом, сила трения так же, как и другая важная фрикционная характеристика — коэффициент трения /, по определению равный отношению силы трения F к нормальной нагрузке N: f = F/N, определяются как сумма двух составляющих:

Электрохимический процесс, несомненно, существенно влияет на разрушение металла и в тех условиях, когда механический фактор преобладает над электрохимическим процессом. В этом случае роль последнего в разрушении металла убывает с ростом интенсивности механического фактора. При разрушении микрообъемов поверхностного слоя в условиях воздействия агрессивной , среды механическая прочность металла заметно снижается [1, 35].

Процесс гидроэрозии, вызываемый микроударным воздействием жидкости при испытании металлов на струеударной установке, характеризуется двумя периодами (рис. 57). Первый период является инкубационным. В течение этого периода в микрообъемах металла происходит накапливание деформаций, и потери массы образца практически отсутствуют. Продолжительность этого периода зависит от сопротивления металла пластической деформации в каждом микрообъеме поверхностного слоя. Второй период эрозионного процесса характеризуется тотальным разрушением металла, сопровождающимся потерями массы образца вследствие полного или частичного разрушения микрообъемов поверхностного слоя. Переход от первого ко второму периоду эрозионного процесса характеризуется образованием микротрещин и очагов разрушения.

Рис. 71. Зависимость твердости микрообъемов поверхностного слоя сталей от продолжительности струе-ударного воздействия для сталей: