Д. И. Менделеева Новомосковский институт Б. П. Сафонов, А. В. Бегова инженерная трибология оценка износостойкости и ресурса трибосопряжений учебное пособие
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
n взаимодействия элементов трибосопряжения до разрушения. При этом речь идет о микроразрушении, когда с поверхности контакта элементов трибосопряжения отделяется фрагмент материала, который называется частицей износа. Частица износа может представлять собой как фрагмент материала элемента, таки продукт взаимодействия материала элемента со смазкой и окружающей средой. По аналогии с объемной прочностью способность материала сопротивляться трибологическому нагружению называется контактной прочностью. Контактная прочность материала 16 контролируется как объемными свойствами изнашиваемого материала, таки локальными свойствами поверхностного слоя. Согласно классификации И.В.Крагельского все разнообразие видов контактного взаимодействия сведено к пяти основным видам по характеру разрушения и числу циклов нагружения, предшествующих разрушению I – упругое оттеснение материала взаимодействующих элементов, число циклов да разрушения n→∞. Упругое оттеснение является предпочтительным видом контактного взаимодействия, поскольку имеет минимальную интенсивность изнашивания элементов II – пластическое оттеснение материала взаимодействующих элементов, число циклов да разрушения ∞ >n>1; III – микрорезание материала, n→1. IV – разрушение вторичных пленок, формирующих в процессе контактного взаимодействия, n→∞; V – глубинное вырывание материала адгезия, n→1. Изнашивание подразделяется на виды, которые реализуются по одному из представленных на рис. механизмов. В случае n →∞ вид изнашивания называют допустимым В этом случае имеем высокую износостойкость поверхностей трения. При n →1 вид изнашивания считается недопустимым. В этом случае износостойкость низкая. Такой вид изнашивания необходимо, по возможности, исключить, заменив менее интенсивным процессом поверхностного разрушения. Адгезионное схватывание относится к недопустимым видами является следствием нарушения нормальной эксплуатации машин или ошибок при подборе материалов элементов трибосопряжения. Стараются также избежать процессов микрорезания, так как при этом значительно возрастает интенсивность процесса разрушения поверхностных слоев. Основным процессом, возникающим при трении материалов и приводящим к износу, является упругопластическая деформация как результат взаимодействия неровностей поверхностей трения. В свою очередь, этот процесс порождает и сопровождается целой гаммой производных физических, химических и механических процессов, протекающих на поверхностях ив поверхностных слоях трущихся тел. Изнашивание является процессом, сопровождающим работу подвижных сопряжений технических устройств. Причем изнашивание нельзя избежать, поскольку оно является одной из форм старения 17 машины, его можно лишь минимизировать, увеличив тем самым время межремонтного пробега оборудования. Вид Схема Характер разрушения I Упругое оттеснение материала n →∞ II Пластическое оттеснение материала ∞ > n > 1 III Микрорезание материала n →1 IV Разрушение пленок n →∞ V Разрушение основного материала n →1 Рис. Виды нарушений фрикционных связей по ИВ. Крагельскому) [8] 18 Термин недопустимый вид изнашивания следует трактовать как вид изнашивания, отличающийся высокой интенсивностью, который по возможности следует избегать. Однако в ряде случаев конструктор – триболог вынужден мириться с наличием в создаваемом техническом устройстве трибосопряжений, в которых имеют место недопустимые виды контактного взаимодействия. Это относится в основном к микрорезанию, поскольку в ряде случаев условия функционирования машины таковы, что избежать микрорезание невозможно. Например, дозирующие и транспортирующие устройства для абразивных сред в химической, горно-обогатительной и строительной промышленности, почвообрабатывающие орудия в сельском хозяйстве и др. В тоже время наличие абразивных частиц, вызывающих микрорезание в системе смазки двигателя внутреннего сгорания, является недопустимым в прямом смысле слова. В этом случае необходимо исключать попадание абразива в систему смазки. Поэтому подход к способу повышения износостойкости при микрорезании различный. Для трибосопряжений, в которых микрорезание функционально, повышение износостойкости осуществляется рациональным выбором материалов материаловедческий способ. В трибососпряжениях, для которых наличие абразива не является функциональным, повышение износостойкости при микрорезании осуществляется путем исключения попадания абразива в трибосопряжение (конструктивный способ. В трибосопряжении реализуется определенный механизм изнашивания. Изнашивание принято классифицировать натри группы механическое, молекулярно-механическое и коррозионно- механическое. Механическое изнашивание – вид изнашивания, при котором контактное разрушение деталей происходит в результате механических воздействий на взаимодействующие элементы трибосопряжения. Молекулярно-механическое изнашивание – вид изнашивания, при котором контактное разрушение деталей происходит с участием межмолекулярных сил, возникающих на взаимодействующих поверхностях элементов трибосопряжения. 19 Коррозионно-механическое изнашивание – вид изнашивания, при котором контактное разрушение деталей происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическими (или) электрохимическим взаимодействием материала элемента трибосопряжения со средой, находящейся на контактной поверхности. Внутри названных групп различают следующие виды изнашивания • усталостное изнашивание – контакное разрушение многократного передеформирования поверхностного слоя. Типичным представителем усталостного изнашивания является питтинг (усталостное выкрашивание) дорожек и тел качения шарико- и роликоподшипников, опорно-поворотных устройств и др. • кавитационное изнашивание – контактное разрушение на границе раздела твердое тело-жидкость. Наблюдается в высокоскоростном потоке жидкости. Кавитация наблюдается в трубопроводах, гидромоторах, турбинах и др. • эрозионное – изнашивание потоком жидкости (гидроэрозионное) или газа (газоэрозионное). Эрозия представляет собой разрушение поверхности детали вследствие механического воздействия скоростного потока жидкости, газа или пара. Среди различных видов механического изнашивания деталей машин наиболее распространенным является абразивное изнашивание. Абразивное изнашивание поверхности происходит в результате режущего или царапающего воздействия твердых частиц с отделением стружки. Часто абразивные частицы являются продуктами износа. Абразивное изнашивания имеет место при трении элементов машин о перерабатываемый или транспортируемый материал. Оно характерено для работы бурового, горного, металлургического, химического оборудования, а также строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин. Интенсивность абразивного изнашивания существенно зависит от соотношения твердости металлами абразива На рис. I - область усталостного разрушения (n →∞) НА < К 1 Н М К = 0,7…1,0 II - область пластического передеформирования К 2 Н М > НА К 1 Н М 20 III – область микрорезания НА К 2 Н М К = 1,3…1,7 Микрорезание является самым опасным режимом работы трибосопряжения, поскольку оно сопровождается быстрым разрушением контактных поверхностей. Для исключения микрорезания в трибосопряжениях возможны два способа. Это конструктивный вариант, заключающийся в исключении попадания абразивных частиц в трибосопряжение, и материаловедческий – состоящий в переводе трибосопряжения в область усталостного разрушения на контакте. Для этого необходимо обеспечить выполнения условия 1 К Н Н А М = (7) Конструктивный вариант исключения микрорезания приемлем в случаях, когда наличие абразивных частиц в трибосопряжении не связано с функционированием технического устройства (системы смазки, гидравлические системы и др. Материаловедческий вариант борьбы с микрорезанием в трибосопряжениях используется в случаях, когда взаимодействие с абразивными частицами является функциональным назначением трибосопряжений буровые долота, дозаторы, дробильное оборудование и т.п.). Если частицы абразива переносятся средой, то имеем изнашивание незакрепленными частицами абразива – газо- и гидроабразивное. Этим видам износа подвержены лопатки газовых турбин, направляющие гидравлических турбин, трубы и насосы земснарядов и др. Эрозия характерна для деталей оборудования, взаимодействующих с потоками жидкости или газа теплообменники, топливные системы, регулирующие устройства гидравлических и паровых систем , поршневые кольца ДВС и компрессоров. К молекулярно-механическому изнашиванию относится заедание – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и несовместимо с нормальной эксплуатацией технического устройства. Явление схватывания имеет место при некоторых технологических процессах холодная сварка металлов, получение биметаллов методом холодной прокатки. В этом случае схватывание желательно. В трибосопряжениях схватывание всегда вредно и несовместимо с нормальной работой трибосопряжения. 21 Наличие химически активной среды на поверхности трения приводит к параллельному протеканию трибологического и химического процесса. При контакте металла с обезвоженными газами и неэлектропроводящими жидкими средами происходит химическая коррозия. При контакте металла с электролитами (водные растворы кислот, солей, щелочей, расплавы солее и т.п.) возникает электрохимическая коррозия, сопровождаемая анодными и катодными процессами. Коррозионно-механическое изнашивание проявляется в виде окислительного изнашивания и фреттинг-коррозии. Окислительное – коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей средой. Фреттинг- коррозия (фрикционная коррозия, коррозия трения, контактная коррозия, просто фреттинг) – коррозионно-механическое изнашивание плотно контактирующих твердых тел при наличии относительных тангенциальных микросмещений. Фреттинг-коррозии подвержены поверхности контакта прессовых соединений ступица-вал, шпонка-вал, центрирующие поверхности, опорные поверхности пружин, ножевые опоры силоизмерительных устройств, поверхности затянутого стыка. 22 Наиболее радикальным методом предотвращения фреттинг- коррозии является уменьшение микросмещений. Электроэрозионное – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Этому виду изнашивания подвержены скользящие контакты электрических машин и сварочных аппаратов токосъемы транспортных и подъемно-транспортных машин, в радиоэлектронной аппаратуре, средствах автоматики и связи слаботочные подвижные контакты реостатов, потенциометров, кодовых датчиков и др. Для снижения интенсивности электроэрозионного изнашивания используют создание на поверхностях контакта тонких переходных слоев, не ухудшающих токопроводимость, но снижающих вероятность схватывания создание композиционных материалов, I II III 1/ ε ε 1/ ε 0 К H M К H M Рис. Зависимость относительной износостойкости ( ε) и относительного износа 1/ ε от отношения твердостей абразива и материала НА НМ [11] 23 содержащих электропроводные смазки создание токопроводящих смазочных материалов. 1.5. Методы исследования износостойкости сталей Износостойкость одного итого же материала является переменной величиной и зависит от многих факторов механических свойств изнашиваемого материала, свойств абразива и размеров абразивных зерен, от соотношения механических характеристик абразива и металла, а также от удельной нагрузки на контакте, температурного воздействия, наличия охлаждения зоны трения и других факторов. В отличие от механических характеристик группы прочности и пластичности износостойкость определяется не только начальными свойствами испытуемого материала, но и свойствами материала контртела, во взаимодействии с которыми происходит изнашивание при эксплуатации, а также характером контактного нагружения. Зависимость износостойкости материала от условий изнашивания и свойств контактирующего с ним материала усложняет оценку фактического износа и выбор методов для его определения. Разработка методов испытания материалов на изнашивание обусловлена необходимостью достоверного выбора износостойких материалов с целью повышения ресурса машин, механизмов, инструмента. В технических устройствах, содержащих трибосистемы подвижные соединения элементов, физико-химические процессы, происходящие в материале, обусловлены особым видом нагружения, называемым трибологическим. Трибологическое нагружение имеет место при относительном перемещении взаимодействующих элементов механической системы. Его влияние на материал деталей локализовано в поверхностном слое, глубина которого составляет величину порядка 0,01…3 мм в зависимости от условий нагружения. На рис. показаны виды кинематического взаимодействия элементов ТС при трибологическом нагружении. Каждый вид трибологического взаимодействия обусловливает присущее ему деформационно-напряженное состояние материала, степень активизации и последующее разрушение поверхности детали. Одной из задач инженерной трибологии является исследование взаимосвязи механических свойств сталей и износостойкости и 24 прогнозирование ресурса узлов трибосопряжений в условиях абразивного изнашивания. Механические свойства закаленной стали можно подразделить на две группы в соответствии с теми зависимостями, которым они следуют при отпуске группа прочности (HRC, В, σ 0,2 и др) и группа пластичности (δ, ψ) и ударной вязкости (KCU). При повышении температур t отп отпуска прочность стали снижается, а пластичность возрастает (рис. В настоящее время оценка сопротивления изнашиванию выполняется одним из методов - лабораторные испытания - экспериментально-расчетный метод по критериальным зависимостям. Лабораторные трибологические испытания металла позволяют получить наиболее точные оценки по износостойкости, но требуют больших материальных затрат и времени. При проведении лабораторных трибологических испытаний стремятся к соблюдению кинематического подобия натурного и модельного трибосопряжений. Поэтому в настоящее время созданы лабораторные установки для определения износостойкости материалов применительно к тормозным устройствам, опорам качения и др. Второе направление в развитии лабораторных методов трибологических испытаний заключается в создании лабораторных методов испытаний, в которых воспроизводится тот или иной вид изнашивания (см.рис.5.). 25 35 40 45 50 55 60 65 100 200 300 400 500 tотп,С HRC ψ,% Рис.6. Изменение механических свойств стали Д при отпуске [11] а) б) в) где) ж) Рис. Виды кинематического взаимодействия элементов ТС при трибологическом нагружении : а- скольжение б- качение в,г- удар д- воздействие потока абразивных частиц на поверхность детали е- скольжение в массе абразивных частиц ж- взаимодействие сопряженных деталей в 26 Экспериментально-расчетные методы оценки сопротивления металла изнашиванию предполагают получение статистических моделей износостойкости, которые позволяют получать данные по износостойкости расчетным путем, опираясь на свойства материала элементов трибосопряжения, называемых критериями износостойкости. При использовании экспериментально-расчетного метода оценки сопротивления металла изнашиванию возникает проблема выбора критерия износостойкости связанная стем, что износостойкость является переменной и сложнозависимой величиной. Критериями для оценки износостойкости сталей принято использовать отдельные механические свойства (твердость, предел прочности, сопротивление срезу и т.д.) или их комплексы. Следует отметить, что наиболее перспективными являются критерии износостойкости, объединяющие прочностные и пластические свойства стали. Поэтому при оценке износостойкости сталей необходимо учитывать комплекс механических свойств металла, которые для сталей могут быть вычислены по эмпирическим зависимостям на основе стандартных механических характеристик. Проанализировав современные методы исследования абразивной износостойкости сталей при скольжении по закрепленному абразиву, можно сделать следующие выводы о влиянии метода и условий испытаний на закономерности изнашивания материалов 1. Изменение скорости скольжения при изнашивании в диапазоне 0,15 – 1,4 мс не оказывает существенного влияния на износостойкость сталей и сплавов 2. В диапазоне изменения удельной нагрузки 1-15 МПа наблюдается линейная зависимость между номинальной нагрузкой и величиной износа материалов 3. Исследования необходимо проводить при твердости абразива выше твердости исследуемого материала 4. Для получения стабильных результатов необходимо контролировать абразивность поверхности или проводить изнашивание по свежему следу абразивной поверхности. Следовательно, с целью выявления закономерностей износа различных сталей достаточно провести испытания на изнашивание по режиму в указанном диапазоне удельной нагрузки и скорости скольжения. Ряд износостойкости сталей, полученный при этом для конкретных условий изнашивания на лабораторной установке, будет сохраняться в указанном интервале изменения условий изнашивания. 27 Методы оценки износостойкости сталей 2.1. Критерии оценки износостойкости В исследованиях по абразивной износостойкости сталей традиционным является оценка сопротивления стали изнашиванию по ее твердости, что правомерно, поскольку взаимодействие абразивной частицы на трибоконтакте с металлом при изнашивании и индентора – при определении твердости имеют много общих черт. Однако, взаимодействие абразивной частицы и металла заканчивается микроразрушением поверхности металла и отделением частиц износа, а при внедрении индентора имеет место лишь пластическая деформация металла. Поэтому положительное влияние на износостойкость сталей помимо твердости оказывают и другие механические характеристики металла группы прочности предел прочности, предел текучести, сопротивление срезу и т.д. Несмотря на то, что твердость (прочность) стали принято рассматривать в качестве критерия износостойкости, при исследовании выборки сталей однозначной взаимосвязи износостойкости и любой отдельно взятой характеристики прочности не наблюдается (рис. Объяснение данному обстоятельству следует искать в механизме изнашивания стали абразивом (рис. Формирование частицы износа при микрорезании происходит в несколько этапов внедрение, пластическое оттеснение и контактное разрушение. Сопротивление материала изнашиванию будет контролироваться его сопротивлением внедрению абразива под действием нормальной нагрузки и способностью деформироваться при тангенциальном перемещении внедрившейся частицы абразива. При использовании такой феноменологической модели формирования контакта становится очевидным различие в воздействии на металл при измерении твердости и при изнашивании в форме микрорезания. При измерении твердости взаимодействие индентора с поверхностью металла завершается внедрением на глубину h. Величина h определяет величину твердости металла. При трибологическом нагружении за этапом внедрения следует перемещение абразивной частицы по поверхности трения, вовремя которого частица абразива пропахивает поверхность металла. Поэтому, при разработке критериев выбора сталей для условий абразивного изнашивания по механическим свойствам трибологические исследования целесообразно проводить таким образом, чтобы роль фактора внедрения абразива в поверхность 28 трения была фиксирована, те. проводить изнашивание материалов разной твердости при постоянной глубине внедрения абразивной частицы в поверхность трения h= const (см.рис.8). Практически это условие можно реализовать либо, проводя изнашивание сталей с удельным давлением, пропорциональным твердости изнашиваемого материала, либо введением поправочного коэффициента, названного коэффициентом внедрения, который нивелирует влияние на износ металла переменной глубины внедрения абразива в поверхность трения при исследовании сталей разной твердости (рис. Введение поправочного коэффициента является предпочтительным, поскольку позволяет проводить исследование износа сталей на имеющемся лабораторном оборудовании и, кроме того, позволяет использовать полученные ранее результаты многочисленных исследований абразивного изнашивания сталей и сплавов для анализа и построения статистических моделей. Введение коэффициента внедрения стали проведем, приняв в качестве эталона сталь 45 в состоянии поставки, имеющую твердость HRC15. Твердость HRC выбрана неслучайно, поскольку метод Роквелла является самым технологичными универсальным методом определения твердости металлов и сплавов. По определению, коэффициент внедрения К стали делает справедливым равенство const h К h i h эт = Δ ⋅ = Δ , (8) здесь i эт h h Δ Δ , - глубина внедрения абразива в металл твердостью HRC эт , Твердость по Роквеллу измеряется при поэтапном приложении нагрузки Р = Р + Р рис. Р =10 кгс, Р =140 кгс. Численно твердость HRC выражают числом делений условной шкалы из формулы c h h HRC 0 100 − − = , (9) где h – остающаяся глубина внедрения наконечника в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р , определяемая после снятия основной нагрузки Р h 0 - глубина внедрения наконечника в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р С – постоянная, равная 0,002 мм. Обозначив h –h 0 = ∆h , выразим глубину ∆h для исследуемого металла HRC i и эталона HRC эт из (9) |