авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический ...»

-- [ Страница 2 ] --

Основные виды твердых сплавов: группа ВК (WC + Со), группа ТК (WC + TiC + Со), группа ТТК (WC + TiC + TaC + Со). Наиболее распространенными сплавами группы ВК являются сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где число показывает содержание кобальта в процентах (остальное WC). Сплавы с малым количеством кобальта обладают повышенной твердостью и износостойкостью.

Износостойкость твердых сплавов сохраняется высокой при нагреве до 800 – 1000о С.

Цветные сплавы, или сплавы на основе цветных металлов, широко приме няются в качестве антифрикционных материалов для смазываемых подшипни ков скольжения. Основные из них – баббиты, бронзы, латуни, сплавы на алю миниевой основе, спеченные порошковые материалы.

Таблица 1. Марка Твер- Микроструктура Предельные нагрузки чугуна дость Графит Металли- Давление Скорость Р, НВ, ческая Р, МПа скольже- МПа, МПа основа ния, м/c м/с АЧС-1 18-24 Пластинча- Перлит 5,0 5,0 12, тый АЧС-2 18-23 То же То же 10,0 0,3 2, АЧС-3 16-19 То же Перлит- 6,0 1,0 5, феррит АЧС-4 18-23 То же Перлит 15,0 5,0 40, АЧС-5 18-29 То же Аустенит 20,0 1,0 20, АЧС-6 10-12 То же Перлит по- 9,0 4,0 9, ристый АЧВ-1 20-26 Шаровид- Перлит 1.5 10,0 12, ный АЧВ-2 16,7- То же Перлит- 1,0 5,0 3, феррит 19, АЧК-1 18,7- Хлопьевид- Перлит 20 2,0 20, ный 22, АЧК-2 16,7- То же Феррит- 0,5 2,0 2, перлит 19, Баббиты – это мягкие антифрикционные сплавы на оловянной, свинцовой, алюминиевой и цинковой основах. Баббиты отличаются низкой твердостью ( – 23 НВ), невысокой температурой плавления (340 – 600 оС), хорошо прираба тываются и имеют низкий коэффициент трения со сталью. Благодаря хорошей прирабатываемости баббитов все неточности поверхностей трения, полученные при механической обработке и установке деталей узлов трения, быстро устра няются в процессе обкатки узла трения или машины. В табл. 1.4 приведены со став и основные свойства баббитов [19].

Антифрикционные свойства баббита зависят от толщины баббитного слоя, нанесенного заливкой на подложку (основной металл подшипникового вкла дыша, обычно изготавливаемого из стали). В тонкослойных подшипниках при толщине баббита менее 1 мм баббит имеет гетерогенную (неоднородную) мик роструктуру с крупными твердыми кристаллами химических соединений (SnSb, CuSn, SnPb и т.д.), вследствие чего сопротивляемость усталостным поврежде ниям под действием циклических нагрузок снижается. Баббиты применяют для заливки подшипников скольжения при удельных нагрузках не более 10 – МПа и температуре не выше 100 – 120 оС.

Таблица 1. Марка Структура Свойства баббита Мягкая Твердые Плотность, Тпл, в,, % Коэф.

о основа включе- г/см С МПа трения ния со смазкой 1 2 3 4 5 6 7 Оловянные баббиты Б83 Sn SnSb, 7,4 380 90 6,0 0, CuSn Б89 Sn CuSn 7,3 342 90 9,0 Свинцовые баббиты Б6 Pb SnSb, 9,6 460 70 0,5 0, CuSn БТ Pb SnSb - - 80 2,0 0, БН Pb SnSb, 9,5 400 70 1,0 0, SnAs БС Pb + Sb SbCa, 10,1 410 40 0,5 0, эвтетика PbNa БК Pb PbCa, 10,5 470 100 2,5 0, PbNa Б16 Pb SnPb, Cu, 9,3 410 80 0,5 0, Sn Цинковые баббиты ЦАМ (Zn + Al 6,3 395 - 0,5 0, 10-5 + CuZn) ЦАМ 5- CuZn 7,1 500 - 1,0 Алюминиевые баббиты АСС 6- Al AlPb - 632 - - Оловянные баббиты Б83 и Б89 являются лучшими для подшипников, т.к.

оловянная основа вязкая и пластичная, она менее других склонна к усталостно му разрушению. На втором месте стоят свинцовые баббиты (Б16, Б6), в кото рых мягкой основой является свинец. Эти баббиты значительно дешевле оло вянных, а по качеству уступают им ненамного.

Цинковые баббиты ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловян ной основе по пластичности, коэффициенту трения и примерно равноценны баббитам на свинцовой основе.

Сплавы на медной основе также широко применяются в качестве анти фрикционных материалов. Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы на основе меди с цинком, бронзы – сплавы на основе меди с другими (кроме цинка) элементами.

Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 45 %. В качестве антифрикционных материалов применяются латуни кремнистые (ЛКС80-3-3 – содержание кремния 2,5 – 4 %), марганцовистые (ЛМцС58-2-2 содержание марганца до 2,5 %), алюминиево-железистые латуни (ЛАЖ60-1-1Л - содержание алюминия до 1,5 %, железа до 1,5 %). Из антифрикционных лату ней изготавливают втулки, подшипники, арматуру.

Бронзы, применяемые для изготовления подшипников скольжения, делятся на оловянные, алюминиевые и свинцовые.

Оловянные бронзы подразделяют на деформируемые (БрОФ 6,5-0,15;

БрОЦС 4-4-2.5) и литейные (БрОЦС 4-4-17, БрОЦСН 3-7-5-1). В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, ан тифрикционными и упругими свойствами, что очень важно для деталей узлов трения. литейные бронзы применяются главным образом при изготовлении от ливок (заготовок) для деталей триботехнического назначения (втулки и вкла дыши подшипников, венцы червячных колес) и пароводяной арматуры.

Алюминиевые бронзы с оптимальными свойствами содержит 3 – 8 % алю миния. Увеличение содержания алюминия до 10 – 11 % ведет к значительному повышению прочности и понижению пластичности вследствие появления в структуре гамма-фазы. Детали из алюминиевых бронз изготавливают литьем, обработкой давлением и резанием. Это, как правило, относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев.

Свинцовые бронзы (БрСЗО) используют как высококачественный анти фрикционный материал, имеющий высокую прочность и температуростойкость (Тпл = 1050 – 1100 оС). Антифрикционные свойства свинцовой бронзы несколь ко хуже, чем, например, баббитов, но она обладает повышенными прочност ными характеристиками и более тугоплавка.

Алюминиевые подшипниковые сплавы в последние годы получили широ кое распространение. В качестве антифрикционных материалов они имеют ряд положительных особенностей: высокую теплопроводность, низкий модуль уп ругости и плотность, и высокую коррозийную стойкость, относительно высо кую прочность. В настоящее время созданы весьма разнообразные по химиче скому составу алюминиевые подшипниковые сплавы. В своей структуре они имеют мягкую пластичную основу металла (алюминия) с включениями твер дых структурных составляющих (кристаллы FeAl, AlNi, CuAl, MgSi, AlSb и др.). Введение в сплавы элементов с низкой температурой плавления (Pb, Cd) или добавка графита обеспечивают повышение сопротивления к схватыванию алюминиевых сплавов при сухом или граничном трении. Цинк и магний, имеющие повышенную растворимость в алюминии, вводятся для повышения прочности и нагрузочной способности материала. Подшипники из алюминие вых сплавов применяются в тракторной промышленности, тепловозостроении и других отраслях. Их алюминиевых сплавов изготавливают как монометалличе ские детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические подшипники на стальной подложке.

Пористые антифрикционные материалы используют для изготовления де талей узлов трения методом прессования с последующим спеканием из порош ков на железной и медной основах. В качестве обязательных добавок к ним применяют порошки самосмазывающихся материалов: графита, дисульфида молибдена и др.

Обычно пористые антифрикционные материалы перед использованием в узлах трения пропитывают жидким смазочным материалом. Детали из таких материалов применяют в парах трения при недостаточной смазке или при не допустимости применения системы смазывания. В процессе работы такой три босистемы с повышением температуры масло автоматически выделяется (объ ем пор 15 – 30 % объема детали) и поступает в зону фактического контакта. Эти пары трения устойчиво работают и в условиях обильной смазки. Спеченные из порошков пористые детали узлов трения обладают хорошими прочностными и антифрикционными свойствами и находят широкое применение. Железографи товые спеченные материалы (ЖГр-1;

ЖГр-3 и др.) используют при удельных нагрузках до 600 МПа, скорости скольжения 6 м/с и температуре до 150 оС. Ко эффициент трения в этих условиях составляет 0,04 – 0,06. При меньших на грузках скорости скольжения могут достигать 20 – 30 м/с.

Применение железографитовых подшипников позволяет экономить боль шое количество сплавов цветных металлов – бронзы, баббита. В ряде случаев железографитовые подшипники скольжения могут успешно заменить шарико вые и роликовые подшипники качения. Наличие графита и запас жидкой смаз ки в порах придает металлокерамическим подшипникам свойства самосмазы вающихся, что уменьшает опасность выхода из строя узлов трения из-за недос таточной смазки. Использование подшипников из порошков взамен литых по вышает срок службы подшипников от 1,5 до 10 раз. В последнее время расши ряется применение пористых спеченных подшипников, пропитанных фторо пластом. Такие подшипники весьма перспективны для несмазываемых опор скольжения благодаря высоким антифрикционным свойствам фторопласта. Ко эффициент трения подшипников, пропитанных фторопластом, без смазки со ставляет примерно 0.05. Они надежно работают при температурах до 280 оС в кислых и щелочных средах.

1.4.2 Полимерные и полимерные композиционные материалы Твердые полимерные материалы (пластмассы) широко применяются в уз лах трения скольжения и качения современных машин и механизмов. Техниче ски обоснованное применение пластмасс позволяет увеличить надежность и ре сурс машин, улучшить их эксплуатационные, технико-экономические характе ристики и технологичность, отказаться от дефицитных сплавов цветных метал лов и снизить стоимость машин.

Пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные по реакции на теплоту. К термопластичным относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении. К термореактивным пластмассам относятся полимеры, в которых при термическом воздействии возникают реак ции химического связывания цепных молекул друг с другом с образованием сетчатого строения. Такие пластмассы не могут переходить в пластичное со стояние при повышении температуры без нарушения пространственных связей в структуре полимера.

Полимеры (термопластичные и термореактивные) могут использоваться в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде компо зиционных материалов с различными наполнителями. Из полимерных материа лов изготавливают зубчатые колеса, шкивы, трущиеся элементы (детали) под шипников, кулачковых механизмов, направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников, шарниры и т.д. Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая технологичность, низкая себестоимость. Хо рошие демпфирующие свойства. Детали из термопластов изготавливают высо копроизводительными методами – литьем под давлением и экструзией, крупно габаритные детали – центробежным литьем, ротационным формованием, ани онной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением анти фрикционных покрытий из расплавов порошков. Термореактивные полимеры перерабатываются преимущественно методами компрессионного и литьевого прессования. Они более прочны и термостойки. Порошкообразные термореак тивные композиции наносят на трущиеся поверхности деталей в виде тонкос лойных покрытий.

В машиностроении разработан целый ряд конструкций подшипников, пе редач, направляющих и уплотнений, в которых смазывание обеспечивается благодаря специальным элементам конструкции (деталям), изготовленным из так называемых полимерных самосмазывающихся материалов (ПСМ).

По составу все ПСМ можно разделить на следующие группы: композиции, содержащие главным образом антифрикционные наполнители, полимерные связующие и пластификаторы (дополнительные смазочные материалы);

компо зиции комплексными наполнителями, улучшающими физико-механические и триботехнические свойства материалов;

комбинированные самосмазывающие ся материалы типа металлополимерной ленты, в которой совмещаются пре имущества составных частей металла как несущей и теплопроводной основы и полимера как антифрикционного самосмазывающегося слоя, обеспечивающего надежную защиту поверхности трения от схватывания.

Материалы на основе фторопласта. Фторопласт занимает особое место среди других полимеров, его нельзя отнести ни к термопластам, ни к реакто пластам, так как ему присущи свойства обеих групп. Он отличается самым низ ким и стабильным коэффициентом трения – 0,04 при трении по стали и лучши ми смазывающими свойствами среди полимеров. Однако твердость чистого фторопласта невелика, что приводит к значительному деформированию по верхностных слоев при контактном взаимодействии и интенсивному изнашива нию при трении. Поэтому для изготовления деталей узлов трения чистый фто ропласт не применяют, а используют композиционные материалы на основе фторопласта. В табл.1.5 приведены физико-механические и триботехнические свойства ПСМ на основе фторопласта-4 [8].

Материалы на основе полиамидов. Широкое применение в различных уз лах трения находят антифрикционные композиционные материалы на основе полиамидов. Полиамиды благодаря наличию в основной полимерной цепи амидных групп –NH-CO- и, как следствие этого, сильных межмолекулярных связей отличаются от большинства промышленных полимеров высокими меха ническими свойствами, жесткостью, твердостью и стойкостью к ударным на грузкам, повышенной усталостной прочностью и радиационной стойкостью.

Полиамиды имеют довольно низкий коэффициент трения и по этому показате лю уступают только фторопласту и полиформальдегиду, однако по износостой кости и несущей способности превосходят их. Для улучшения прочностных свойств полиамиды армируют, а для снижения коэффициента трения и интен сивности изнашивания наполняют твердыми смазочными материалами (графи тов, MoS2. коксов и др.). В табл. 1.6 приведены состав и физико-механические свойства композиционных материалов на основе полиамидов [20]. Повышение износостойкости достигается введением наполнителей в виде волокон вместо дисперсных порошков, например, углеродных волокон вместо графита.

Таблица 1. Марка Состав, % Плот- Проч- Твер- Теплоем- Коэф. Интенсив материа- (массовая ность ность дость, кость Ср, тре- ность из НВ Вт/м К ния f нашивания ла доля), в, Jh г/см3 МПа 1 2 3 4 5 6 7 Ф-4 2,18 14,0- 30-40 0,2 0,04 80- Ф4К20 Ф-4, 80 2,21 0,06 0,75-1, Кокс Ф4М15 Ф-4,85 2,25 13,5 50 - 0,07 0,5-1, МоS2, Ф4С15 Ф-4, 80 2,20 11-14 50-60 - 0,08- 1,7-2, стекловолок- 0, но Ф4К15 Ф-4,80 2,19 14 40 - 0,08- 0,9-1, М5 Кокс, 15 0. МоS2, АМИН Ф-4, Ситал, 2,25 10-14 46-80 0,35 0,1- 1,8-2, 15М МоS2, 0, ФН-202 Ф-4, никель, 2,40 11-18 40-70 0,30 0,12- 28- нитрид бора, 0, МоS Крио- Ф-4, 82 2,21 22-25 55-60 0,36 0,08- 0,5-0, лон3 углер. во- 0, локно, МоS2, КВН-3 Ф-4, бронза, 2,25 16-20 50-58 0,32 0,10- 1,0-1, PbO, кокс, 0, МоS Материалы на основе полиимидов. Полиимиды отличаются высокой тер мической и термоокислительной устойчивостью. Они начинают разлагаться на воздухе только в области температур 350 – 450 оС, а в вакууме или инертной среде – при 500 оС. Полиимиды относятся к самым радиационностойким мате риалам, что в сочетании с малой летучестью в вакууме делает их перспектив ными для применения в узлах трения, работающих в вакууме. Изделия из поли имидов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200 – 260 оС. На пример, полиимид ПМ-69 сохраняет 90 % прочности при изгибе после 500 ч работы при 250 оС и после 100 ч работы при 300 оС.

Таблица 1. Марка Состав Плот- Проч- Ударная Твер- Предельная материала компонен- ность ность вязкость дость, НВ рабочая тов, в, КС, температу ра, оС г/см МПа кДж/м 1 2 3 4 5 6 ПА 6-1-203 ПА6. гра- 18 – 50 -60 – + 1,15 60–72 фит ЛАМ-1 ПА6, гра- -60 – + 1,18 53 20 фит алюм.

пудра А 12-11-13 ПА12, МоS2 3–7 -40 – + 1,03 49 ПА66ПЭ ПА66, по- До 1,13 70 4 лиэтилен ПА610-1- ПА610, 50 – 80 До 1,12 55 графит ПА610-1 ПА610, 20 – 50 До 1,35 125 стеклово локно МоS САМ-3 ПА66, 40 – 50 До 1,30 55 добавки САМ-5 ПА66, 35 – 51 До 1,16 47 графит, добавки ПНС610- ПА610, 50–60 50 – 80 До 1,16 Т10 тальк Маслянит ПА6, гра- -40 – + - - 21 К37 фит, латунь, смазка Маслянит ПА6, стек- -50 – + - - 30 КСПЭ ловолокно, полиэтилен, медь Ценным свойством полиимидов является высокое сопротивление ползуче сти, особенно при высоких температурах. Возможность применения полиими дов для изготовления деталей высокой точности обеспечивается их малой усад кой (0,7 – 1,0 %) при прессовании и спекании и небольшим (0,2 – 0,3 %) водо поглощением [21].

В чистом виде полиимиды обладают плохими антифрикционными свойст вами (коэффициент трения 0, 6 – 0.7), которые резко улучшаются при введении твердосмазочных наполнителей: коэффициент трения снижается в 5 – 10 раз, интенсивность изнашивания монотонно повышается с увеличением контактно го давления, повышение скорости скольжения также вызывает увеличение ин тенсивности изнашивания. Коэффициент трения материалов на основе поли имидов с увеличением скорости скольжения снижается.

Детали узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых изделий, например подшипников, к полиимиду добавляют полифор мальдегид. При температуре до 340 оС наиболее эффективно работают компо зиции, содержащие 45 % графитированного волокна (коэффициент трения снижается до 0,05 – 0,10) при допустимом контактном давлении 350 МПа.

Недостатком материалов на основе полиимидов является большая ско рость газовыделения, что в некоторых случаях повышает их хрупкость, предъ являя особые требования к технологии обработки деталей. Кроме того, эти ма териалы имеют высокую стоимость. Поэтому их применяют в основном для из готовления ответственных деталей подвижных сопряжений, работающих в экс тремальных условиях.

Материалы на основе поликарбоната. Композиционные материалы на ос нове поликарбоната относятся к перспективным ПСМ для деталей узлов трения благодаря высоким механической прочности и ударной вязкости, стабильности свойств и размеров в широком интервале температур, стойкости к атмосфер ным воздействиям. Эти материалы устойчивы к ультрафиолетовому излучению и резким перепадам температур, но имеют ограниченную стойкость к действию ионизирующего излучения.

Материалы на основе поликарбоната применяют для уплотнений, клапанов и других элементов, работающих в вакууме, инертной, газовой и других средах при температурах от 50 до 110 оС. В табл. 1.7 приведены состав и свойства не которых материалов на основе поликарбоната [21].

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в по ликарбонат вводят специальные наполнители и твердые смазки. Введение ди сульфида молибдена, графита или 15 – 20 % фторопласта-4 снижает коэффици ент трения в 2-3 раза.

К недостаткам поликарбоната следует отнести склонность к образованию микротрещин в поверхностном слое под влиянием остаточных напряжений по сле механической обработки и вследствие инородных включений и микропор.

Поэтому обязательной финишной операцией должна быть термообработка для снятия внутренних напряжений.

Материалы на основе эпоксидных смол. Композиционные материалы на основе эпоксидных смол нашли применение для деталей трибосопряжений вследствие хорошей адгезии эпоксидных полимеров к металлам и другим мате риалам, высокой механической прочности, малой усадки и водопоглощения.

Наряду с традиционными наполнителями (графит, кокс, дисульфид молибдена, оксиды металлов, различные волокнистые материалы и т.п.) в эпоксидные смо лы вводят фурановые олигомеры, полиэтилен, кремнийорганические смолы, двуокись титана и другие специальные добавки, что значительно увеличивает твердость, жесткость, нагрузочную способность и износостойкость композици онных материалов. Свойства некоторых антифрикционных материалов на ос нове эпоксидных смол приведены в табл. 1.8 [21].

Таблица 1. Марка Основные Плот- Проч- Ударная Твер- Предельная Метод мате- компонен- ность ность вязкость дость, рабочая перера риала ты, г/см в, КС, НВ температу- ботки ра, оС МПа кДж/м ДАК-8 Поликар- Литье 1,23 50-55 105 87 бонат, фто- под дав ро-пласт-4 лением Эсте- Поликар- Прессо 1,30 - 6 200 ран-29 бонат, вание MoS Эсте- Поликар- Литье 1,41 52 30-70 140 ран-35 бонат, под дав лением MoS Эсте- Поликар- Литье 1,25 60 100-200 100 ран-51 бонат, под дав лением MoS ДАК- Поликар- Литье 1,20 55 - 90 бонат, BN под дав 12 лением 3BN ДАК- Поликар- Литье 1,25 90 - - УП5Д бонат, гра- под дав фит лением Наиболее широкое применение получили композиционные материалы ма рок АМС-1, АМС-3, АМС-5М, отличающиеся более высокой механической прочностью, износостойкостью, термостойкостью и низким коэффициентом трения. Из этих материалов изготавливают поршневые кольца компрессоров, работающие без смазки, торцовые уплотнения, подшипники скольжения для узлов сухого трения с нормальной влажностью при повышенных температурах, лопатки воздушных ротационных насосов.

Таблица 1. Марка Основные Плот- Предел Кон- Ско- Интен- Коэф мате- компоненты ность проч- такт- рость сив- фици риала, г/см ности ное сколь- ность ент в, давле- жения изна- трения МПа ние Р,, м/с шива- f МПа ния Jh· АМС- Эпоксикрем- 1,77 - 5,0 0,1 0,1 0, нийорганиче ская смола, кокс, нитрид бора АМС- Эпоксикрем- 1,79 - 5,0 0,22 0,22 0, нийорганиче ская смо ла,электродн ый графит, кристаллич.

графит АМС- Эпоксикрем- 1,23 - 2,0 0,05 0,05 0, 5М нийорганиче ская смола, углеродная ткань ЭД- Эпоксидная 1,90 8,0 2,0 0,06 2,0 0, МА- смола, гра фит, никель Э10Н Эпоксидная 1,35 9,5 0,65 1,0 1,2 0, смола, гра фит, никель В середине XX в. возрос интерес к полимерам и материалам на их основе благодаря особенностям их структуры, специфическим механическим свойст вам и возможностям управления этими свойствами. Однако при использовании полимеров часто возникали проблемы, связанные с их ползучестью, сущест венной зависимостью свойств от температуры, низкими теплопроводностью и атмосферостойкостью. Понадобились десятилетия, чтобы определить область современного машиностроения, в которой полимеры применимы в качестве триботехнических материалов, наиболее часто в виде покрытий и твердых сма зок, последние используются либо в чистом виде, либо в составе композиций или слоистых структур. Тонкие пленки полимеров, например, самоорганизую щиеся слои, образовавшиеся в результате химической и физической адсорбции органических молекул (полимеров) являются перспективной граничной смаз кой в быстроразвивающихся областях систем хранения информации, микро электромеханических систем и других прецизионных механизмов.

ГЛАВА 2. СОСТОЯНИЕ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 2.1. СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ Исследования последних десятилетий выявили и показали существенное влияние геометрических и физико-механических особенностей наружных слоев твердых тел на многие характеристики прочности, износостойкости и долго вечности. Чисто геометрическое представление о поверхности твердого тела крайне узко и недостаточно, так как поверхностные слои материалов (металли ческих и неметаллических) значительно отличаются от основной массы мате риала изделия своей структурой, химическим составом, напряженно-деформи рованным состоянием.

Идеально правильная поверхность существует только теоретически и в нашем воображении. Реальная поверхность твердого тела, включая природные кристаллы, несовершенна. Поверхность самого гладкого, по нашим представ лениям, тела – мерительной плитки – имеет впадины и возвышения не менее нескольких сот атомных рядов. Естественные поверхности также имеют раз личные несовершенства и неровности. Для поверхности кристалла характерна ступенчатая структура, так как рост кристаллов происходит спиралеобразно.

Высота ступенек изменяется для разных веществ в широких пределах: от одно го атомного слоя до сотен, от 50 нм в серебре, металлах с гексагональной ре шеткой, до 200 нм в иодиде кадмия [22]. Эти неровности могут быть частично первичными, образовавшимися при росте кристалла, частично – вторичными вследствие микроразрушения поверхности от различных естественных причин.

Даже тщательно обработанная поверхность образца, подвергшаяся затем пла стической деформации, нарушается, представляя при сильном увеличении хао тическое нагромождение выступов и впадин (рис.2.1).

Рис. 2.1. Поверхность обработанных и деформированных образцов Помимо таких неровностей, естественным поверхностям кристаллических и аморфных тел присуща, как полагает ряд исследователей, природная трещи новатость – наличие сетки мельчайших, не обнаруживаемых микроскопами трещинок, уходящих в толщу тела. Действие межатомных сил при наличии микротрещины шириной более величины межатомного расстояния благоприят ствует дальнейшему росту дефекта.

У этих микротрещин возникает концентрация напряжений, здесь зарожда ются гнезда дефектов, которые могут охватить макроскопические объемы и привести к разрушению.

Трещины имеют клиновидную форму с устьем на поверхности и сходящей на нет вершиной в толщине приповерхностного слоя (рис.2.2). Микротрещины очень малы и обнаруживаются при увеличении порядка 12000-15000. В верши не трещины стенки настолько сближены, что при снятии напряжений или воз никновении напряжений сжатия происходит частичное залечивание – с двух сторон атомы настолько сближаются, что связи между ними восстанавливают ся.

Термическая и механическая обработки при наличии естественной трещи новатости могут приводить к появлению целой сетки мельчайших поверхност ных надрывов дефектов более крупного порядка. Границы раздела отдельных кристаллитов и блоков мозаичной структуры могут также рассматриваться как микротрещинки, уходящие в глубокие слои. По этим плоскостям раздела осо бенно интенсивно протекает диффузия из окружающей среды. При известных условиях, например, при высоких давлениях, диффузия по границам раздела между кристаллитами протекает настолько интенсивно, что здесь образуются микроскопические каналы, доступные проникновению жидкости.

Рис.2.2. Схема микротрещин: а – дно щели;

б – граница вещества, проникшего в глубину щели Обработанные поверхности по сравнению с естественными имеют неров ности (шероховатости), значительно большие по величине. Форма неровностей в общих чертах повторяет очертание обрабатывающего инструмента, например токарного резца. Но неоднородность строения и свойств структурных элемен тов создают различные условия отделения материала (срезом, отрывом) и фор мообразования микронеровностей. При достаточном увеличении можно на блюдать после обработки металла микронеровности различной формы и разме ров, геометрия которых тесно связана с физико-механическими процессами разрушения металла в зоне обработки (рис.2.3). Величина и форма микроне ровностей зависят от условий обработки: режима резания, геометрии и состоя ния материала режущего инструмента, материала изделия, охлаждающей сре ды, метода обработки.

Шероховатость обработанной поверхности количественно характеризуется следующими параметрами: средним арифметическим отклонением профиля-Ra;

средней высотой неровностей профиля по десяти точкам – Rz;

наибольшей вы сотой неровностей – Rmax;

средним шагом неровностей профиля – Sb. Подробное описание стандартных характеристик шероховатости обработанной поверхно сти в ГОСТ 2789-73.

Рис.2.3. Профиль микронеровностей обработанной поверхности Микрогеометрия обработанной поверхности оказывает существенное влияние на прочность и износостойкость деталей машин, на физико-химичес кие процессы при трении и изнашивании, особенно в период приработки дета лей в начале эксплуатации машины. Однако влияние микрогеометрии на харак теристики названных свойств и процессы следует рассматривать не изолирова но, а в связи с физическим состоянием поверхностного слоя, т.е. степенью и глубиной упрочнения, структурно-фазовым и напряженно-деформированным состоянием.

2.2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В процессе механической обработки деталей в поверхностных слоях про исходит изменение структуры металла и его механических свойств. Названные изменения являются следствием процессов, развивающихся в поверхностном слое под влиянием внешнего энергетического воздействия в виде контактного давления и относительного перемещения (скольжения) режущего инструмента.

При этом основная часть механической энергии преобразуется в тепловую, соз давая градиент температур по глубине слоя. В результате этих процессов в ма териалах деталей при резании как при термической обработке развиваются ос таточные напряжения.

В каждом реальном твердом теле действуют внутренние напряжения раз личного происхождения, они существуют вне зависимости от того, нагружено данное тело или нет. Напряжения могут быть временными или постоянными остаточными. Величина внутренних напряжений часто бывает того же порядка, что и полезных напряжений, которые возникают в твердом теле в условиях эксплуатации при нагружении деталей машин. Технологические процессы об работки деталей и инструментов должны обеспечивать получение остаточных напряжений в поверхностных слоях, способствующих повышению надежности и срока службы в определенных условиях эксплуатации, в том числе в условиях трения.

Внутренние напряжения классифицируются по признакам протяженности силового поля и по своей физической сущности. Общепринятой является клас сификация по первому признаку. Согласно этой классификации различают три вида внутренних напряжений [21].

Напряжения первого рода - макроскопические зональные напряжения, ох ватывающие целые области или все изделие. Эти напряжения имеют ориента цию, связанную с формой изделия. Напряжения первого рода возникают при механической, термической и химико-термической обработке, при прокатке и протяжке изделий, при нанесении электролитических покрытий, при механиче ском упрочнении поверхностей, сварке, холодной правке и других технологи ческих процессах.

Всякая механическая обработка поверхности сопряжена с возникновением напряженного состояния поверхностных слоев, которое уравновешивается на пряжением обратного знака в более глубоко расположенных зонах, т.е. созда ются напряжения первого рода. Причины их возникновения: 1) пластические деформации в зоне обработки;

2) нагрев металла, возникающий в зоне резания;

3) фазовые превращения в поверхностных слоях металла, приводящие к обра зованию различных структур, обладающих неодинаковым удельным объемом и создающих в этих слоях остаточные напряжения различных знаков и величины.

Величина и знак остаточных напряжений после механической обработки зависят от обрабатываемого материала, его структуры, геометрии и состояния режущего инструмента, от эффективности охлаждения, вида и режима обра ботки. Величина остаточных напряжений может быть значительной (до МПа и выше) и оказывает существенное влияние на эксплуатационные харак теристики деталей машин, их износостойкость и прочность. Выбором метода и режима механической обработки можно получить поверхностный слой с задан ной величиной и знаком остаточных напряжений.

Так, при точении закаленной стали 35ХГСА резцом с отрицательным пе редним углом 45° при скорости резания 30 м/мин, глубине резания 0,2-0,3 мм было получено повышение предела выносливости образцов на 40-50% и обна ружены остаточные сжимающие напряжения первого рода, доходящие до МПа [22]. При шлифовании закаленной стали в поверхностном слое были об наружены остаточные сжимающие напряжения до 600 МПа [23]. В некоторых случаях напряжения первого рода создаются намеренно в целях упрочнения.

Например, для повышения усталостной прочности. Такой эффект получают на ложением на поверхностный слой больших сжимающих напряжений путем об катки поверхности закаленным роликом или обдувкой струей стальной дроби.

Такой прием позволяет создать остаточные напряжения сжатия до 900- МПа на глубине около 0,5 мм [22].

Напряжения второго рода – микроскопические, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения второго рода характерны для поликристаллических тел, так как они возникают в результате взаимодействия кристаллов между собой. От дельные зерна, из которых состоит металл, не только ориентированны по разному, но и отличаются по строению (различные модификации металла, зер на различных составных частей металла, например включения графита, ино родные включения). Напряжения второго рода являются следствием неодно родности физических свойств различных компонентов поликристалла, стеснен ных условий деформации отдельного зерна, а также анизотропии свойств внут ри отдельного зерна. По характеру действия эти напряжения беспорядочно ори ентированны в объеме металла, поскольку представляют собой результат взаи модействия множества анизотропных кристаллов.

Фазовые превращения в металлах и сплавах всегда сопровождаются воз никновением внутренних напряжений второго рода, что связано с увеличением или уменьшением плотности вещества при переходе в другое фазовое состоя ние. В перлите напряжения этого происхождения имеют уровень порядка МПа;

напряжения цементита в ферритной основе теоретически могут достигать 350 МПа.

Особенности строения граничных слоев между зернами обусловливают и особый характер напряженного состояния между ними, отличный от состояния внутри кристалла. По сравнению с размерами кристалла толщина граничного слоя может считаться на один порядок меньше, она охватывает сравнительно небольшое количество атомных слоев, поэтому напряжения на границах зерен можно считать как бы переходными между напряжениями второго и третьего рода. С одной стороны, большое количество дислокаций скапливается в гра ничных межзеренных слоях, поскольку здесь неизбежны многочисленные ис кажения решетки, - это порождает напряжения третьего рода. Но, с другой сто роны, граничный слой является зоной силового взаимодействия между отдель ными кристаллами. Следовательно, здесь имеется поле напряжений, охваты вающее все грани кристалла, что, несомненно, должно быть отнесено к напря жениям второго рода.

Напряжения третьего рода – субмикроскопические, относящиеся к иска жениям атомной решетки кристалла. Напряжения третьего рода являются след ствием искажения, нарушения геометрии решетки. Эти напряжения в ряде слу чаев вычисляются теоретически, они также определяются методами рентгено структурного анализа. В общем напряженном состоянии твердого тела напря жения третьего рода играют большую роль. С учетом экспериментальных дан ных о невысоком уровне напряжений второго рода [24] можно полагать, что энергия, поглощаемая при пластической деформации, заключена в основном в напряжениях третьего рода.

Значительная часть напряжений деформации решетки сосредоточена во круг дислокаций. Дислокация окружена полем упругих напряжений, которое взаимодействует с такими же полями соседних дислокаций. Характер силового воздействия на данную дислокацию от внешних нагрузок и от окружающих дислокаций одинаков. Дислокация характеризуется смещением атомов в ней самой;

кроме того, возникают упругие смещения в окружающей дислокацию правильной решетке. Соответственно этому распределяются и напряжения.

Другим источником напряжений третьего рода, охватывающих области мень шего, чем у дислокаций, порядка, являются внедренные атомы. В зависимости от характера взаимодействия внедренных атомов с атомами матрицы возможны как растяжения, так и сжатия решетки (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Искажение решетки при внедрении разнородных атомов:

а - растяжение;

б - сжатие Поля напряжений распространяются по всем направлениям примерно на одинаковые расстояния, в то время как вокруг дислокаций силовое поле имеет относительно значительную напряженность, по крайней мере, в одном направ лении. Влияние внедренных атомов углерода на решетку мартенсита показано в работах Г.В. Курдюмова, В.А. Ильиной, В.Н. Крицкой. Они установили, что в закаленной стали возникают заметные искажения решетки и значительные на пряжения третьего рода. Смещение атомов железа из узлов решетки составило 0,007 нм при содержании углерода 0,35% и 0,009 нм при 0,41% углерода.

Напряженно-деформированное состояние материала во многом зависит от характера релаксационных процессов, развивающихся в деформированном те ле. Релаксационные явления чрезвычайно важны для изучения всех особенно стей строения материалов и для научного объяснения многих присущих им свойств.

Для раскрытия физической картины напряженного состояния твердого те ла понятие о релаксации как о процессе движения системы в направлении тер модинамического равновесия вносит много существенного. Наличие напряже ний первого, второго и третьего рода и явления релаксации свидетельствуют о том, что напряженное состояние твердого тела не остается постоянным, а с те чением времени изменяется. В нем в большем или меньшем объеме, с большей или меньшей скоростью протекает процесс перераспределения напряжений.

Отдельные факты проявления релаксации известны давно, например примене ние длительного, многомесячного, вылеживания чугунных литых изделий в це лях снижения внутренних напряжений и исключения коробления изделий в ус ловиях эксплуатации. Известно также, что с течением времени степень наклепа пластически деформированного металла постепенно уменьшается, этот процесс протекает при невысоких температурах и очень медленно.

Релаксационные явления объясняются неустойчивостью внутреннего на пряженного состояния, обусловленного неоднородностью строения поликри сталлического тела. В нем неизбежно находятся участки как упругонапряжен ные, так и пластически деформированные. Объемы, находящиеся в различных состояниях, неодинаково реагируют на внешние силовые воздействия, в ре зультате чего и возникает процесс перераспределения напряжений и деформа ций. Процесс выравнивания поля внутренних напряжений при обычных темпе ратурных условиях протекает крайне медленно. Процесс снятия внутренних напряжений можно значительно ускорить путем применения искусственных приемов, создающих в материале пластическую разрядку. Одним из них явля ется наложение дополнительных напряжений. Однако, если металл или сплав обладает свойством упрочняться, а таких большинство, полностью освободить ся от остаточных напряжений не удается наложением даже очень больших на пряжений.

Более эффективным и общим приемом можно считать термическую обра ботку. Нагрев материалов повышает энергию атомов, благодаря чему искаже ния решетки устраняются, облегчается диффузия атомов и они могут прини мать положения, соответствующие термодинамическому равновесию. Терми ческая обработка широко применяется для снятия остаточных напряжений.

Наиболее эффективен отпуск при сравнительно низких температурах нагрева.

О влиянии остаточных напряжений на прочность материалов в научной литературе существуют самые противоречивые мнения. Одни авторы считают, что остаточные напряжения не могут оказывать значительное влияние на усло вия разрушения детали. Другие же, напротив, признают существенное влияние остаточных напряжений на надежность материала: их наличие увеличивает возможность его разрушения. Из всех суждений о значимости остаточных на пряжений наиболее доказательными следует считать те, которые основываются на фактах. Последние свидетельствуют о том, что разрушения от остаточных напряжений бывают довольно часто. Известны случаи внезапных разрушений деталей машин без всяких дополнительных внешних воздействий. Неустойчи вость напряженного состояния материала деталей, как бы заряженных энергией внутренних напряжений, приводит к тому, что иногда малейшее изменение это го состояния вызывает полное разрушение. Нередки случаи, когда причиной растрескивания поверхностей деталей являются локальное изменение темпера туры, царапина, легкое встряхивание. Например, из практики шарикоподшип никовых заводов известно, что шарики, подвергнутые пластической деформа ции, могут через некоторое время (несколько часов или суток) растрескиваться, при этом осколки разлетаются во все стороны.

Изучение напряженно-деформированного состояния, соотношений между упругой и пластической составляющей и закономерностей их развития в усло виях трения и изнашивания материалов представляет большой интерес и имеет существенное значение для развития трибофизики. Для экспериментального исследования деформации применяют различные методы: тензометрирование, металлографический анализ, рентгеноструктурный анализ, методы экзоэлек тронной эмиссии и электросопротивления [9]. Б.И. Костецкий исследовал на пряженно-деформированное состояние при трении скольжения методом фото упругости. В качестве объекта исследования трущихся тел были использованы фотоактивные кристаллы и полимеры. Установлено, что напряженно деформированное состояния при статическом контакте и трении значительно различаются.

Характерной особенностью состояния материала поверхностного слоя при трении является возникновение деформации в тонком поверхностном слое в условиях относительно высоких локальных давлений и температур. Тонкий по верхностный слой материала заметно отличается от материала внутри объема по структуре и свойствам. Специфическое поведение поверхностных слоев в условиях деформации обусловлено особым положением атомов материала в поверхностном слое, где некоторые связи остаются свободными. Это приводит к возникновению свободной поверхностной энергия и к некоторым особенно стям структурного состояния материала в тонком поверхностном слое. К суб структурным изменениям такого слоя относятся, например, микроскопические деформации, которые значительно влияют на процессы трения и изнашивания.

Специфическая роль поверхностного слоя проявляется на всех стадиях дефор мационного упрочнения. При этом могут изменяться общий характер кривой «напряжение – деформация», предел текучести, характер его изменения в про цессе деформации и другие параметры процесса деформирования [25].

Известно, что скорость пластической деформации определяется плотно стью подвижных дислокаций и скоростью их движения. Энергия активации на чала движения дислокаций в поверхностном слое при пластической деформа ции в 2,0 – 2,5 раза меньше, чем в объеме тела [26]. Следовательно, особая роль поверхностного слоя в процессе пластической деформации объясняется боль шей плотностью подвижных дислокаций и более высокой скоростью их движе ния. В результате уже в начальный период нагружения у поверхности создается упрочненный слой. На последующих этапах проявляется барьерный эффект – торможение движение дислокаций у поверхности. Поэтому все стадии дефор мации в объеме металла запаздывают по сравнению с развитием процессов в поверхностных слоях. Экспериментально установлено, что при деформирова нии металлов с ОЦК, ГЦК и ГПУ решеткой поверхностный слой упрочняется раньше, чем нижележащие слои [27]. Отсюда следует вывод о том, что при пла стической деформации концентрация дислокаций в поверхностных слоях выше, чем в объеме образца.

Процесс пластического течения в приповерхностных слоях можно разде лить на две стадии. На первой стадии облегчается образование и движение дис локаций в поверхностном слое, на второй стадии деформирование затруднено вследствие увеличения плотности дислокаций. Можно полагать, что повышен ная плотность дислокаций у поверхности создается не внутренними, а поверх ностными источниками дислокаций, что связано с особыми условиями поверх ностных слоев при трении.

В условиях трения напряженное состояние и пластическая деформация мо гут возникать в локальных микрообъемах материала при сравнительно невысо ких средних значениях нагрузки (контактного давления), так как фактические напряжения в них могут достигать значительных величин. Увеличение объемов (зон) пластической деформации происходит вследствие возрастания площади единичных контактов при повышении нормальной нагрузки и перераспределе ния напряжений под действием касательных напряжений. Благодаря совмест ному действию нормальных и касательных напряжений в поверхностном слое материала в условиях трения создается объемное напряжение, при котором да же высокопрочные материалы обнаруживают достаточную пластичность [28].

После снятия нагрузки внутренние напряжения в поверхностных слоях по ликристаллических материалов полностью не снимаются. Результаты рентгено структурных исследований показывают, что в металлах с ОЦК и ГЦК решеткой независимо от степени предварительной деформации после снятия нагрузки в поверхностном слое образца всегда сохраняются напряжения сжатия, уравно вешенные растягивающими напряжениями внутри образца. В поликристалли ческих металлах вследствие неравномерности гетероструктуры пластическая деформация при трении всегда неравномерна, что является одной из основных причин изменения физико-механических свойств поверхностного слоя. Часть механической энергии трения затрачивается на формирование остаточных на пряжений и увеличение плотности внутренней энергии. Остаточные напряже ния в условиях трения обуславливаются действием максимальных нормальных напряжений на поверхности и максимальных касательных напряжений на неко торой глубине под поверхностью. Доля пластической деформации в подпо верхностном слое с ростом удельных нагрузок и скоростей трения уменьшает ся, так как в этом случае значительная часть работы сил трения расходуется на упругие и пластические деформации и изнашивание в зонах фактического кон такта.

2.3. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ Механическая обработка материалов неизбежно вызывает упругую и пла стическую деформации поверхностного слоя. Структурные особенности твер дых тел хорошо описываются теорией дислокаций. Согласно этой теории структура любого кристаллического тела представляет собой сложную систему блоков, фрагментов зерен и выходов отдельных групп дислокаций. Дислокаци онная структура на поверхности кристаллического тела реализуется в виде тон кой системы впадин и выступов.

В результате упругопластической деформации при механической обработ ке в поверхностном слое интенсивно перемещаются дислокации, образуются новые структуры с разрушением и переориентацией зерен в направлении дей ствующих сил, развиваемых обрабатывающим инструментом. Изменение структуры и остаточные напряжения приводят к возникновению вблизи по верхности зон остаточных напряжений сжатия и растяжения с образованием микропор.

Исследованием образцов из цементованной стали 20Х2Н4А установлено, что в результате шлифования на цементованной поверхности образцов наблю даются значительные остаточные растягивающие напряжения (более 300 МПа на поверхности), уменьшающиеся на глубине и переходящие в сжимающие на пряжения на глубине 0,02 мм. В процессе последующего трения качения или качения с проскальзыванием остаточные растягивающие напряжения на по верхности переходят в сжимающие, величина которых увеличивается с увели чением пути трения [29].

Рис. 2.5. Изменение остаточных напряжений в поверхностном слое при чистом качении при продолжительности испытания: а – 3 мин, б – 10 мин, в – 90 мин На рис. 2.5 приведены зависимости остаточных напряжений в поверхност ном слое образцов после чистого качения при контактном давлении 1400 МПа.

При общей тенденции к повышению остаточных напряжений на отдельных этапах испытания наблюдается уменьшение сжимающих напряжений преиму щественно на глубине 0,1 мм.

Рассматривая напряженное состояние при трении, необходимо учитывать внутренние структурные остаточные напряжения. Структурные концентраторы напряжений часто могут более интенсивно влиять на износостойкость, чем соз даваемые внешние напряжения. В этой связи важнейшим требованием является однородность структуры поверхностного слоя.

Любой вид обработки (термическая, химико-термическая, механическая), как правило, приводит к повышению твердости поверхностного слоя, обуслов ленному изменением структуры материала. Степень повышения прочностных свойств зависит как от вида и режимов обработки, так и от вида и исходных свойств обрабатываемого материала. В табл. 2.1 приведены данные о влиянии свойств обрабатываемого материала на микротвердость и высоту микронеров ностей при абразивной притирке материалов [9]. Эти данные свидетельствуют о том, что более твердые материалы, и особенные стали, после абразивной об работки имеют меньшую высоту микронеровностей и более высокую микро твердость.

Таблица 2. Вид материала Высота микронеровно- Микротвердость, стей, мкм МПа Олово 4,5 Медь 6,6 Чугун 3,8 Арико-желсзо 5,2 Сталь У8 отожженная 4,3 Латунь ЛК80-3.5 3,4 Бронза АЖМц 9,2 3,2 Бронза АЖМц 10-3,5 2,8 Чугун 2,6 Сталь Р18 закаленная 1,5 Сталь У8 закаленная 1,3 Сталь ШХ15 закаленная 0,6 Главной целью механической обработки деталей машин является получе ние заданной геометрической формы, точности заданных размеров и шерохова тости поверхностей. Однако в процессе механической обработки развиваются большие удельные усилия, металлы и сплавы в зоне обработки пластически де формируются и упрочняются, значительно повышается температура деформи руемых слоев и изменяется их структура. Данные о степени упрочнения (на клепа) поверхностного слоя при основных технологических операциях обра ботки металлов приведены в табл. 2.2.

В условиях технологической обработки и фрикционного взаимодействия поверхностные слои детали подвергаются упругим и пластическим деформаци ям. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки уст раняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы воз вращаются в исходное равновесное положение, деформация и напряжения ис чезают.


При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то смещенная часть кристалла не возвратится на прежнее место, деформация сохранится. Эти сдви ги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Пластическая де формация вызывает уменьшение плотности металла и увеличение его удельно го объема. Пластически деформированный при резании слой не может свобод но увеличиваться в объеме, так как этому препятствует недеформированный металл, поэтому в наружном слое возникают напряжения сжатия, а в остальной части изделия - напряжения растяжения. Этот механизм реализуется, если де формируемый слой не находится в состоянии ползучести. В результате меха ническая прочность и микротвердость поверхностных слоев увеличиваются по сравнению с нижележащими слоями. На рис. 2.6 показаны зависимости микро твердости и пластической деформации поверхностного слоя детали из сплава ХН51ВМТЮКФР, обработанной точением.

Таблица 2. Вид Степень наклепа Глубина наклепа, обработки Нпов / Нсор 100% мкм Средняя Наибольшая Средняя Наибольшая Точение обычное и скорост- 120-150 200 30-50 ное Тонкое точение 140-180 220 20-60 Фрезерование торцевое 140-160 - 40-100 Сверление и зенкерование 160-170 - 180-200 Протягивание 150-200 - 20-75 Зубофрезерование 160-200 - 120-150 Шлифование круглое: 140-160 - 120-150 Незакаленная углеродная сталь Малоуглеродистая сталь 160-200 250 30-60 Закаленная сталь 125-130 - 20-40 Шлифование плоское 150 - 16-35 Притирка пастами ГОИ 112-117 - 3-7 Рис. 2.6. Изменение микротвердости (I) и пластической деформации поверхностных слоев детали из сплава ХН51ВМТКЮКФР Приведенные зависимости наглядно показывают, что вследствие механи ческой обработки в поверхностных слоях возникают макро- и микронапряже ния. Величина и знак (сжатие или растяжение) макронапряжений зависят от методов и режимов обработки, применяемых смазочно-охлаждающих жидко стей, качества инструмента, а также от вида предварительной обработки.

Точение обычно вызывает появление остаточных растягивающих напря жений в слоях толщиной 50-200 мкм. Шлифование, как правило, приводит к появлению растягивающих остаточных напряжений. При фрезеровании возни кают как растягивающие, так и сжимающие напряжения.

По характеру и охватываемым объемам остаточные температурные напря жения и напряжения, обусловленные пластической деформацией, относятся к напряжениям первого рода. Однако из-за неодинакового тепловыделения на смежных участках обрабатываемой поверхности и различной степени пласти ческой деформации возникают также остаточные напряжения второго рода.

Таким образом, при обработке металла в его наружном слое под влиянием пластической деформации при отсутствии ползучести развиваются остаточные напряжения сжатия. В то же время тепловой эффект от резания металла вызы вает появление остаточных растягивающих напряжений. Так как оба фактора действуют совместно и одновременно, то знак результирующего остаточного напряжения в поверхностном слое металла зависит от того, какой из факторов превалирует. Заметим, что величина остаточных напряжений может превосхо дить и предел текучести для одноосного напряженного состояния. Благоприят ными остаточными напряжениями на поверхности с точки зрения прочности и износостойкости являются сжимающие, а растягивающие напряжения способ ствуют росту поверхностных трещин, дефектов и поверхностному разрушению (изнашиванию) материала.

Кристаллическая структура пластически деформированного металла ха рактеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и опреде ленной ориентацией зерен – текстурой. Беспорядочно ориентированные кри сталлы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочно сти вдоль направления деформации. Не следует думать, что в результате де формации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется и из равновесного превращается в неравновесное (в виде лепешки, блина), со храняя ту же площадь поперечного сечения.

При этом возрастает величина внутренних напряжений, ограниченных ма лыми объемами. Все эти изменения приводят к тому, что с увеличением де формации уменьшается плотность металла. Таким образом, пластическая де формация при обработке металлов обусловливает изменение их микрострукту ры, выражающееся в деформации и ориентации зерен (текстурирование) и со провождающееся изменением механических свойств (наклеп). Наряду с этим наблюдаются и более глубокие фазовые превращения в поверхностных слоях металлов в результате высокого поверхностного нагрева и быстрого охлажде ния.

В процессе шлифования и скоростного точения в поверхностном слое раз виваются температуры до 800-850 °С. Такое повышение температуры доэвтек тоидных и заэвтектоидных углеродистых сталей с содержанием углерода 0,4 1,1% достаточно для структурно-фазового превращения перлита в аустенит. А последующее резкое охлаждение может приводить к превращению аустенита в мартенсит (вторичная закалка) в тончайших поверхностных слоях с переходом к структуре перлита по мере удаления от поверхности. Вследствие недостаточ ной скорости охлаждения при шлифовании закаленной и отпущенной стали об разуется приповерхностный слой аустенитно-мартенситной структуры из вто рично закаленного сплава. Под ним располагаются слои, имеющие структуры всех видов отпуска (мартенсит отпуска, сорбит, троостит), вплоть до структуры исходного термически обработанного сплава. Подобные превращения наблю даются и при точении. Каждой структурной составляющей (фазе) свойствен определенный удельный объем. Так, например, мартенсит является структурой, обладающей наибольшим удельным объемом, а аустенит – структурой с мини мальным удельным объемом. Поэтому при превращении мартенсита наблюда ется сжатие, что наряду с пластической деформацией является источником ос таточных внутренних напряжений.

Местные фазовые и структурные превращения в поверхностном слое шлифуемой детали известны под названием шлифовочных прижогов. Они об разуются вследствие интенсивного тепловыделения на небольшом участке по верхностного слоя. В области прижогов образуются остаточные напряжения по рассмотренному выше механизму. Прижоги можно рассматривать в качестве структурных концентраторов напряжений, понижающих сопротивление уста лости и износостойкость [30].

Необходимо отметить, что структурно-фазовые превращения при механи ческой обработке режущим инструментом возможны только для металлов и сплавов с метастабильной структурой, сформировавшейся в результате пред шествующей обработки.

На основании рассмотренных процессов и явлений можно сделать сле дующий вывод. При механической обработке металлов протекают два проти водействующих процесса: упрочнение в результате действия сил резания – на клеп, которое тем выше, чем больше давление резания, и разупорядочение – снятие наклепа за счет повышения температуры поверхностного слоя. Степень упрочнения и толщина наклепанного слоя при прочих равных условиях зависят от режимов резания.

2.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Рассматривая свойства обработанных поверхностей, нельзя не учитывать влияние окружающей среды, поскольку поверхность твердого тела неизбежно адсорбирует элементы окружающей среды. Как правило, поверхность бывает покрыта слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров. Поэтому физико химические свойства обработанных металлических поверхностей определяются главным образом структурой, энергетическим состоянием и характером взаи модействия поверхности с окружающей средой. Поверхностные микрочастицы твердого тела не имеют симметричного окружения другими частицами со всех сторон, как внутренние частицы. Поэтому равнодействующая всех взаимодей ствий с соседними частицами не равна нулю при неизменяющемся строении кристаллической структуры. Окружающие частицы твердого тела дают равно действующую сил притяжения, направленную перпендикулярно поверхности внутрь тела. Для того чтобы в несимметричном силовом поле атом, молекула или ион оставались в равновесии, необходима перестройка частиц кристалла вблизи поверхности, их расположение должно отличаться от взаимного распо ложения частиц во внутренних областях кристалла. Под влиянием рассмотрен ных силовых взаимодействий формируется особый поверхностный слой, тол щина которого может быть примерно равной радиусу взаимодействия частиц 10-100 нм.

Поверхностный слой обладает избытком потенциальной энергии, которая соответствует работе, необходимой для мысленного перемещения внутренних частиц кристалла на поверхность. Этот избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной или просто поверхностной энергией. Любое кристаллическое тело обладает внутренней и поверхностной энергией.

Работа, которую необходимо затратить, чтобы разделить кристалл на от дельные достаточно далеко расположенные и не взаимодействующие частицы, определяет внутреннюю энергию кристалла. Эта энергия пропорциональна ве личине, характеру сил связи и числу связей, т.е. объему кристалла. Поверхно стная энергия всего кристалла пропорциональна его поверхности. Поэтому диспергирование кристалла, ведущее к увеличению его поверхности и образо ванию свободных связей без изменения объема, должно сопровождаться уве личением поверхностной энергии. При соединении двух тел поверхностная энергия уменьшается пропорционально суммарной площади соединившихся поверхностей и может выделиться в виде теплоты или затратиться на под стройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому.


Поверхностная энергия характеризует твердость и прочность твердых тел, оказывает существенное влияние на их механические и триботехнические ха рактеристики. Было предложено много способов определения поверхностной энергии твердых тел, однако точное экспериментальное измерение ее невоз можно. Попытка термодинамического вычисления поверхностной энергии сплавов по энергии смешения дала лишь качественные результаты.

Микроскопическое рассмотрение поверхности, ее энергетического состоя ния следует дополнить некоторыми данными дислокационной теории о дефек тах кристаллов, поскольку они оказывают существенное влияние на поверхно стную энергию и свойства поверхностного слоя. Взаимодействие между дисло кациями и поверхностью влияет на пластические свойства металла. Дислока ции могут удаляться из кристалла через поверхность и этим сокращать длину кристалла, могут двигаться параллельно поверхности, создавая на своем пути новую поверхность в виде ступеньки или разрезая поверхностный слой без об разования новой поверхности.

Снижение поверхностной энергии облегчает выход дислокации. Поверх ностные пленки могут заметно усиливать сопротивление выходу дислокаций, и тем сильнее, чем больше отличаются параметры решетки, характер кристалли ческой структуры и степень поликристалличности пленки. Удаление пленок заметно влияет на напряжение, необходимое для работы источников дислока ций, а следовательно, и на предел текучести.

Поверхностно-активные вещества, например органические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы, обладают наибольшей способностью к адсорбции. Молекулы этих веществ при адсорбции ориентируются перпенди кулярно поверхности вследствие несовпадения центров тяжести положитель ных и отрицательных зарядов в их молекулах даже в изолированном состоянии.

Такие молекулы называют полярными, они притягиваются и удерживаются по верхностью тела.

Известно, что металл с кристаллической структурой представляет собой систему положительных ионов (ядра, окруженные электронами внутренних ор биталей), погруженную в отрицательный электронный газ обобществленных внешних электронов. Электроны, обладающие достаточным запасом кинетиче ской энергии, вырываются из металла и образуют над его поверхностью отри цательно заряженное облако. Электроны, находящиеся внутри металла и вбли зи его поверхности, отталкиваются от этого облака, смещаясь внутрь металла.

В результате уменьшается поверхностная плотность электронов и индуцирует ся положительный заряд, равный по абсолютной величине отрицательному за ряду электронного облака. Сила взаимодействия между зарядами – сила элек трического изображения – имеет значительную дальность действия – до 10 мкм от поверхности. Следовательно, энергетический потенциал поверхности харак теризуется потенциалом внешнего пространства на расстоянии примерно 10 мкм от поверхности. Облако электронов совместно с наружным слоем поло жительных ионов образует двойной электрической слой. Таким образом, нали чие электрического потенциала поверхности твердого тела и полярных молекул поверхностно-активных веществ предопределяет уровень их энергетического взаимодействия при адсорбции и строение адсорбированной пленки.

Насыщенный адсорбционный монослой образуется из плотно расположен ных полярных молекул, ориентированных параллельно друг другу и перпенди кулярно поверхности тела. Адсорбированные молекулы взаимодействуют не только с поверхностью, но и между собой. Взаимодействие между молекулами в тангенциальном направлении к поверхности называют продольной когезией.

Конец молекулы, присоединяющийся к металлу, подобен маленькому магниту, его называют полярным или активным. Остальная часть молекулы составляет так называемый хвост. У всех органических кислот и их мыл активной является карбоксильная группа СООН, у спиртов – гидроксил ОН, у других веществ группа NН СОС1 и др. [30].

Минеральные и растительные масла, соединения, входящие в состав жи вотных жиров, и другие жидкости с цепными макромолекулами, в том числе углеводородов полнонасыщенных рядов СnН2n, имеющие неполярные молеку лы, образуют на границе с металлической поверхностью пленки с особыми структурами, состоящими из монослоя и отдельных слоев с ориентацией моле кул в них перпендикулярно поверхности металла (рис. 2.7). Адсорбция проис ходит под влиянием поляризации неактивных углеводородистых молекул элек трическим полем металлической поверхности.

Рис. 2.7. Схема адсорбированной пленки из неполярных молекул, ориентированных под влиянием электрического поля металлической поверхности Жидкости с молекулами большой длины – макромолекулами, содержащие в растворе поверхностно-активные вещества, образуют над монослоем поляр ных молекул граничный слой, в котором молекулы расположены не беспоря дочно, как в объеме жидкости, а правильно ориентированы. Можно считать, что граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, имея квазикри сталлическую структуру особой фазы жидкости – граничной. Основанием для подобного утверждения служит наличие особого состава, структуры, свойств и выраженной границы раздела адсорбированной пленки, т.е. наличие всех при знаков фазы термодинамической системы.

Совокупность всех воздействий среды и самой поверхности на физико химические и механические свойства поверхностного слоя проявляется в ад сорбционном понижении прочности – эффект П.А. Ребиндера.

Поверхностно-активная среда существенно влияет на процессы деформа ции и разрушения твердых тел, в том числе и при трении. Адсорбция поверхно стно-активных веществ значительно снижает сопротивление тел деформирова нию и разрушению, проявляется в результате адсорбции поверхностно активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижение предела текучести, а также коэффициента деформационного упрочнения. Предел текучести олова, например, снижается вдвое, уменьшается также коэффициент деформационно го упрочнения при испытании в масле, содержащем олеиновую кислоту (по верхностно-активное вещество). Благодаря адсорбированному слою поверхно стно-активных веществ снижается уровень поверхностной энергии, что приво дит к облегчению выхода дислокации на поверхность кристаллических тел.

Эффект П.А. Ребиндера и его закономерности распространяются на поли мерные материалы. Наиболее сильно он проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле дефектов, в частности границ зерен. Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь по крыть всю поверхность тела, проникают в ультрамикроскопические трещины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходящими скорость всасывания жидкости в зазор. Когда активные молекулы достигают мест, где ширина микротрещины – зазора равна размеру одной – двух молекул, адсорб ционный слой своим давлением F стремится расклинить трещину силами Q для дальнейшего продвижения активных молекул (рис. 2.7) [30].

Рис. 2.7. Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала Давление на стенки трещины у ее вершины может достигать 10 ГПа. Оста точные растягивающие напряжения раскрывают ультрамикротрещины и спо собствуют проявлению эффекта П.А. Ребиндера. При сжимающих напряжениях трещины замыкаются, может даже произойти "самозалечивание" их, и эффект может не проявиться.

Большинство смазочных материалов содержат поверхностно-активные вещества, что предопределяет возможность пластификации поверхностных слоев материала деталей и снижения за счет этого сил трения, несмотря на то что окисные пленки препятствуют проникновению смазки к металлу, чем сни жается влияние эффекта П.А. Ребиндера.

Физическое состояние поверхности трения твердого тела характеризуется наличием определенного состава поверхностных пленок и особенностями структуры поверхностных слоев. В реальных условиях на воздухе все микро выступы и микротрещины почти мгновенно, от сотых до тысячных долей се кунды, покрываются оксидными пленками и слоями адсорбированных молекул газов, воды и жирных веществ. Обычно над ювенильной поверхностью нахо дятся слои оксидов, прочно связанные с металлом. Эти пленки влияют как на деформационное упрочнение, так и на хрупкое разрушение, причем по-разному при различных температурах и степенях деформации, что часто не учитывается современными теориями. Совершенно очевидно влияние этих пленок на про цессы трения, включающие интенсивную деформацию и неизбежное разруше ние трущихся поверхностей. Оксидная пленка на цинке может изменить на пряжение сдвига на 100%, на алюминии напряжение сдвига возрастает в 2, раза при увеличении толщины окисной пленки с 10 до 50 нм.

Несмотря на малую толщину, окисная пленка всего в несколько элемен тарных 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 со провождается окислением ювенильных поверхностей.

Продуктами окисления могут быть твердые растворы кислорода в металле и их химические соединения. Железо при комнатной температуре растворяет около 0,05% кислорода, а при 1000°С – 0,12%. Известно, что железо с кислоро дом образуют три вида окислов. Они представляют собой различные фазы в системе О2-Fе с различным типом кристаллической решетки: вюстит FеО, маг нетит Fe3O4 и гематит Fе2О3. Вюстит растворим в железе и устойчив при темпе ратуре выше 570°С;

ниже этой температуры он распадается на магнетит и чис тое железо: 4FeO Fe3O4 Fe. Магнетит и гематит устойчивы во всем диа пазоне температур – от комнатной – до температуры плавления. Пленка на же лезе состоит из слоев, расположенных от поверхности внутрь в последователь ности, соответствующей убыванию кислорода в окисле (рис. 2.8) [30].

В меди и медных сплавах в результате окисления внутренних слоев по верхности образуются окись меди и медные окислы, в зависимости от содер жания меди в сплаве [22].

Рис. 2.8. Схема окисной пленки по фазовому составу Оксидный слой, непосредственно прилегающий к металлу, является рых лым, структурно подстраивающимся под кристаллическую решетку металла.

Но по мере роста этого слоя упорядочивается его кристаллическое строение и уменьшается скорость его образования, поскольку сам оксидный слой является тормозом для выхода металлических катионов и молекул кислорода навстречу друг другу [31].

Над слоями оксидов в зависимости от конкретных условий эксплуатации могут присутствовать адсорбционные слои газов, воды или смазочного мате риала, например слои полярных и неполярных молекул органических веществ.

Толщина и последовательность расположения различных слоев зависят от со става окружающей среды, но первым слоем всегда будет оксидная пленка (рис.

2.9, 2.10).

Оксидный слой сохраняет на границе с металлом отрицательный потенци ал, в граничном деформированном слое металла сохраняется положительный потенциал. Наружный слой оксидного покрытия становится электроположи тельным и адсорбирует электроотрицательный слой кислорода, который уже не находит химических связей ввиду свободных катионов металлов. Следователь но, окисленный металл имеет два двойных электрических слоя.

Рис. 2.9. Схема поверхности металла Рис. 2.10. Схема поверхности металла на воздухе: 1 – равновесная структура;

со смазкой: 1 – равновесная структура;

2 – деформированный слой металла с 2 – деформированный слой металла с оксидом в микротрсщинах;

3 – слой оксидом в микротрещинах;

3 – слой оксидов;

4 – адсорбционный слой ио- оксидов: 4 – слой адсорбированный нов и молекул газа;

5 – слой водяных смазки;

5 – смазочный слой молекул;

6 – слой жирных молекул Кроме оксидных пленок, металлические поверхности деталей пар трения всегда покрыты жировыми, газовыми и водяными молекулами, в зависимости от того, какая среда их окружает. Толщина адсорбированных пленок также за висит от окружающей среды. Толщина пленки воды может составлять 50- молекулярных слоев, жировые слои могут достигать толщины 1-5 мкм и удер живаются на поверхности благодаря электрической связи. Толщина пленки ад сорбированных газов и паров составляет 0,1-2,5 нм. Расположенный под ними слой, возникающий под влиянием атмосферного кислорода, имеет на железе толщину до 5 нм, на стали примерно до 2 нм, на алюминии до 15 нм. Оксидная пленка находится в напряженном состоянии, испытывая напряжения растяже ния или сжатия в зависимости от соотношения объемов основного металла и образовавшегося на его базе окисла.

С увеличением толщины пленки возрастают силы упругости в самой плен ке и на границе между пленкой и основным металлом. При некоторой толщине пленки происходит потеря ее устойчивости, возникают мгновенные смещения, и пленка приобретает рыхлое, пористое строение.

Любое пластическое деформирование твердых тел при обработке или фрикционном взаимодействии сопровождается выделением тепловой энергии.

Это существенно ускоряет окислительные процессы образования оксидных слоев на обрабатываемой поверхности. Оксидные слои отличаются по своей плотности от материала основы, что приводит к появлению дополнительных напряжений и даже микротрещин в поверхностном слое. Температурные вспышки в зоне обработки или трения могут приводить к ионизации водород содержащих материалов (смазочных материалов, воды), попадающих в зону трения. Ионы водорода свободно проникают в металл и концентрируются вблизи дефектов структуры (точечных дефектов, дислокаций, межкристалличе ских границ). Экспериментально установлено, что концентрация водорода в поверхностных слоях после их механической обработки увеличивается в 2- раза [30].

При скоплении ионов водорода вблизи дефектов структуры становятся возможными и процессы их ионизации со значительным увеличением объема газа и, следовательно, резким увеличением давления в наиболее слабых эле ментах кристаллической решетки и созданием условий для развития поверхно стных трещин.

ГЛАВА 3. ТРИБОФИЗИКА ПРОЦЕССА ТРЕНИЯ 3.1. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, АДГЕЗИЯ И ДЕФОРМАЦИЯ Трение твердых тел имеет молекулярно-механическую природу. Неском пенсированные молекулярные силы на границе раздела фаз твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ образуют силы притяжения между со прикасающимися телами. Образование молекулярной (ван-дер-ваальсовой) связи между сопряженными поверхностями однородных твердых тел получило название адгезии. Уровень адгезии оценивают по силе отрыва одного тела от другого или по удельной адгезии – отношению силы отрыва к площади отрыва (адгезионного шва) [31-33].

Термодинамической характеристикой адгезии является убыль свободной энергии на 1 см2 поверхности взаимодействия в изотермическом обратимом процессе. Работа адгезии, т.е. работа обратимого адгезионного отрыва Wa 10 20 12, где 12 – поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2, между которыми реа лизуется адгезионное взаимодействие;

10, и 20 – поверхностное натяжение ка ждой из фаз 1 и 2 с окружающей средой.

На участках фактического контакта поверхностей действуют силы межмо лекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках. При от сутствии либо наличии промежуточной вязкой прослойки (влага, загрязнение и т.п.) между контактирующими поверхностями молекулярные силы вызывают адгезию на площадках фактического контакта, и поверхности как бы "прили пают" друг к другу. Строго говоря, адгезия имеет сложную природу. Поэтому наряду с молекулярной теорией существует несколько других теорий адгезии.

Электрическая теория связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя и разности электрических потенциалов контактирующих поверхностей. В диффузионной теории механизм адгезии предусматривает вза имное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодейст вующих фаз твердых тел. В химической теории в качестве определяющего рас сматривается химическое взаимодействие активных частей молекул, радикалов и т.п.

Наиболее сложным является механизм адгезионного взаимодействия по лимерных тел с металлическими. Так, Д. Бакли [34] при исследовании контакт ного взаимодействия атомарно-чистых поверхностей вольфрама и фторопласта 4 с помощыо автоионного микроскопа установил наличие интенсивного адге зионного взаимодействия, при котором молекулы фторопласта-4 на поверхно сти твердого тела представляют собой кластеры из трех атомов. Считается, что при адгезии фторопласта-4 в контакт с поверхностью металла входят атомы, расположенные на торце молекулы, т.е. происходит образование связи между поверхностью вольфрама и группой СF2, поэтому перенос идет кластерами из трех атомов. Вспомним, что макромолекулы фторопласта-4 представляют со бой винтообразные цепи, состоящие из 26 групп СF2, которые могут кристалли зоваться с образованием гексагональной решетки.

Оже-электронная спектроскопия показала, что с поверхностью металла связан атом углерода группы СF2 и мы имеем дело с химическим взаимодейст вием, т.е. с образованием химических связей. Разрушение такого адгезионного соединения носит когезионный характер и происходит по объему менее проч ного материала. В результате на более прочной металлической поверхности по степенно формируется тонкая полимерная пленка, которую называют пленкой фрикционного переноса. Фрикционный перенос при трении без смазочного ма териала практически имеет место в любых условиях и режимах трения. Это приводит к образованию перенесенных пленок сложной структуры и состава.

Вначале рассмотрим это явление в металлических парах трения. Для пар трения металл-металл разными исследователями предлагались различные механизмы переноса. В работах Боудена и Тейбора [35], например, предлагается модель изнашивания, в которой перенос материала с одной поверхности на другую рассматривается как результат среза мостиков сварки на реальном пятне фрик ционного контакта. По мнению этих исследователей, перенос металла наблю дается в том случае, когда прочность адгезионной связи на поверхностях кон такта твердых тел оказывается выше когезионной прочности одного из контак тирующих материалов.

Модель Боудена и Тейбора подвергалась серьезной критике. Расчеты по ней давали явно завышенные характеристики фрикционных свойств. Это об стоятельство получило объяснение в результате более поздних исследований, когда было установлено, что поверхность металла покрыта прочными адсорби рованными и хемосорбированными пленками, разрушение которых мало веро ятно на пятнах касания, несущих нагрузку. Поэтому данная модель в ее перво начальной трактовке могла быть использована только для оценки фрикционно го взаимодействия металлов в инертной среде или в вакууме, а также при тре нии таких резко отличающихся по свойствам материалов, как металлы и поли меры.

Применение высокоэффективных физических методов исследования структуры и состава поверхностных слоев твердых тел, в том числе непосред ственно в процессе фрикционного взаимодействия, позволило в 80-х годах XX века получить важные научные результаты, которые можно использовать при описании изнашивания динамического комплекса повторяющихся процессов разрушения исходных структур, формирования новых вторичных структур и их последующего разрушения.

Ряд интересных особенностей фрикционного взаимодействия определяется характером поведения тонких поверхностных слоев полимерных материалов.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.