Прогнозирование абразивной износостойкости материалов на основе коэффициента деформационного упрочнения

1.1 Природа внешнего трения и механизм разрушения материалов при фрикционном взаимодействии

К настоящему времени наука о трении накопила громадный опыт, исследователями предложены различные гипотезы и теории, объясняющие природу и механизм изнашивания материалов трущихся поверхностей.

В ранних работах по исследованию процессов трения и изнашивания преобладали чисто механические представления [1]. Природа внешнего трения объяснялась как результат механического взаимодействия неровностей, имеющихся на поверхности трения.

Позже появились представления о молекулярной природе трения, согласно которой трение обусловлено силами молекулярного взаимодействия поверхностей [2-3].

В настоящее время всеобщее признание получила молекулярно-механическая теория трения и износа, сформулированная И.В. Крагельским, которая объясняет природу трения как взаимным механическим внедрением, так и силами молекулярного взаимодействия [4,5].

Ф. Боуден и Д. Тейбор рассматривают процесс фрикционного взаимодействия как развитие пластической деформации на дискретных пятнах контакта, образования «мостиков сварки» и разрушения этих «мостиков» в процессе перемещения сопрягаемых поверхностей [6].

Г.Н.Епифанов характеризует трение, как сопротивление сдвигу тонких поверхностных слоев [7].

Различными исследователями даются разные объяснения механизма изнашивания материалов при фрикционном взаимодействии.

Хрущев М.М. с сотрудниками [8] различные виды изнашивания объединяет в следующие группы:

I. Механическое взаимодействие, сопровождающееся резанием частиц, пластическим деформированием и т.д.

1. Абразивное изнашивание;

2. Изнашивание вследствие пластического деформирования, проявляющееся в изменении размеров детали без какой либо потери веса ;

3. Изнашивание при хрупком разрушении, заключающееся в наклепывании поверхностного слоя, охрупчивании и разрушении;

4. Усталостное разрушение.

II. Молекулярно- механическое изнашивание:

1. Адгезионное изнашивание, характеризующееся схватыванием металлов на некотором участке мгновенной поверхности контакта и разрушение связи.

2. Тепловое изнашивание, связанное с нагревом поверхностных участков трущихся деталей до высоких температур с образованием схватывания.

III. Коррозионно-механическое изнашивание:

1. Окислительное изнашивание, характеризующееся взаимодействием кислорода воздуха с металлом и образованием окисных пленок.

2. Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды.

3. Фреттинг - коррозия, возникающая при очень малых повторных относительных перемещениях.

Крагeльский И.В. различает 5 видов нарушения фрикционных связей в зависимости от величины сил адгезии и глубины внедрения выступов контактирующих тел [5]:

1. упругое оттеснение материала;

2. пластическое оттеснение материала;

3. срез внедрившегося материала;

4. схватывание пленок, образующихся на поверхности трущихся тел и их разрушение;

5. схватывание поверхностей трения, сопровождающееся глубинным вырыванием материала.

Первые три вида имеют место при механическом взаимодействии поверхностей и зависят от относительной глубины внедрения материала и величины сил адгезии. Последние два характеризуют молекулярное взаимодействие и зависят от соотношения прочности пленки и основного материала, а также от напряженного состояния.

В работе [5] выдвигается усталостная концепция износа. На основании металлографического, рентгеноструктурного, химического и термического исследований сущности явлений в тонких поверхностных слоях пары трения, Костецкий Б.И. предлагает следующую классификацию видов изнашивания деталей машин [9]:

1. Изнашивание схватыванием 1 рода;

2. Окислительное изнашивание;

3. Тепловое изнашивание (схватывание II рода);

4. Абразивное изнашивание;

5. Осповидное (усталостное изнашивание ).

Ребиндер П.А. и его ученики рассматривают процесс износа как результат многократной пластической деформации, приводящей к упрочнению и усталостному разрушению. Адсорбционно-химическое воздействие окружающей среды, по их мнению, интенсифицирует этот процесс, облегчая пластическое деформирование и последующее хрупкое разрушение материала поверхности [10,11].

М.М.Тененбаум [12] различает четыре основных вида разрушения поверхностного слоя при внешнем трении:

1. Разрушение материала путем среза;

2. Разрушение материала путем отрыва;

3. Усталостное разрушение материала;

4. Полидеформационный процесс разрушения материалов в результате многократного деформирования материалов, вызывающего остаточные искажения решетки. При этом достигается такое предельное состояние, когда дальнейшее деформирование и поглощение энергии невозможно. Материал теряет пластичность, становится хрупким и разрушается.

Энергетический подход к процессам трения и изнашивания развивается в работах Кузнецова В.Д. (13), Костецкого Б.И. ( 14-15), Федорова В.В. ( 16), Махкамова К.Х. ( 17), Хачатурьяна С.В. ( 18),Флайшера Т. (19),Погодаева Л.И. ( 20), Протасова Б.В. (21), Попова В.С. (22).

1.2 Абразивное разрушение поверхностных слоев материала при трении

Несмотря на многочисленные исследования абразивного изнашивания на сегодняшний день нет единого мнения о механизме абразивного изнашивания. Механизм абразивного изнашивания, по мнению Кузнецова В.Д. [13] довольно простой и сводится к сумме большого числа элементарных процессов царапания.

Хрущов М.М.. [8] процесс абразивного изнашивания тоже представляет как царапание металла зернами абразива, большинство из которых оставляет пластически выдавленный след, а меньшая часть с благоприятно расположенными гранями снимает стружку.

Крагельский И.В. [5] считает, что основным процессом, вызывающим абразивный износ, является повторное деформирование (“передеформирование”) поверхностного слоя, в результате чего резко увеличивается число дефектов, возникают усталостные трещины и происходит хрупкое отделение частиц металла.

Аналогичного мнения придерживается Львов П.Н. [23]. Он определил, что даже при однократном прохождении абразивного зерна материал по краям выдавленной царапины является настолько предразрушенным, что легко отделяется другими абразивными зернами. Основной процесс, по его мнению, состоит в производстве выдавленных царапин.

В работе Икрамова У.А. [24], рассмотрены механизмы изнашивания свободными абразивными частицами, попавшими в сопряжение деталей. Исследователями установлено, что не все абразивные частицы взаимодействуют с поверхностью трения, вызывая упругопластические деформации и износ.

В работе [20] показано, что в условиях эксплуатации и в лабораторных исследованиях износ при гидроабразивном изнашивании происходит в основном в результате циклического усталостного передеформирования материала. Моменту отделения продуктов износа соответствует наибольшая степень накопления пластической деформации и максимальное упрочнение поверхностного слоя.

Зайцев А.К. [25] считает, что абразивное изнашивание представляет из себя процесс резания, но с мельчайшей или витой стружкой- для вязких материалов и стружкой скалывания -- для хрупких.

По мнению Костецкого B.И., абразивное изнашивание есть специфический процесс резания, связанный с малыми сечениями срезаемой стружки [32].

В.Н. Ткачев [26] выделяет три основных вида разрушения поверхностей при взаимодействии с абразивом: микрорезание, многократное передеформирование, коррозионно-механическое истирание. По его мнению, отделение частиц износа является вторичным процессом, которому предшествует предельное искажение кристаллической решетки и структуры металла в связи с многократной пластической деформацией.

Анализируя опубликованные работы можно сделать вывод, что основными факторами, влияющими на процесс абразивного изнашивания, являются:

природа и форма структурных составляющих сплава;

природа и твердость абразивного материала;

размеры и форма абразивных частиц;

степень закрепленности абразивных частиц;

скорость движения частиц;

давление на абразивную частицу.

1.3 Критерии оценки прочности поверхностных слоев материала при абразивном изнашивании

В настоящее время в изучении трения и износа и в частности абразивного изнашивания наметилось три направления: механо-математическое, металлофизическое и энергетическое. Ни один из этих подходов не является универсальным. Каждый из них дополняет друг друга, расширяет и углубляет представления об абразивном изнашивании и дает возможность выработать наиболее эффективные методы повышения долговечности деталей машин.

В соответствии с развиваемыми подходами предлагаются механические, структурные и энергетические критерии для оценки абразивной износостойкости.

1.3.1 Механические критерии оценки абразивного изнашивания материалов

Механо-математический подход к изучению абразивного изнашивания устанавливает закономерности между механическими свойствами металлов и сплавов и их износостойкостью. Чаще всего в качестве критерия износостойкости материалов при абразивном изнашивании используется твердость.

В фундаментальной (по абразивному изнашиванию) работе Хрущева М.М. и Бабичева М.А. [8] показано, что для технически чистых металлов и стали (за исключением кремния и германия) в отожженном состоянии относительная износостойкость прямо пропорциональна их твердости

е = bH, (1.1)

где е - относительная износостойкость, отнесенная к условному эталону в виде свинцово-оловянного сплава БМ;

b - коэффициент пропорциональности;

Н - твердость по Бринеллю.

Однако для сплавов с одинаковой твердостью, полученной разными способами (термообработка, химико-термическая обработка, легирование, наклеп и т.д.) влияние твердости не равноценно.

Для термически обработанных сталей после закалки и отпуска на разные температуры относительная износостойкость е выражается зависимостью

е = е + b'( H + H ) (1.2)

где е, H - относительная износостойкость и твердость стали в отожженном состоянии;

b' - угловой коэффициент, зависящий от марки стали;

Н - твердость стали перед испытанием.

Повышение твердости металлов и сплавов механическим наклепом не ведет к повышению их относительной износостойкости [8], а в некоторых случаях приводит даже к снижению абразивной износостойкости.

В работе [22] указывается, что износостойкость сплавов со стабильной структурой, не упрочняющиеся в процессе взаимодействия с абразивом зависит от твердости, а для сплавов с нестабильной аустенитной основой прямая пропорциональная связь между износостойкостью и твердостью отсутствует.

Савицкий К.В. [27-28] исследовал изнашивание металлов об абразивную шкурку и нашел, что весовой износ пропорционален силе трения, что связь между весовым износом и твердостью отсутствует, однако удельная работа изнашивания соответствует твердости по Бринеллю.

Тененбаум М.М. [21] показал, что при уменьшении различий твердости абразива и стали линейная зависимость износостойкости от твердости нарушается при отношении твердости абразива и металла равным 1,6 -- 2,0.

Для большого числа материалов, различающихся по природе, структуре и твердости лучшее соответствие было обнаружено, между относительной износостойкостью и модулем нормальной упругости, выражаемой уравнением

е = 4,9 E^1,3, (1.3)

где Е -- модуль нормальной упругости, Па.

Аналогичного взгляда придерживается В.Н.Кащеев [29]. Он считает, что износостойкость отожженных технически чистых металлов линейно связана с модулем упругости. Строгой однозначной зависимости между износостойкостью и твердостью не существует. По его мнению износостойкость более тесно связана с модулем упругости, чем с твердостью. Вместе с тем, термически обработанные стали не следуют этой зависимости, так как в результате закалки их износостойкость существенно повышается, в то время как модуль упругости почти не изменяется.

Сопоставление величины относительной износостойкости с параметром иА, характеризующим силы связи в решетке, показало, что для технически чистых металлов имеется зависимость

=0,25 10^-10(и²A)^1,7, (1.4)

где и - характеристическая температура по Дебаю в ⁰К;

А - атомный вес.

В.Д. Кузнецовым [13] было предложено оценивать абразивную износостойкость материалов методом царапания, поскольку, по его мнению, процесс абразивного изнашивания можно рассматривать как сумму большого числа элементарных актов царапания и между ними должна существовать глубокая связь.

В МИНХ и ГП им. Губкина под руководством проф. Сорокина Г.М. проводятся систематические исследования влияния стандартных механических характеристик (твердости Н V, предела прочности у_В, предела текучести у_Т: относительного удлинения д, относительного сужения Ш_К, ударной вязкости a_к, напряжения среза ф_ср) на износостойкость при ударе и скольжению по абразиву [30, 31].

Установлено, что различные механические свойства по-разному влияют на износостойкость и не всегда однозначно в хрупкой и вязкой областях разрушения.

Увеличение твердости является основным и эффективным средством повышения износостойкости при скольжении по абразиву, При этом сохраняется непрерывная зависимость износостойкости от твердости в вязкой и хрупкой областях разрушения. При ударно-абразивном изнашивание прямой связи износостойкости с твердостью не наблюдается. Существенное влияние на износостойкость оказывает энергия удара.

Износостойкость стали пропорциональна пределу прочности. При скольжении по абразиву максимальная износостойкость зафиксирована на границе хрупко-вязкого разрушения, а в области хрупкого разрушения с увеличением у_В, износостойкость падает. При ударно-абразивном изнашивании повышение предела прочности в хрупкой области положительно влияет на износостойкость. В вязкой области зависимости износостойкости от у_В имеет сложный характер.

При скольжении по абразиву с повышением предела текучести в хрупкой и вязкой областях разрушения износостойкость увеличивается, причем в переходной зоне наблюдается скачок в увеличении износостойкости. При ударе по абразиву в хрупкой области повышение предела текучести снижает износостойкость, а в вязкой области износостойкость неоднозначна и зависит от энергии удара.

При скольжении по абразиву увеличение пластичности стали ( д, a_к, Ш_к) снижает ее износостойкость, при ударе в хрупкой области износостойкость увеличивается, а в вязкой -- снижается.

Выявленная высокая чувствительность сопротивления сталей при скольжении по абразиву к прочностным характеристикам позволила авторам считать, что в механизме разрушения абразивом лежит прочностная основа и механический фактор является ведущим [31]. Однако, стали одного класса, но разного химического состава при одних и тех же значениях механических свойств имеют различную износостойкость,

Попытка оценки абразивной износостойкости комплексом физико-механических свойств материалов сделана в работе [32]:

(1.5)

где е - относительная износостойкость;

k - коэфициент,

n - твердость при царапании;

f - коэффициент трения;

S_k - истинное напряжение разрушения;

у_T - предел текучести;

Таким образом, в настоящее время нет механической характеристики или комплекса механических свойств материала, которые могут рассматриваться как универсальные критерии для оценки износостойкости конструкционных материалов и использоваться для расчета долговечности работы машин.

1.3.2 Структурные критерии оценки абразивной износостойкости материалов

Под действием пластической деформации исходная структура тонкого поверхностного слоя материала претерпевает значительные изменения, связанные с искажениями кристаллической решетки, выделением новых фаз, образованием карбидов, мартенситными превращениями и др. Металлофизический метод изучает закономерности абразивного изнашивания в зависимости от структуры в исходном состоянии и ее изменений в процессе трения.

Феррито-перлитные сплавы характеризуются низкой абразивной износостойкостью. Обладая высокой пластичностью, недостаточной прочностью и малой способностью к упрочнению феррит даже при высокой степени легирования имеет низкую абразивную износостойкость [20] Перлитная структура обладает более высокой износостойкостью, чем ферритная, из-за наличия в структуре карбидов. Однако, в перлите при пластической деформации могут зарождаться трещины, что снижает его износостойкость при абразивном изнашивании. Пластинчатый перлит имеет более высокую абразивную износостойкость, чем зернистый. [22].

Высокая прочность и твердость мартенсита обеспечивает высокую износостойкость мартенситных углеродистых, инструментальных и легированных сталей в абразивной среде. Наивысшей износостойкостью обладает структура мартенсита отпуска, хуже сопротивление изнашиванию у троостита, сорбита, перлита. Однако в работе [34] показано, что стали а мартенситно-карбидной структурой и максимальной твердостью имеют значительно меньшую износостойкость, чем нестабильные аустенитно- карбидные стали с небольшим количеством мартенсита и карбидов.

Считается, что аустенитные стали при одинаковой твердости превосходят по износостойкости мартенситные и ферритокарбидные. Высокая износостойкость аустенитных сталей по мнению Попова В.С. [22,34] существенно зависит от степени чувствительности аустенита к превращениям под действием абразивных тел.

Карбиды значительно повышают абразивную износостойкость, однако, оптимальное их содержание в сплавах должно составлять не более 20 - 30 %, при отсутствии динамических нагрузок допускается увеличение карбидной фазы до 45%.[33] . Высокая абразивная износостойкость объясняется более высокими механическими свойствами карбидов, выполняющих функцию барьеров, при столкновениями с которыми абразивные частицы полностью или частично разрушаются, тем самым предотвращая повреждения матрицы. Кроме того, карбиды выполняют роль барьеров на пути движения дислокаций при деформации и тем самым повышают энергоемкость материала [22,34]. Аналогичное влияние на абразивную износостойкость оказывают неметаллические включения, однако если механические свойства этих включений низкие, то это может привести к снижению сопротивлению абразивному изнашиванию [22, 34].

Оценка абразивной износостойкости металлов и сплавов по структурным параметрам носит в основном качественный характер. В последнее время появились работы, в которых предпринята попытка количественной оценки влияния структурных параметров на абразивную износостойкость [35].

На основании многочисленных исследований износостойкости при абразивном изнашивании были разработаны рекомендации об оптимальной структуре сплавов.

Однако практика показала, что при самом строгом выполнении норм, имеет место повышенный износ узлов трения, увеличение же нагрузки и скорости скольжения может привести и к уменьшению износа. Начиная с какого-то этапа работы на трение, определяющей оказалась не исходная структура, а структура, формирующаяся при трении.

В связи с этим в работах И.М. Любарского [36] рассматривается динамика структурных и фазовых превращений при трении.

1.3.3 Энергетические критерии оценки абразивной износостойкости материалов

В процессе абразивного изнашивания механическая энергия абразивных частиц затрачивается на пластическую деформацию и разрушение поверхностных слоев материала. В деформируемых слоях генерируются дефекты кристаллического строения (дислокации, точечные, двойники, дисклинации и др.) образуются новые фазы, новые поверхности, происходят мартенситные превращения и другие процессы. Механическая энергия превращается в другие виды энергии электромагнитную, акустическую, тепловую. Энергетический подход к изучению абразивного изнашивания основан на выявлении закономерностей между износостойкостью и термодинамическими параметрами энергетическими характеристиками процесса трения.

Впервые энергетическую сторону внешнего строения начал изучать Кузнецов В.Д.[13]. Он считал, что "кинетическое трение следует рассматривать с точки зрения энергии или работы, которая затрачивается при трении". Работа трения А затрачивается на образование теплоты А₁, собственно на разрушение трущихся поверхностей А₂, на пластические деформации А₃ и на образование шума и звука А₄.

А = У А_i (1.6)

Кузнецов В.Д. и Бессонов Н.А.[13, 37] впервые поставили опыт по определению энергетического баланса при шлифовании различных граней кристаллов каменной соли. Ими исследовались соотношения между работой и теплотой, возникающей в процессе шлифования, а также поверхностной энергией продуктов износа.

Отожженный кристалл каменной соли шлифовался пластинкой абразива в процессе возвратно-поступательного движения или различных режимах трения (удельной нагрузке и скорости шлифования).

Эксперимент показал, что:

1. Величина работы А₃, идущая на пластическую деформацию кристаллической решетки (скрытая энергия деформаций) составляет I6...30% от затраченной на шлифование энергии А, а выделенная теплота А₁, соответственно -- 84...70%.

2. Работа, расходуемая собственно на диспергирование A₂, т.е. на увеличение поверхностной энергии составляет ничтожную часть (10^-4…10^-5) от всей затраченной работы А.

3 . Скрытая энергия деформаций А₃ возрастает с увеличением скорости шлифования.

Согласно энергетическому подходу к процесса трения, развиваемым в работе Дубинина А.Д. [38] механическая энергия поступательного движения трущегося тела Е_т превращается в колебательную и волновую энергию субмикроскопических Е_с и микроскопических Ем частиц поверхностного слоя и частично расходуется на механическое разрушение материала трущихся поверхностей Е_разр:

Е_т = Е_с +Е_м +Е_разр (1.7)

По мнению автора в субмикроскопическом поверхностном слое (толщиной несколько микрон) механическая энергия непосредственно превращается в энергию возбуждения атомов и кристаллической решетки Е_с и выражается уравнением:

Е_с = Е_г+ Е_а+ Е_р + Е_в (1.8)

где Е_г - энергия электронного газа,

Е_а - внутренняя энергия атомов,

Е_р- энергия решетки,

Е_в - энергия взаимодействия атомов в решетке.

Энергия, воспринимаемая микроскопическими частицами Ем, связывается с рассеянием и превращенном части механической энергии в тепло.

Энергия разрушения Е_разр, по мнению автора, "не связана с природой трения, вносится в процесс трения извне и эти потери могут быть полностью устранены".

Исследования энергетического баланса процесса трения, впервые выполненные Кузнецовым В.Д. и Бессоновым М.Н. [37] были продолжены Костецким Б.И. и Линником Ю.И. [39]. В этой работе методом тонких калориметрических исследовании заснимался энергетический баланс процесса трения металлических материалов, обладающих различными свойствами: армкожелеза, меди, сплава АМцМ, отожженной и закаленной стали 45.

Испытания проводились на кольцевых образцах при торцевом трении в условиях граничного трения в активной и инактивной средах при нормальной нагрузке от о до 62 кг/см, скорости вращения вала 245 об/мин и различных путях трения.

Проведенные исследования показали, что в общем случае, большая часть работы трения превращается в теплоту, меньшая идет на образование скрытой энергии деформаций (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Проведенные исследования энергетического баланса процесса внешнего трения позволили авторам сформулировать принцип, согласно которому для заданных условий трения ( P, V, среда, материал) существует интервал, в котором отношение запасенной ?Е, (скрытой) энергии к работе сил трения А имеет минимальное значение

(1.9)

В качестве критерия для оценки износостойкости в работе [40] предлагается удельная работа износа

(1.10)

где ?U - изношенная масса материала.

Неудачи и кажущаяся бесперспективность при использовании удельной работы трения в качестве критерия износостойкости объясняется, по мнению Костецкого Б.И. c сотрудниками [40] тем, что считали, ее универсальной характеристикой и распространяли на все случаи поверхностного диспергирования, без учета природы, механизмов и энергетики конкретных процессов изнашивания. Только строгое разделение процессов разрушения по механизмам и динамике протекания делает этот критерий перспективным инструментом для оценки износостойкости. Ниже приведены значения удельной работы износа в зависимости от видов износа и повреждаемости [40].

Таблица 1.2.

По Погодаеву Л.И [20] при гидроабразивном изнашивании общая энергия Евн, затраченная в течение периоде времени t на образование продуктов износа Vиз будет равна

Евн = Едеф + Q + Е дис = ж Vиз ( Еуд + ву) (1.11)

где Едеф - энергия, затраченная на пластическое деформирование материала;

Q - часть общей энергии, превратившаяся в теплоту ;

Едис -энергия, затраченная на образование поверхностей (энергия диспергирования};

ж - коэффициент пропорциональности между Евн и энергией, необратимо поглощаемой материалом к моменту образования продуктов износа объемом Vиз;

в - коэффициент, зависящий от размеров частиц износа;

у - поверхностная энергия;

Еуд -удельная энергоемкость материала в условиях малоциклового усталостного разрушения поверхностных слоев при гидроабразивном изнашивании.

Связь между внешним воздействием, которое можно оценить мощностью удара или мощностью трения и степенью износа устанавливается при помощи критерия износостойкости Wкр, названного авторами [20] критической плотностью потока мощности деформации.

Рассматривая процесс гидроабразивного изнашивания как усталостный, авторы считают, что после критического числа импульсов воздействия Nкр или периода времени ф_акк, в определенных объемах изнашиваемого материала плотность скрытой энергии деформации достигает критического уровня. При этом реализуются предельные свойства материала в данных условиях нагружения и происходит разрушения с образованием продуктов износа.

Этому моменту времени будет соответствовать критическая плотность потока мощности деформации Wкр, характеризующая суммарную энергию, прошедшую через рассматриваемое сечение материала в период нагружения. Так как равномерность распределения внутренней (скрытой) энергии в деформируемых объемах зависит от условий внешнего нагружения и природы изнашиваемых материалов, то Wкр представляет из себя осредненный критерий износостойкости, который зависит от конкретных условий нагружения напряженного состояния и комплекса свойств тонких изнашиваемых слоев материала.

Величина критической плотности потока мощности деформации определяется как

Wкр = 1/3 Еуд Vкр, (1.12)

где Vкр - критическая скорость удара, при котором происходит мгновенное разрушение материала.

Еуд - энергоемкость материала, представляющая собой энергию, затраченную на деформирование единицы объема материала вплоть до разрушения.

Суть энергетического подхода к проблеме трения и изнашивания, развиваемая в работе Протасова Б.В [21] заключается в том, что трение рассматривается как результат поведения "третьего тела", в котором трансформируется энергия трения.

Структура энергетического баланса трения представляется равенством:

?А = ?Q +?Ud + ?Uk+?Ub, (1.13)

где ?A- энергия, затраченная на трение за данный промежуток времени,

Q - выделившиеся тепло,

?Ud - энергия диспергирования,

?Uk - энергия колебаний и внешних полей,

?Ub - приращение внутренней энергии тел.

Для приработанных поверхностей в условиях "нормального" установившегося режима трения автор пренебрегает энергиями диспергирования ?Ud, колебаний и внешних полей ?Uk, приращением внутренней энергии ?Ub считает, что вся механическая работа затрачивается на генерацию тепла.

?А ? ?Q (1.14)

Выражение (1.14) используется автором для определения долевого распределения энергии трения между телами трибосопряжения в разных состояниях через парциальный коэффициент е, величина которого зависит от условии теплопередачи.

В качестве критерия для оценки изнашивания автором принимается функция о

о = ц / Ен (1.15)

где ц - коэффициент, учитывающий часть механической энергии, связанной с приращением внутренней энергии в поверхностных слоях трибосопряжения;

Ен - удельная энергия материала, соответствующая его энергетическому насыщению в данных условиях.

Пo мнению автора, в каждом поверхностном слое происходит постоянное накопление дефектов, увеличивающих внутреннюю энергию, величина которой пропорциональна трансформированной энергии А. Разрушенный объем ?V определяется из выражения

?V = А ц / Ен (1.16)

Изношенные объемы для первого ?V₁ и второго ?V₂ тел для установившегося режима трения

(1.17)

(1.18)

где N - нагрузка

V_c - скорость скольжения,

f - коэффициент трения,

Функция ц/Ен изменяется в широких пределах (на несколько порядков) в зависимости от условии трения.

Флайшер Г. разработал энергетическую теорию трения и износа [41]

На базе первого закона термодинамики сделан качественный анализ энергетического баланса процесса трения. Согласно Флайшеру Г. [41] энергетический баланс трения твердых тел представляет из себя:

(1.19)

где W_R - работа трения,

W_е - энергия упругих (либо пластических деформации),

W_m-ph - энергия, затрачиваемая на образование частиц износа,

W_ph - энергия, необходимая для изменения фраз,

W_v - энергия, связанная с термическим изменением объема,

W_WL- энергия, связанная с теплопроводностью системы;

W_WU- энергия связанная с конвективным теплообменом (при наличии жидкости или газа).

W_WK -энергия, связанная с охлаждающим влиянием текучей жидкости;

- энергия, связанная с тепловой радиацией;

- энергия, связанная с электромагнитным излучением;

- энергия электрического поля;

- энергия химических реакций;

- энергия десорбции поверхностных слоев.

Энергетические представления Флайшера Г. базируются на понятии энергии трения e_R, под которой подразумевается отношение работы, расходуемой на преодоление силы трения W_R, к объему материала V_R, воспринимающего механическую нагрузку при трении.

_, (1.20 )

где V_R = V_R1 + V_R2 + V_R3, (1.21)

здесь V_R1, V_R2, V_R3 - деформируемые объемы, принадлежащие к первому и второму телу трения и смазочному материалу соответственно. При жидкостном режиме трения V_R1 = 0 и V_R2 = 0, при абразивном V_R1 = 0 и V_R3 =0, при трении без смазки V_R3 = 0.

В качестве критерия износостойкости материала принимается критическая ( мнимая ) плотность энергии e_R^*

, (1.22)

где - объем продуктов износа.

Из-за дискретности контакта тела могут многократно воспринимать импульсы энергии. Если импульсы энергии на фактических пятнах контакта достигают критического уровня e_R^*, то разрушение происходит в результате одного акта взаимодействия - микрорезания. Если энергия импульса мала, то часть ее аккумулируется в телах трения W_SP, а другая часть рассеивается в окружающей среде W_DIS

W_R = W_SP + W_DIS (1.23)

Аккумулированная энергия, постепенно накапливаясь в поверхностных слоях, приводит в конечном счете к разрушению материала. Диссипированная энергия рассеивается в окружающей среде в основном в виде тепла.

Автор предлагает следующую классификацию видов трения и изнашивания по энергетическим характеристикам баланса:

I класс -- трение без аккумуляции механической и тепловой энергии (абразивный износ).

II класс -- процессы трения с механическим, без термического аккумулирования энергии (износ при пластическом и упругом контакте}.

III класс -- процессы трения с механическим и термическим аккумулированием энергии (трибологические процессы, характеризуются внутренней динамикой и образованием диссипативных структур).

Автор считает, что из-за кратковременности процесса контактной нагрузки не происходит нагрева объема вещества и не наблюдается процесс теплоотдачи и все члены баланса кроме связанной с образованием частиц износа выпадают, т.е. вся работа трения затрачивается на разрушение. Эта энергия, по подсчетам авторов несколько меньше, но одного порядка с энергией сублимации. Поскольку частицы износа не есть отдельные атомы, на которые вещество распадается при сублимации, а состоят из некоторой совокупности атомов, то энергия разрушения по мнению авторов должна быть меньше энергии сублимации.

Энергетических подход к абразивному изнашиванию, аналогичный развиваемому в работе [41], рассматривается в работе [42]. Износ представляется как результат работы, затраченной на срез (образование частицы износа) на фактической площади контакта объем продуктов износа принимается пропорциональным работе среза W_S).

В качестве критерия для оценки абразивной износостойкости в работе [43] принимается специфическая энергия царапания e

e = E /W, (1.24)

где E - энергия, затраченная при царапании;

W - объем продуктов износа.

Опыты проводились на маятниковом копре, оснащенным наконечником в виде усеченной пирамиды. Энергия и износ фиксировались по результатам одноактного взаимодействия наконечника с образцом.

В работе дается подробный качественный анализ механизмов и физики процесса изнашивания.

Специфическая энергия царапание рассматривается авторами состоящей из:

e = eh +ed + eph +es +em, (1.25)

где eh -- составляющая, связанная с выделением теплоты поверхностей трения;

ed -- составляющая, связанная с повышением внутренней энергии за счет структурных несовершенств (дислокации, двойников и др).

eph -- составляющая связанная с затратами энергии на фазовые превращения,

es -- составляющая, связанная с образованием новых поверхностей,

em--составляющая, учитывающая механические потери в установке (принимается const).

На основании экспериментов в работе [43] делается вывод, что чем больше специфическая энергия царапания e, тем выше износостойкость материала при абразивном изнашивании. Установлена качественная корреляция этой энергии с твердостью по Виккерсу, микротвердостью и динамической твердостью.

C.В.Хачатуряном [18] на основании термодинамической теории прочности, развиваемой в работах В.В.Федорова [16], получена расчетно-аналитическая зависимость для оценки изнашивания материалов при абразивном изнашивании.

; (1.26)

где - объемный износ,

- относительная величина скрытой энергии,

Р - нормальное давление,

V - скорость скольжения,

U_* - критическая плотность внутренней энергии,

U_o - начальная плотность внутренней энергии,

U_T - плотность тепловой составляющей внутренней энергии,

t - время изнашивания.

За критерий разрушения материала принимается плотность внутренней энергии U_*, накапливаемой в деформируемых объемах поверхности трения, величина которой не зависит от условий изнашивания, а является физической константой материала.

где U(t) - плотность внутренней энергии к моменту времени разрушения поверхности t,

U₀ - изменение плотности скрытой энергии к моменту времени t,

U_Т - изменение плотности тепловой составляющей внутренней энергии к моменту времени t.

Исследования [18] показали, что из всех энергетических характеристик процесса изнашивания только плотность внутренней энергии материала не зависела от условий изнашивания (удельной нагрузки и скорости скольжения). Более того, эта характеристика хорошо коррелирует с теплотой плавления исследованных материалов (отожженных металлических сплавов: сталей У8А, 40Х, чугуна СЧ-18-36 и бронзы ОЦС 3-12-5).

Поэтому автор [18] считает, что для оценки абразивного изнашивания можно использовать плотность внутренней энергии материала.

Анализ энергетических критериев предложенных различными авторами для оценки абразивного изнашивания, показывает, что чаще всего в качестве такового принимают работу, затраченную на образование единицы массы или (объема) продуктов износа [13, 16-22, 40], хотя называют его по-разному: удельная работа износа, мнимая плотность энергии трения, специфическая энергия царапания и др.

По мнению Хрущова М.М. [8] нельзя отождествлять работу трения с работой разрушения при трении. Работа разрушения составляет очень малую долю работы трения и поэтому между ними не может быть количественной зависимости за редким исключением.

Еще Давиденков Н.Н. [44], подитоживая работы многих исследований отмечал, что пропорциональность между износом и работой трения справедлива только для хрупких тел, только при постоянном коэффициенте трения и только при условии непрерывного удаления продуктов износа.

В работе [45] отмечается, что при исследовании по абразивной шкурке пропорциональность между износом и работой трения соблюдается только для хрупких металлов и кристаллов солей в определенном температурном интервале условий испытаний. Таким образом, удельная работа изнашивания не является константой материала. Этот критерии изменяется в широких пределах в зависимости от условий трения ( P,V,T) даже в режимах одного и того же вида изнашивания.

В качестве другого критерия для оценки абразивной износостойкости принимается энергоемкость материала, т.е. способность материала воспринимать пластическую деформацию вплоть до разрушения [20,22,34].

Каждый из рассмотренных методов в отдельности не является универсальным, т.к. не может объяснить некоторых явлений, наблюдаемых при изнашивании трущихся деталей.

Комплексное же использование различных методов исследования изнашивания материалов при фрикционном взаимодействии расширяет и углубляет наши представления о природе разрушения поверхностных слоев пар трения и, тем самым, дает возможность выработать наиболее эффективные методы повышения износостойкости и долговечности деталей машин.

С другой стороны, приведенный краткий обзор, позволяет сделать вывод, что исследования энергетических соотношений при внешнем трении весьма перспективны и на основе их можно получить много ценного и интересного материала для объяснения ряда явлений сложной природы внешнего трения и использовать эти материалы для разработки соответствующих теоретических положений и способов применения их в практике эксплуатации машин и механизмов.

В данной работе автором сделана попытка оценить поверхностное разрушение материалов при фрикционном взаимодействии коэффициентом деформационного упрочнения, полученным на основе энергетического подхода к проблеме абразивного изнашивания.

1.4 Цели и задачи исследования