close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

26.Методы исследования поверхностных слоев при трении

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, С.А. Герасимов
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
ПРИ ТРЕНИИ
Рекомендовано УМО высших учебных заведений РФ
по образованию в области материаловедения, технологии
материалов и покрытий в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки магистров 150600
«Материаловедение и технология новых материалов»
и специалистов 150500 «Материаловедение, технологии
материалов и покрытий», по специальности 150501
«Материаловедение в машиностроении»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 539.375.6(075.8)
ББК 30.82
К89
Рецензенты: И.В. Гадолина, В.Ф. Пичугин
К89
Куксенова Л.И.
Методы исследования поверхностных слоев при трении :
учеб. пособие / Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, С.А. Герасимов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 73, [3] с. :
ил.
ISBN 978-5-7038-3330-8
Рассмотрены положения науки о трении, износе и смазке машин,
новые направления и проблемы износостойкости конструкционных
материалов. Описаны характеристики экспериментальной базы для
оценки трибологических свойств конструкционных и смазочных материалов. Представлены методы контроля микрогеометрии поверхности, оценки механических свойств поверхностных слоев, методология исследования структурного состояния зоны поверхностной
пластической деформации при трении. Проанализированы критерии
оценки триботехнических свойств. Дан пример экспериментального
подхода к оценке макро- и микроскопических характеристик качества
антифрикционных покрытий, полученных методом триботехнологии.
Для студентов, специализирующихся по направлениям материаловедения, технологии материалов и покрытий, оборудования и технологий повышения износостойкости материалов, а также для аспирантов, преподавателей вузов, научных и инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.
УДК 539.375.6(075.8)
ББК 30.82
ISBN 978-5-7038-3330-8
c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Изучению основ трения были посвящены работы многих ученых, среди которых М.В. Ломоносов, И. Ньютон, Леонардо да
Винчи, Ш. Кулон, Л. Эйлер, Г. Амонтон, В. Гарди, Н.П. Петров,
Н.Е. Жуковский, А.Ю. Ишлинский, Б.В. Дерягин, П.А. Ребиндер,
И.В. Крагельский, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Г. Томлинскон, В.Э. Рыжов, Н.Б. Демкин, Ю.Н. Дроздов, А.В. Чичинадзе, А.Г. Суслов,
В.И. Колесников и многие другие.
В настоящее время триботехника и трибология развиваются
стремительными темпами, которые определяются требованиями
создания надежных, долговечных и экономичных машин, приборов, инструментов, технологического оборудования. Неслучайно
известный ученый в области надежности машин А.С. Проников
назвал трибологию опорой проблемы надежности и качества машин [1].
При изготовлении узлов трения их надежность обеспечивается
в результате применения современных конструкционных и смазочных материалов, методов обработки, контроля, управления ходом
технологического процесса изготовления, качества сборки, применения современных методов испытаний, доводки и других средств
обеспечения современного технологического уровня. При эксплуатации узлов трения реализуется их потенциальная надежность,
которая зависит от методов эксплуатации, принятой системы ремонта, технического обслуживания, режимов работы и других эксплуатационных факторов.
Изучение основ трибологии наряду с общепрофессиональными
дисциплинами позволит обеспечить преемственность знаний при
переходе от общенаучных к профилирующим учебным дисциплинам. В современных условиях знание основ трибологии и ее практического приложения — триботехники — необходимо для каждого
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
инженера; оно позволит правильно рассчитать и обоснованно применить конструкцию трибосопряжения, подобрать соответствующие конструкционные и смазочные материалы для пар трения,
назначить оптимальный режим работы конструкции, выбрать наиболее эффективные технологические методы изготовления, обработки и упрочнения триботехнических материалов (включая смазочные материалы и присадки к ним) и обеспечить надлежащий
режим эксплуатации, ремонта и обслуживания машин.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ОСНОВЫ ТРИБОЛОГИИ И ТРИБОТЕХНИКИ
1.1. Основные термины, понятия и определения
Общие понятия
Трибология (трибоника) — наука о трении, износе, смазке и взаимодействии контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Включает следующие научные разделы: трибометрию,
трибомеханику, триботехническое материаловедение, трибофизику, трибохимию, химмотологию, триботехнику, трибоинформатику.
Триботехника — прикладной раздел трибологии, в котором рассматривается конечная стадия процесса создания трибосопряжений (узлов, деталей и элементов пар трения) с учетом основ трибоанализа, трибоматериаловедения, триботехнологий. Принципы
триботехники находят отражение в методах расчета и конструирования, изготовления, испытаний, смазки, эксплуатации, диагностирования и ремонта узлов трения.
Трибосистема — многокомпонентная система, образуемая при
взаимодействии трущихся тел, промежуточной и окружающей
сред, участвующих в процессах трения, изнашивания, теплообразования и других процессах, определяющих свойства, связи, параметры и характеристики трения и изнашивания, в этой системе
происходит преобразование энергии механического движения в
другие виды (теплоту, звук, колебания и т. д.) и ее диссипация —
передача преобразованной энергии во внешнюю среду.
Трибометрия — раздел трибологии, в котором изучаются методы проведения испытаний на трение и изнашивание, метрологические требования к этим испытаниям, оборудованию и приборам
(адгезиометрам, твердомерам, профилографам, машинам трения
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для модельных испытаний, испытательным стендам и типовым
системам для натурных триботехнических испытаний, датчикам,
усилителям, регистрирующим приборам), а также методам оценки
погрешности экспериментов и испытаний. К трибометрии относятся оценка и анализ условий равновесия контактных напряжений,
деформационных, динамических, тепловых, адгезионных и других
процессов, формирование сил диссипативного характера.
Трибодиагностика — совокупность методов и средств контроля
и управления состоянием деталей и узлов трения. Наиболее часто
применяются акустоэмиссионные (акустоэлектрические), радиоактивные, электрофизические (по интенсивности и амплитудночастотному спектру трибоЭДС, магнитной индукции и др.), температурные, виброакустические, феррографические методы.
Трибомониторинг — раздел трибологии, включающий трибометрию и трибодиагностику. Он охватывает методы и средства измерения основных параметров фрикционного взаимодействия: сил
(моментов) трения, износа, температуры, шероховатости, волнистости, контурной и фактической площади касания, контактной деформации и сближения, электрической проводимости и др., а также все виды экспериментальных (модельных, натурных, эксплуатационных) исследований и испытаний в триботехнике, включая
компьютерные методы регистрации, обработки и прогнозирования
исследуемых параметров.
Триботехнология — раздел трибологии, в котором изучаются
триботехнические аспекты формообразований деталей пары трения, обработки материалов разрушающими и деформирующими
способами, возможности достижения требуемых свойств поверхности трения узлов и деталей за счет различных упрочняющих
методов нанесения специальных покрытий [2].
Тепловая динамика трения и изнашивания — раздел динамики, посвященный теоретическому и экспериментальному анализу
выходных и рабочих характеристик трибосопряжений, работающих в нестационарных режимах трения (по скорости скольжения,
нагрузке и температуре на дискретной поверхности трения), позволяющий связать динамику тепловых процессов с непрерывно
изменяющимися фрикционно-износными характеристиками материалов пары трения.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Триботехническое материаловедение — раздел трибологии,
в котором изучается поведение материалов при трении, изнашивании и смазке (изменение структурно-фазовых особенностей
поверхностных слоев металлов, сплавов, композитов, полимеров
и других материалов под воздействием силы трения, изнашивания, температуры трения, окружающей и смазочной сред и других
производных от них факторов). В этом разделе рассматриваются
принципы создания триботехнических материалов, обеспечивающих высокую надежность в эксплуатации, оценивается взаимосвязь между механо-физико-химическими закономерностями
трения и триботехническими свойствами материалов.
Интенсивность разрушения поверхностных слоев материалов
при трении, как правило, мало зависит от исходных прочностных
свойств материалов. Исходные свойства материалов рекомендуется
подбирать таким образом, чтобы в результате контактной деформации, тепловыделения и физико-химического взаимодействия с
материалом контртела и окружающей смазочной средой на поверхности трения создавался и воспроизводился рабочий слой с
оптимальными триботехническими свойствами.
Антифрикционные материалы — материалы, используемые в
узлах трения: подшипниках скольжения, направляющих, радиальных и торцовых уплотнениях и др. Принято считать, что коэффициент трения антифрикционных материалов при наличии смазочного материала составляет 0,001. . . 0,05, а без него — 0,004. . . 0,3.
Условия применения антифрикционных материалов зависят от их
состава и в первую очередь обусловлены физическими свойствами
входящих в них базовых материалов (матрицы материала или связующего) и антифрикционных наполнителей. Для этих целей используют металлические, порошковые, пористые с последующей
пропиткой, твердосплавные, полимерные, древесные, графитовые
и другие базовые материалы. Антифрикционные наполнители —
твердые кристаллические материалы со сложными решетками, легкоплавкие или пластичные материалы, фторопласты, графит, дисульфид молибдена и вольфрама и ряд других. Антифрикционные
материалы применяют в виде объемных элементов и тонких покрытий.
При выборе материалов контртела и антифрикционных материалов следует учитывать условия их совместимости.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фрикционные материалы — материалы, предназначенные для
работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях,
демпферах, вариаторах и др.). Эффективность работы таких материалов в большой степени определяется значением и стабильностью коэффициента трения, а также износостойкостью материалов.
Свойства фрикционных материалов обусловлены их составом,
в первую очередь физическими свойствами базовых материалов
и наполнителей. Наиболее широкое применение нашли фрикционные полимерные материалы (пластмассы) на каучуковом, смоляном и комбинированном каучуко-смоляном связующем, а также
порошковые материалы на железной, медной и никелевой основах. В качестве контртела обычно используют фрикционные серые и легированные чугуны, а также различные стали и сплавы.
При выборе сочетания материалов в паре трения нужно учитывать
условия их совместимости. В последнее десятилетие в качестве
фрикционных материалов начали широко применять углеродистые
фрикционные композиционные материалы. Особенно успешно их
используют в многодисковых колесных тормозах самолетов.
Совместимость — способность двух или нескольких конструкционных материалов выполнять совместно заданные функции в узлах трения. При этом не должны ухудшаться их эксплуатационные свойства (коэффициент трения и износ) и эффективность
работы деталей, узла или трибосопряжения в целом в процессе
эксплуатации и при хранении. Совместимость антифрикционных
и фрикционных материалов проявляется в способности работать
без схватывания и оценивается по предельно допустимым значения нагрузки, скорости и температуры в зоне трения, превышение
которых приводит к схватыванию, большому износу и нестабильности коэффициента трения.
Основные термины, понятия и определения в области трения,
изнашивания и смазки регламентируются ГОСТ 27674–88 «Трение,
изнашивание и смазка. Термины и определения».
Внешнее трение — явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое
диссипацией (рассеиванием) энергии.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Внутренне трение — явление, создающее вязкое сопротивление относительному перемещению частиц в слое газов и жидкостей.
Изнашивание — процесс отделения материала с поверхности
твердого тела при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.
Износ — результат изнашивания, определяемый в установленных единицах.
Интенсивность изнашивания — отношение значения износа к
пути трения, на котором происходило изнашивание, или к объему
выполненной работы.
Скорость изнашивания — отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю (за определенный момент времени) cкорость изнашивания.
Виды и характеристики внешнего трения
Сила трения — сила сопротивления относительному перемещению одного тела по поверхности другого под действием внешней силы.
Сила трения покоя возникает при контакте двух тел при микросмещении.
Трение скольжения возникает при относительном движении соприкасающихся тел (например, трение в направляющих металлорежущих станков).
Трение качения — трение движения, при котором относительное
перемещение возникает за счет перекатывания (например, трение
в подшипниках качения).
Трение качения с проскальзыванием — трение качения при различии скоростей соприкасающихся перекатываемых тел (например, трение в зубчатых передачах).
Виды и характеристики изнашивания
Абразивное изнашивание — механическое изнашивание материала в результате режущего, деформирующего или царапающего
действия твердых тел или твердых частиц.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — абразивное
изнашивание в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).
Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или
газа.
Изнашивание при фреттинге — механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательных микросмещениях контактирующих поверхностей.
Изнашивание при заедании — изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной
поверхности на другую и воздействия возникающих неровностей
на сопряженную поверхность.
Кавитационное изнашивание — механическое изнашивание,
при котором разрушение вызывают кавитационные пузырьки,
схлопывающиеся вблизи поверхности, что ведет к местному высокому ударному действию, высокой локальной температуре.
Коррозионно-механическое изнашивание — изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемое химическим
и (или) электрохимическим взаимодействием материала со средой.
Окислительное изнашивание — коррозионно-механическое изнашивание, при котором в способе разрушения поверхностей преобладает химическая реакция материала с кислородом.
Усталостное изнашивание — механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при периодическом деформировании микрообъемов материала поверхностей трения.
Электроэрозионное изнашивание — эрозионное изнашивание
поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении
электрического тока.
Распространенные явления и процессы при трении
и изнашивании
Выкрашивание — отделение частиц материала с поверхностей
трения в результате контактной усталости.
Задир — повреждение поверхности трения в виде широких и
глубоких борозд в направлении скольжения.
Заедание — процесс повреждения поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отслаивание — отделение с поверхности трения частиц материала в форме чешуек при пластической деформации поверхностей.
Перенос материала — явление адгезионного или диффузионного внедрения при трении материала одного тела в другое.
Приработка — процесс изменения геометрии поверхностей
трения и свойств поверхностных слоев материалов в начальный
период трения.
Скачкообразное движение — движение, возникающее вследствие релаксации коэффициента трения при увеличении скорости
скольжения.
Схватывание при трении — явление местного соединения выступов твердых тел вследствие действия молекулярных сил.
Царапание — образование углублений на поверхности в направлении скольжения при воздействии выступов тела или твердых
частиц.
Смазка и смазочные материалы
Смазка — действие смазочного материала, в результате которого уменьшаются износ, повреждения поверхности, температура и
сила трения.
Смазочный материал — материал, обладающий вязкостью, текучестью и другими свойствами, вводимый в зазор между поверхностями трения для уменьшения износа, повреждений поверхностей и силы трения.
Смазывание — подведение смазочного материала к поверхности трения.
Основные характеристики смазочных материалов
Вязкость — объемное свойство жидкого, полужидкого или полутвердого вещества оказывать сопротивление при течении.
Индекс вязкости — безразмерная величина, определяемая по
установленной шкале и характеризующая изменение вязкости масла в зависимости от температуры. Высокий индекс вязкости указывает на сравнительно незначительное изменение вязкости в зависимости от температуры и наоборот.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Консистенция — свойство пластичных смазочных материалов
оказывать сопротивление деформации при внешнем воздействии.
Смазочная способность — свойство смазочного материала снижать износ и силу трения.
Составляющие смазочного материала
Базовое масло — масло, к которому добавляется одна или несколько присадок с целью получения готового продукта.
Виды смазочных материалов: газообразные, жидкие масла,
пластичные смазки, твердые смазки, смазки с присадками, минеральные, растительные, животные, синтетические.
Присадка — вещество, добавляемое к смазочному материалу
для придания ему новых свойств или усиления существующих.
Связующее твердого смазочного материала — вещество, способствующее сцеплению частиц твердого смазочного материала
между собой и с поверхностью трения.
Присадки
Антикоррозионные присадки — присадки, препятствующие,
ограничивающие или задерживающие время развития коррозии
смазываемых металлических поверхностей.
Антиокислительная присадка — присадка, препятствующая,
ограничивающая или задерживающая время окисления смазочного материала.
Депрессорная присадка — присадка, понижающая температуру
застывания жидкого смазочного материала.
Диспергирующая присадка — присадка к жидкому смазочному
материалу, повышающая дисперсность нерастворимых загрязнений и стабильность суспензий преимущественно при низких температурах.
Композиция присадок — смесь нескольких присадок, готовых к
добавлению в смазочный материал.
Многофункциональная присадка — присадка, улучшающая одновременно несколько свойств смазочного материала.
Моющая присадка — поверхностно-активное вещество, помогающее удерживать твердые частицы в масле во взвешенном состоянии.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Присадка, улучшающая индекс вязкости — присадка, уменьшающая зависимость вязкости от температуры и увеличивающая
индекс вязкости масла.
Противоизносная присадка — присадка, уменьшающая скорость или интенсивность изнашивания трущихся поверхностей.
Противозадирная присадка — присадка, препятствующая или
задерживающая заедание трущихся поверхностей.
Противопенная присадка — присадка, уменьшающая или препятствующая образованию стойкой пены в жидком смазочном материале.
Характеристики структуры поверхностей трения
При изучении структуры поверхностных слоев трущихся тел
общеприняты следующие понятия [3].
Под структурой следует понимать элементный и фазовый состав материала, тип кристаллической решетки, диффузию и массоперенос, микро- и макроструктуру, дефекты кристаллической решетки.
Фазой называется однородная часть системы, отделенная от
других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе
через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Кристаллическое строение металлов характеризуется правильным, закономерным расположением атомов (ионов) в пространстве
(кристаллическая решетка). Различают несколько основных видов кристаллических решеток: простая кубическая (К), кубическая
объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная
(ГЦК), гексогональная плотноупакованная (ГПУ), гексогональная
(Г). Размеры кристаллической решетки определяются параметрами или периодами решетки. Параметры имеют величины порядка
атомных размеров и измеряются в нанометрах (1 нм = 10−9 м).
Металлическое изделие состоит из большого числа кристаллов.
Подобное строение называется поликристаллическим.
В поликристаллическом агрегате отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.
Вакансия (атомная «дырка») — точечное несовершенство кристаллического строения, заключающееся в наличии незанятых
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мест в узлах кристаллической решетки. Число вакансий при комнатной температуре равно одной вакансии на 1018 атомов.
Дислокация — линейное нарушение периодической структуры
кристаллов, образующееся в процессе их роста или пластической
деформации. Механические свойства металлов зависят от количества дислокаций и от их способности к перемещению и размножению.
Кристаллическая структура пластически деформированного
металла характеризуется не только искажением кристаллической
решетки, но и определенной ориентировкой зерен — текстурой.
Наличие текстуры указывает на изменение размеров и ориентации
кристаллов вещества. Влияние текстуры на свойства металлов неоднозначно. В некоторых случаях наличие определенной текстуры
можно использовать для повышения технологических или эксплуатационных характеристик металла, в других случаях текстуру
требуется устранять специальной обработкой.
При исследовании структурного состояния материала при трении различают масштабные уровни:
• микроскопический масштаб — атомный уровень исследований
с размером исследуемой зоны, равным периоду кристаллической
√
решетки hа ≈ а; и дислокационный уровень, hд ≈ ρ, где ρ —
плотность дислокаций,
• мезоскопический масштаб — уровень от долей микрометров
до нескольких микрометров;
• макроскопический масштаб — уровень, при котором возможно
усреднение свойств по основным неоднородностям. Его характерный размер hм > 10−6 м.
1.2. Основы молекулярно-механической теории внешнего
трения
В настоящее время наиболее широкое развитие получила
молекулярно-механическая теория внешнего трения [4]. Она базируется на представлении о двойственной природе трения и
дискретном характере контакта между реальными поверхностями
твердых тел. Процесс трения и износа при этом рассматривается
как состоящий из трех последовательных этапов: взаимодействия
поверхностей, изменений материала поверхностных слоев в процессе трения, разрушения поверхностей. Трение и изнашивание
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
является комплексными процессами механо-физико-химической
природы.
При рассмотрении процесса трения учитывают группы факторов.
Входные факторы:
1) природа трущихся тел;
2) промежуточная среда (смазочный материал);
3) нагрузка;
4) скорость;
5) температура.
Внутренние факторы:
1) изменение шероховатости;
2) изменение свойств поверхностных пленок;
3) тепловыделение;
4) изменение структуры;
5) изменение механических свойств.
Выходные факторы:
1) сила трения;
2) величина износа.
Под влиянием совокупности входных факторов в материале
зоны контактного взаимодействия происходят сложные деформационные и физико-химические процессы; при этом выходные параметры
(потери на трение и износ) могут изменяться в широких пределах в зависимости от изменения каких-либо входных и
внутренних параметров.
Для изучения взаимодействия поверхностей при трении элементов подвижных сопряжений машин используется обобщенная модель контакта
(рис. 1). Поверхность твердых тел характеризуется микрорельефом. Показателя- Рис. 1. Обобщенная моми микрорельефа являются отклонение дель контакта соприкасаформы, волнистость и шероховатость. ющихся тел
При проведении огибающей профиля
четко выявляется различие между отклонением формы и шероховатостью. Волнистость характеризует отклонение огибающей
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
профиля от его формы, а шероховатость представляет собой отклонение действительного профиля от огибающей. Микрорельеф
определяет дискретность контакта. При контактировании поверхностей фактические пятна контакта возникают преимущественно
на вершинах волн.
Площади контактов различают следующим образом:
• номинальная (кажущаяся) площадь контакта Aа — геометрическое место всех возможных фактических площадок контакта,
ограниченное размерами и формой соприкасающихся деталей, соответственно номинальное давление pa = N/Аa , где N — сила
нормального давления;
• контурная площадь контакта Aс , образующаяся в результате деформации локальных поверхностных микрообъемов. Формирование контурной площади обусловлено макронеровностями соприкасающихся поверхностей и нагрузкой. Значение контактного
давления определяется как pc = N/Ac ;
• фактическая площадь Ar , представляющая собой сумму
мгновенных площадок контакта твердых тел. Фактическая площадь контакта является функцией геометрического очертания
отдельной неровности и воздействующей на нее нагрузки.
В общем случае номинальная площадь контакта всегда больше
контурной, которая, в свою очередь, больше фактической площади
контакта:
Аа > Ас > Аr .
Согласно молекулярно-механической теории, поверхностные
связи при трении формируются вследствие упругопластической
деформации поверхностных слоев и адгезионного взаимодействия
их поверхностей. Формула обобщенного закона трения имеет вид
τ0
h
+ β+k
f=
,
pr
r
где f — коэффициент трения; τ0 — сдвиговая прочность фрикционной связи (прочность единичного пятна касания, образовавшегося при одновременном действии нормальных и тангенциальных нагрузок и исчезающего при снятии нормальной нагрузки);
pr = N/Ar — фактическое давление;β — пьезокоэффициент молекулярной составляющей трения; k h/r — механическая составляющая трения (h — глубина внедрения; r — радиус единичной
неровности).
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При трении металлических тел преобладает адгезионное взаимодействие поверхностей. В этом случае коэффициент трения
определяют из соотношений
f∼
= τ/H
или
f = τ(H − 2W/X),
где τ — сопротивление сдвигу; Н — твердость менее прочного металла; W — удельная энергия адгезии контактирующих металлов;
Х — глубина внедрения твердой неровности в поверхность менее
прочного материала.
Из последнего выражения следует, что коэффициент трения
зависит от прочности контактирующих поверхностей ( τ, Н ) и от
интенсивности адгезионного взаимодействия поверхностей (W ).
При этом под адгезией следует понимать все виды межмолекулярного взаимодействия между двумя сближенными твердыми телами, приводящими к образованию прочных связей. На интенсивность адгезионного взаимодействия металлических поверхностей
влияют чистота поверхности, окружающая среда, состав сплавов и
кристаллическая структура, температура в зоне контакта. При трении на воздухе коэффициент трения металлических материалов не
превышает 0,5. . . 1,0; при трении в глубоком вакууме, когда адгезионное взаимодействие существенно больше, коэффициент трения
может составлять 1,0. . . 10,0 и более [4].
Таким образом, молекулярно-механическая теория трения
включает представления о механизмах взаимодействия сопряженных поверхностей, которые учитывают не только механические, но
и физико-химические процессы в «третьем теле», формирующемся в зоне контактного взаимодействия. Изнашивание представляет
собой усталостный процесс; разрушение поверхностных слоев
происходит в результате многократного взаимодействия микронеровностей. «Третье тело» с точки зрения материаловедения является главным объектом исследования, в задачи которого входит
изучение механических, деформационных и физико-химических
процессов в зоне контактного взаимодействия.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3. Свойства поверхностных слоев при трении
Важным для процесса внешнего трения свойством поверхностного слоя является различие между прочностью адгезионной связи
и прочностью более глубоко лежащих слоев контактирующих тел.
Это условие отражено в правиле положительного градиента механических свойств И.В. Крагельского [4]:
d σx
> 0,
dZ
где σx — напряжение разрушения в направлении плоскости касания; Z — координата, отсчитываемая перпендикулярно плоскости
касания.
Важно создавать такие условия внешнего трения, при которых это соотношение не нарушается. Принципиальной особенностью внешнего трения является то, что в тонком приповерхностном микрообъеме в результате деформации, диффузии, фазовых
и структурных превращений материал имеет механические свойства, отличающиеся от механических свойств остального объема
материала. Именно этот слой обеспечивает внешнее трение и определяет триботехнические характеристики, и прежде всего износостойкость.
Задача повышения долговечности пар трения состоит в том,
чтобы создать определенную структуру материала поверхностного слоя контактирующих материалов, обеспечивающую совокупность характеристик механических свойств на макро- микро- и
субуровнях, определенные соотношения структурных составляющих, приводящих к повышению износостойкости. В зависимости
от масштабного уровня изменения структуры эти связи могут быть
различными, как это показано на примере наиболее распространенного абразивного изнашивания (рис. 2) [5]. Видно, что от характера упрочнения можно получать разные зависимости коэффициента
износа Ки от напряжения σ и соответственно различные уровни
изнашивания.
С материаловедческой точки зрения трение рассматривается
как процесс накопления условий при контактном взаимодействии,
приводящих к изменению состава, структуры и свойств материала приповерхностного микрообъема, а также последовательность
переходов материала из одного состояния в другое [6].
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Схемы трех уровней структур сплавов и зависимости твердости
(Н ), трещиностойкости (KIc ) и износостойкости (Kи ) от структурных
параметров упрочнения поверхностных слоев:
σд(л) – упрочнение беспорядочным переплетением отдельных дислокаций;
σд(п.я) – упрочнение дислокационными ансамблями; σф – упрочнение дисперсными фазами (Vф – объемная доля этих фаз)
Изменения поверхностей сопровождаются совокупностью последовательных переходов материалов поверхностных слоев из одного структурного состояния в другое. Причины для такого перехода накапливаются при каждом отдельном акте контактирования.
В одних условиях эти переходы определяются упругопластической
деформацией, когда процесс зависит от механических свойств поверхности (пределов прочности, текучести и усталости, твердости
и др.), в других осуществляются более глубокие структурные и фазовые превращения, которые определяются физико-химическими
константами материала приповерхностных микрообъемов, работающих на трение (коэффициентами диффузии, теплопроводности, константами растворимости, скоростью химических реакций
и др.). Износостойкость определяется структурой материала зоны деформации при трении, в которой реализуются деформационные и физико-химические процессы. Деформационные и физикохимические процессы протекают одновременно, оказывая взаимное влияние, что и приводит к нетрадиционным явлениям при
деформации.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Напряженно-деформируемое состояние зоны контактного взаимодействия имеет ряд характерных особенностей [7]:
• пластическая деформация локализуется в тончайших поверхностных слоях, которые имеют мезоскопический размер по толщине и макроскопический вдоль поверхности;
• вследствие высоких значений давления в зоне контакта,
знакопеременного характера приложения сдвигающих напряжений, многократности деформирования, эффекта прямого физикохимического воздействия среды (пластифицирования) наблюдается аномальная пластичность поверхностных слоев;
• имеет место резко выраженная ориентация структуры поверхностного слоя в направлении относительного перемещения при
трении, что приводит к анизотропии свойств деформированного
материала;
• свойства материала поверхностного слоя изменяются под
влиянием внешней среды.
Сама по себе деформация при трении имеет спадающий характер по глубине поверхностных слоев. На рис. 3 [8] приведена
Рис. 3. Схема ротационных структур:
1 – слой переноса; 2 – мелкоячеистая фрагментированная структура; 3 – структура
с неравноосными ячейками; 4 – шашечная структура; 5 – полосовая структура;
6 – клубковая и мультипольная структура
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
схема распределения ротационных структур по глубине зоны контактного взаимодействия. Слой 6, граничащий с основой материала, обладает повышенной плотностью дислокаций со структурой
мультипольного и ячеистого типа. Над ним расположен слой 5,
в котором с неустойчивости начинаются ротационные процессы,
приводящие к созданию полосовых структур, а затем — шашечной
структуры 4. В слое 3 наблюдается значительная дисперсия размера дислокационных ячеек неправильной формы. Согласно современным взглядам, мелкоячеистая фрагментированная структура
(слой 2) представляет слой стохастических разориентировок (неравновесный турбулентный хаос), на котором располагается слой 1
перенесенного в процессе контактирования вещества из смазочной
среды и сопряженного контробразца.
Структурные превращения при трении развиваются в условиях,
когда переход механической энергии в тепловую, нагрев и охлаждение поверхности трения происходят со скоростью, намного
превышающей значения скорости нагрева и охлаждения, характерные для обычных условий термической обработки; при этом
процесс нагрева и охлаждения происходит в локальных микроскопических объемах материала.
Особенностью процессов, происходящих при трении, является
то, что материал поверхностного слоя проходит через серию состояний: обратимых (залечивание дефектов), необратимых (приводящих к накоплению повреждений и разрушению), динамического
равновесия. При трении практически всегда происходят вторичные
закалка и отпуск. Фазовые превращения при вторичной закалке
обусловлены рядом причин: 1) на участках фактического контакта
происходит нагрев до значений температуры, выше критической,
и охлаждение до комнатной температуры с большой скоростью;
2) при наличии высокой степени деформации поверхностного слоя
критические температуры существенно понижаются; 3) гомогенизация аустенита, растворение и выделение карбидов облегчаются
в условиях мелкодисперсной структуры.
Приняты термины «аустенит трения» — структура, которая
формируется в результате вторичной закалки в процессе трения, и
«мартенсит трения», который образуется в результате превращения
вторичного аустенита. Фазовому превращению α → γ способствует большая поверхность соприкосновения фаз. Образовавшийся
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
аустенит при последующем быстром охлаждении превращается в аустенит-мартенситную структуру с большим количеством
аустенита.
На свойства структуры трения влияет не только структура
стали в исходном состоянии, но температурные и нагрузочноскоростные условия трения. Аустенит трения характеризуется
более высокой твердостью, чем исходный (остаточный аустенит);
мартенсит трения резко отличается по травимости от исходного мартенсита, он характеризуется более развитой субструктурой
и большей напряженностью. Характерная для трения повышенная устойчивость аустенита связана с рядом факторов, и прежде
всего с тем, что при микродиффузионном превращении аустенит
(образовавшийся из исходного мартенсита) обогащен углеродом
и карбидами; мелкодисперсные карбиды, являющиеся центрами
кристаллизации, растворены в γ-фазе; превращение аустенита в
мартенсит тормозится в условиях свойственной для трения интенсивной пластической деформации.
Для структур вторичного отпуска характерно следующее: αфаза, образующаяся при распаде мартенсита, является наиболее
дисперсной и напряженной и обладает повышенной микротвердостью; тормозятся распад остаточного аустенита и коалесценция
карбидных частиц.
Особое место в совокупности процессов при трении занимают диффузионные явления. Это связано с тем, что при трении
тепловые и силовые поля характеризуются нестационарностью и
значительными градиентами температур и давлений, что вызывает интенсивный диффузионный обмен, а под действием градиентов Δp, ΔТ , ΔС возникают направленные диффузионные потоки
(p, Т , С — давление, температура и концентрация сплава соответственно). При трении давление и температура достигают своих
максимальных значений у поверхности контактирующих тел, поэтому результирующий диффузионный поток легирующих и примесных элементов будет направлен в зону непосредственного контакта.
В работе [6] высказаны представления о механизме микродиффузии при трении в результате существования высоких скоростей
нагрева, охлаждения и температурного градиента. Приближенно
оценить промежуток времени, необходимый для микродиффузи22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
онного превращения можно по соотношению
L2
,
D
где L — протяженность пути диффузии; D — коэффициент диффузии.
Кроме обычных направленных диффузионных потоков в зоне
поверхностной пластической деформации наблюдается перемещение отдельных атомов и целых комплексов на несколько порядков
с более высокими, по сравнению с обычными режимами деформации и термической обработки скоростями. Эти явления получили название аномального массопереноса при трении, которые
осуществляются основными тремя механизмами [8]: 1) кооперативные эффекты в системах точечных дефектов (под действием
локальных напряжений внедренные атомы распространяются по
кристаллу вдоль плотноупакованных направлений со скоростями
свыше 1 м/с); 2) ротационный массоперенос (перенос атомов, комплексов или частиц другой фазы) осуществляется за счет механического взаимодействия и последующего совместного вращения
и перехода; 3) динамическая дислокационная диффузия (перенос
атомов по ядрам движущихся дислокаций).
t=
1.4. Основные направления повышения износостойкости
конструкционных материалов
В современном машиностроении проблема износостойкости
конструкционных материалов занимает одно из приоритетных
мест. Это объясняется не только техническими причинами (необходимостью создания материалов с заданными свойствами для
конструирования новых изделий), но и экономическими (вследствие колоссальных затрат, обусловленных износом деталей машин, оборудования, инструментов) [9, 10]. В решении этой проблемы фрикционное материаловедение занимает одно из ведущих
положений.
Известно много способов решения материаловедческих задач в
трибологии, например путем создания поверхностных слоев (нанесением и модифицированием) с целью повышения долговечности
деталей машин. Наиболее широкое применение нашли методы поверхностной закалки, различные химико-термические методы об23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
работки (цементация, азотирование, борирование и т. д.), наплавки, гальванические методы осаждения покрытий и т. д. В последнее время все шире применяются новые технологии упрочнения
деталей, основанные на воздействии на поверхность деталей концентрированных потоков высокоэнергетических квантов и более
крупных частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров).
К ним относятся лазерные, электронно-лучевые (пучковые), вакуумные ионно-плазменные (включая имплантацию) технологии.
По своей физической сущности все методы модифицирования
поверхностного слоя можно разделить на три группы: 1) перенос
вещества от некоторого источника к предварительно очищенной
обрабатываемой поверхности, на которой это вещество оседает,
формируя защитное покрытие; 2) перенос энергии от лучевого
источника к обрабатываемой поверхности, которая в результате
мощного локального энергетического воздействия приобретает новые свойства; 3) использование источника вещества, относительно
крупные частицы которого разогреваются и разгоняются до высокой энергии и внедряются или прилипают к обрабатываемой
поверхности, формируя на ней слой из нанесенного вещества.
Первую группу обычно объединяют под названием «вакуумные
ионно-плазменные технологии», вторую составляют «лучевые технологии» (лазерная и электронно-пучковая), третья включает газотермические технологии — плазменное и детонационное напыление.
В основе достижения требуемых триботехнических параметров лежит методология выбора оптимального сочетания механизмов упрочнения стали и сплавов, как правило, отличающихся для
объема материала и его поверхностных слоев.
Анализ литературных данных и современных тенденций развития по решению материаловедческих задач в проблеме долговечности трибосопряжений применительно к прогрессивным высоким технологиям позволили выделить следующие актуальные
направления исследований:
• разработка моделей и описание процесса поверхностного разрушения в условиях подвижного нагруженного контакта;
• экспериментальное исследование эволюции структуры и
свойств приповерхностных деформационных микрообъемов (зоны
деформации) при трении;
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• прогнозирование износостойкости конструкционных материалов по характеристикам структуры и свойств приповерхностных
деформированных при трении слоев и их связи со стандартными
характеристиками прочности и пластичности объема материала.
Эти направления в трибологии являются основой разработки
материалов и технологий упрочнения и модифицирования и создания износостойких структур приповерхностных объемов для
изделий триботехнического назначения.
В современных трибологии и триботехнике можно выделить
несколько основных направлений материаловедения [5]:
• структурная теория износостойкости конструкционных материалов;
• износостойкие структурные состояния поверхностных слоев;
• новые прогрессивные технологии упрочнения изделий триботехники;
• современные методы испытаний и исследования материалов
триботехнического назначения.
Устойчивая работа трибосопряжения имеет место только в том
случае, когда материалы подобраны так, что в процессе трения
они могут приспосабливаться друг к другу. В этом случае решающее значение принадлежит свойству совместимости трущихся поверхностей. Если условия совместимости материалов соблюдены
(а их нарушение проявляется уже на стадии приработки), то в зоне
контакта работоспособного сопряжения наиболее износостойкими
являются следующие типы структур:
1) сплавы с гетерофазными структурами (как правило, они
представляют собой сочетание твердых кристаллов в более пластичной матрице). Этот подход широко используется при разработке сплавов для вкладышей подшипников скольжения. При трении
на поверхности вкладыша создается характерный микрорельеф за
счет твердых включений, который способствует удержанию смазочного материала в зоне трения (правило Шарпи). В антифрикционных алюминиевых сплавах используется обратная комбинация
фаз — мягкие включения в твердой матрице. При трении на поверхность вытесняется мягкая структурная составляющая, обеспечивая
низкое трение;
2) износостойкой гетерогенной структурой является та, в которой при изменении внешних условий контактирования (давления,
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температуры, элементного состава материала), вызванных влиянием механических и тепловых импульсов, а также массопереноса
в зоне взаимодействия, успевают пройти обратимые структурнофазовые превращения, которые обеспечивают совместимые структуры поверхностных слоев в конкретных условиях трения. Для
создания такой структуры широко применяют разнообразные методы химико-термической обработки. В условиях трения реализуются квазиобратимые процессы типа γ ↔ m (аустенит ↔ мартенсит); γ ↔ γ + К (m ↔ m + К или α ↔ α + К, т. е. из аустенита,
мартенсита или феррита выделяются или растворяются высокодисперсные системы. Здесь К — карбиды). Эти процессы протекают в
твердом состоянии в тончайших поверхностных слоях при скачкообразном изменении температуры Т , давления p, концентрации С
[6]. Следует заметить, что, как правило, процессы типа γ ↔ m протекают по бездиффузионному механизму, и перестройка решетки
по временным параметрам соответствует изменению температуры ΔT или давления Δp; а процессы γ ↔ γ + К, m ↔ m +
+ К, α ↔ α + К протекают по микродиффузионному механизму, однако вследствие высокой дисперсности карбидов процессы
также успевают по времени за изменением параметров ΔT , Δp и
ΔC. Образование в процессе трения структуры деформируемого
поверхностного слоя, в которой реализуются квазиобратимые (с
некоторым гистерезисом) процессы, приводит пару трения в установившийся режим с минимальным уровнем изнашивания. Задача
состоит в том, чтобы подобрать режимы технологического процесса, которые обеспечат формирование гетерогенной износостойкой
структуры;
3) износостойкая структура, реализующая в сопряжении явление избирательного переноса, характерной особенностью которой
является практическая безызносность [10]. Высокие триботехнические свойства обусловлены формированием определенного структурного состояния зоны деформации антифрикционного сплава
при трении в поверхностно-активной смазочной среде [11]. Существенное повышение триботехнических характеристик в условиях
реализации явления избирательного переноса сопровождается совокупностью трех ведущих структурных превращений, которые
можно представить как этапы организации износостойкой структуры зоны деформации сплава. Характеризующие их параметры
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
описываются законами, присущими самоорганизации износостойкой структуры.
Первое превращение — формирование эффективного макроскопического диффузионного потока легирующих и примесных атомов по глубине зоны деформации, сопровождающегося их анодным растворением и созданием условий для осаждения пленки
чистого металла. Коэффициенты диффузии в поверхностных слоях достигают значений, близких к значениям при термически активируемой диффузии, когда температура близка к температуре
плавления исследуемого сплава.
Второе превращение — формирование на поверхности трения
пленки, в частности меди, с характерными законами изменения
фундаментальных параметров пластически деформированного металла, физического уширения рентгеновских линий и периода кристаллической решетки по глубине зоны поверхностной пластической деформации. Под влиянием пластифицирующего действия
поверхностно-активных веществ смазочной среды в поверхностном слое создаются благоприятные условия для выхода дислокаций на поверхность и понижения их плотности в зоне деформации,
что повышает деформационную способность материала.
Третье превращение — формирование модифицированного
подповерхностного слоя. В начальный период трения металлической пары в зоне поверхностной пластической деформации идут
одновременно два процесса: формирование поверхностного слоя
(защитной вторичной структуры) и формирование подповерхностного слоя, представляющего собой границу раздела между поверхностной пленкой и основным металлом. Как показали результаты
эмиссионного микроспектрального и рентгеноструктурного анализов, при трении граница чаще всего представляет собой оксидный
слой, а при трении в сложных смазочных композициях, содержащих фосфор, хлор, серу, — также их соединения с атомами
металла. Элементы, образующие с основой материала соединения,
входящие в состав подложки, диффундируют как из окружающей
среды, так и из объема металла;
4) основы обеспечения оптимальной износостойкости конструкционных материалов связаны со структурной приспосабливаемостью материалов. Сущность явления состоит в том, что для
всех материалов и смазочных сред существует диапазон нагрузок
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и скоростей относительного перемещения, в котором триботехнические характеристики стабильны и существенно ниже, чем вне
этих диапазонов. Границы этих диапазонов зависят от условий
образования и свойств защитных вторичных структур, способных
минимизировать разрушение поверхностного слоя и экранировать недопустимые процессы схватывания, усталости, коррозии и
др. [7].
Создавая определенные структурные состояния материалов
для узлов трения, можно регулировать вторичные структуры и тем
самым износостойкость, надежность и долговечность трибосопряжения.
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
2.1. Определение геометрических характеристик
поверхностей
Геометрические характеристики поверхности — это параметры
макро-, микро- и субмикрогеометрии.
Макрогеометрия — это отклонение геометрии всей детали и
неровности больших участков поверхности. Единичные, не повторяющиеся регулярно макронеровности представляют собой
отклонения поверхности от номинальной формы детали — конусность, эллиптичность, бочкообразность, неплоскостность, выпуклость, вогнутость и т. п. Эти макронеровности нормируются
в заводских условиях. Особый вид неровностей представляет
собой волнистость. Под волнистостью (рис. 4, а) понимают совокупность периодических и близких по размерам чередующихся возвышений и впадин, с шагом волны λ (λ0 ), значительно
превышающим ее высоту Hв (H0 ) в продольном и поперечном
направлениях соответственно, и значительно большим, чем у микронеровностей, поверхности. Форма волн близка к синусоиде
[12]. Волнистость чаще всего связана с неравномерностью процесса резания при обработке металлов, вследствие чего возникают
колебания — вибрации станка и режущего инструмента.
На рис. 4, б приведен пример схемы волнистости поверхности,
образованной точением, для иллюстрации определения ее основных параметров [12—15], к которым относятся:
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Поверхность, образованная точением при наличии волнистости:
а – схема волнистости поверхности; б – волнограмма (λ – шаг волны в продольном направлении; λ0 – длина волны в поперечном направлении; Нв , Н0 – высота
волны соответственно в продольном и поперечном направлениях)
среднее арифметическое отклонение профиля волн , мкм:
lW
Wa = (1/lW )
|yi |dx или Wa =
0
n
|yi |/n,
i=1
где lW — базовая длина; yi — текущее значение ординаты профиля волн (расстояние от точки профиля до средней линии); dx —
приращение абсциссы; n — число ординат профиля;
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
средняя высота волн, мкм:
5
5
Hi +
Hi /5,
WZ =
i=1
i=1
где Нi — текущее расстояние от средней линии до вершины волны;
Нi — текущее расстояние от средней линии до впадины волны;
наибольшая высота профиля волн Wmax , мкм;
высота сглаживания волнистости Wр , мкм;
относительная опорная длина профиля волн, %:
tpW =
ηpW i /lW = ηpW · 100/lW ,
где ηpW — опорная длина профиля волн на уровне сечения профиля;
средний шаг волн, мм:
SmW =
nш
SmW i /nш ,
i=1
где SmW i — текущее значение шага волн; nш — число шагов;
средний радиус выступов волн, мм:
RWср =
nв
RW i /nв ,
i=1
где RWi — текущее значение радиуса выступа; nв — число выступов
волн.
По определению работы [15] микрогеометрия характеризует
формы и размеры поверхностных неровностей, расположенных
внутри квадрата со стороной порядка одного или нескольких миллиметров.
Образование микронеровностей поверхности обусловлено взаимодействием режущего инструмента с обрабатываемым изделием — процессом снятия стружки. При механической обработке различают продольную и поперечную шероховатости, учитывают направленность следов обработки.
Для оценки шероховатости поверхности после обработки в [15]
предложена следующая зависимость:
Hmax = Hp + Hпл + Нл + Нупр + Нцар + Нж ,
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Нр — шероховатость, вычисляемая по форме вершины режущего инструмента и продольной подаче; Нпл — шероховатость,
возникающая в результате пластической деформации металла перед лезвием инструмента (деформированная зона в процессе резания, остатки которой в виде нароста на лезвии наблюдаются после
прекращения резания); Нл — шероховатость, создаваемая лезвием
инструмента, т. е. линией пересечения двух режущих граней, которые отпечатываются на обрабатываемой поверхности; Нупр —
шероховатость, возникающая в результате упругого восстановления металла после прохода режущего инструмента; Нцар — шероховатость, создаваемая царапанием обрабатываемой поверхности
отходящей стружкой; Нж — шероховатость, обусловленная недостаточной жесткостью «системы станок — инструмент — изделие».
Субмикрогеометрия поверхности твердых тел характеризуется особым видом неровностей, механизм возникновения которых
связан с внутренним строением металла. Субмикроскопический
рельеф наблюдается на участках поверхности площадью от одного до нескольких квадратных микрометров при всех условиях
обработки металлов, развивается и изменяется при всех условиях нагружения поверхностей в эксплуатации. Большое влияние на
субмикроскопические характеристики поверхности оказывает рабочая среда в зоне контакта, причем это влияние особенно велико и
может быть определяющим при наличии поверхностно-активных
составляющих смазочных сред [12]. Количественно характер субмикрорельефа определяется величиной выступов и впадин, их формой и частотой расположения на поверхности.
Отметим, что в условиях трения и износа геометрия поверхности, сформированная в результате полного цикла технологической
обработки, изменяется. При эксплуатации на первый план выходит
процесс формирования равновесной шероховатости [4], шероховатости, возникающей при разрушении зон контактного взаимодействия, и субмикроскопической шероховатости, которая связана с
физической природой трения и износа.
Характеристики микрогеометрии поверхностей трения определяют с помощью профилографов-профилометров. Наиболее распространенными приборами отечественного производства являются приборы марки Калибр-201 и Калибр-253. Оценивают параметры микрогеометрии на основе обработки профилограмм (рис. 5).
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Фрагмент профилограммы поверхности трения
Средняя линия профиля профилограммы должна быть горизонтальной. Профилограммы снимают на трассе, длина которой равна
базовой длине l. Базовой линией является средняя линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля
от этой линии минимально.
Чаще всего оценивают следующие параметры шероховатости
[13]: опорную кривую профиля, радиус кривизны вершины неровности r, расстояние между линией выступов и линией впадин
профиля в пределах базовой длины R max; среднее арифметичеl
1
|y (x)|dx; высоту неровностей
ское отклонение профиля Ra =
l
0 5
5
1 профиля по десяти точкам Rz =
|Hmax i | +
|Hmin i | ;
5
i=1
i=1
отклонение одного из пяти наибольших максимумов от средней
линии Hmax i , отклонение одного из пяти наибольших минимумов
профиля от средней линии Hmin i.
Для профилографирования, как правило, выбирают наиболее
характерные участки, а профилограмму снимают не менее чем с
пяти мест поверхности. Если на профилограмме заметна волнистость, то уменьшают базовую длину каждого участка профилограммы при увеличении их числа.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Опорная кривая профиля. Для построения опорной кривой
профиля ηp = bxv руководствуются ГОСТ 2789–73. Значение
опорной длины профиля ηp представляет собой сумму длин отрезков на базовой длине, отсекаемых на уровне р в материале
профиля линией, эквидистантной средней линии. На практике
в основном применяют относительную опорную длину профиля
tp = ηp /l.
Для определения параметров b и v на профилограмме определяют нулевой уровень, проводя линию, параллельную средней, на
расстоянии RБ C от нее. От этого уровня на расстояниях 0,1Rmax ,
0,2Rmax , 0,3Rmax проводят параллельные прямые, которые определяют уровни при относительных сближениях x1 = 0,1, х2 = 0,2,
x3 = 0,3. Для каждого уровня определяют суммарную длину се
Δl0,1 ; l0,2 =
Δl0,2 ; l0,3 =
Δl0,3 и
чений выступов l0,1 =
l0,1
l0,2
l0,3
относительные площади t0,1 =
; t0,2 =
; t0,3 =
, где k —
kl
kl
kl
число рассматриваемых профилограмм, имеющих базовую длину l. Далее решают систему двух уравнений для уровней 1 и 2, 1
и 3, 2 и 3 вида tp = bxv и получают значения b и v:
v1,2 =
lg (t0,1 /t0,2 )
; b1,2 = lg t0,1 − v lg x2 ;
lg (x1 /x2 )
v1,3 =
lg (t0,1 /t0,3 )
; b1,3 = lg t0,3 − v lg x3 ;
lg (x1 /x3 )
v2,3 =
lg (t0,2 /t0,3 )
; b2,3 = lg t0,2 − v lg x2 .
lg (x2 /x3 )
Для конечной оценки параметров b и v принимают их средние
значения:
v=
v1,2 + v1,3 + v2,3
;
3
b=
b1,2 + b1,3 + b2,3
.
3
Радиус закругления вершины неровности r. Для определения
значения r снимают профилограммы в продольном и поперечном
направлениях.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Среднее значение r для данного направления оценивают по
формуле
n
d2i
γв
8hi
1
,
r=
γ2r n
где γв и γr — вертикальное и горизонтальное увеличение соответственно; n — число анализируемых неровностей; d — длина
сечения хорды на расстоянии hi от вершины неровности 0,3Ra и
0,05Rmax (при этом неровности лежат выше уровня х = 0,3).
Конечное значение r определяют как среднее из значений продольного и поперечного радиусов закругления вершин неровностей.
В случае нерегулярного характера шероховатостей среднее значение r определяют по формуле
r=
l2
,
2 π2 Ramn0
n
где m — число максимумов на всех участках; n0 =
(число
l
пересечений оценивают по пересечению профиля со средней линией на всех участках и делят на суммарную длину этих участков;
за максимумы принимают неровности, высота которых от ближайшей впадины превышает значение 0,05Rmax).
Угол наклона боковых сторон профиля к средней линии θ определяют по формуле
tg θ = 4Ra n0 .
Фактическую площадь контакта находим несколькими методами. Оптические методы разработаны для двух случаев: 1) оба
контактирующих тела прозрачны; 2) прозрачно только одно тело
[4]. Прозрачные образцы приводят в соприкосновение под действием нагрузки. Пучок света, пропущенный через образцы в направлении действия нагрузки, отклоняется от этого направления и
частично рассеивается только в местах, где он переходит из более
плотной среды в менее плотную, т. е. там, где неровности не взаимодействуют. Наблюдая образцы на просвет, определяют площадь
контакта визуально или фотометрированием.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для пары, в которой только один образец является прозрачным, метод определения площади фактического контакта основан
на явлении нарушения полного внутреннего отражения света в местах контакта оптически прозрачного материала с непрозрачным
(метод Мехау). Этот метод нашел наиболее широкое распространение; его достоинством является достаточно высокая точность получаемых результатов. Приборы для измерения фактической площади контакта изготовляют на базе светового микроскопа.
Электрический метод дает возможность оценки площади фактического контакта по изменению значения переходного электросопротивления, которое происходит в результате увеличения числа
пятен контакта при повышении нагрузки. В работе [4] отмечается, что точность метода недостаточно высока; однако этот метод
может служить средством оценки относительного изменения площади фактического контакта при изменении внешних параметров
триботехнических испытаний.
Акустический метод основан на том свойстве, что контакт
твердых тел в зависимости от соотношения фактической и номинальной площадей контакта является в большей или меньшей
степени проницаемым для упругих волн (в частности, ультразвуковых). При рассмотрении зоны контакта как третьего тела полагают, что ультразвук проходит через трехслойный композиционный
материал, состоящий из двух контактирующих тел и расположенного между ними слоя определенной толщины с экспериментально
определяемыми свойствами.
Методы информаторов (в качестве информаторов используют пудры, краски, радиоактивные вещества, тонкие фольги и т. п.).
При контактном взаимодействии происходит изменение формы информатора, его размеров, состояния поверхности, по которым оценивают размеры и формы фактического контакта. Точность определения размеров фактической площади контакта определяется толщиной слоя информатора, которая должна быть в несколько раз
меньше высоты неровностей поверхности.
Расчетным методам определения фактической площади контакта посвящено большое количество работ разных научных школ,
систематизацию которых можно найти в [4].
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Исследование структуры и свойств поверхностных слоев
при трении
Применение того или иного метода исследования поверхностей трения обусловлено характерными масштабными уровнями,
на которых реализуются процессы пластичности и разрушения.
Эти процессы реализуются в условиях локальных температур и
давлений, а тончайшие поверхностные слои обладают повышенной физической и химической активностью. Поэтому значительные ограничения имеют методы, в которых для послойной оценки структурных изменений используют химическое травление или
электролитическое полирование, которые при наличии градиента
свойств по глубине зоны контактного взаимодействия приводят не
только к перераспределению несовершенств структуры и напряжений, но и к возникновению дополнительных напряжений значительного уровня.
Отметим некоторые методы исследования поверхностей трения
в соответствии с характерными масштабными уровнями.
1. Микроскопический масштабный уровень (исследования проводятся на атомном уровне ha ≈ а (где а — период решетки)
√
и на дислокационном уровне hд ≈ 1/ ρ, где ρ — плотность
дислокаций. При плотности дислокаций ρ = 1014 . . . 1016 м−2
hд ≈ 10−7 . . . 10−8 м, т. е. от нескольких десятков до нескольких
сотен периодов кристаллической решетки). Исследования на этом
уровне выполняют с помощью разнообразных методик структурных исследований. К ним в первую очередь относится электронная микроскопия с ее обширными возможностями в виде методов
просвечивающей электронной микроскопии, высоковольтной электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии, туннельной микроскопии, автоионной микроскопии и др. Взаимодействие электронного пучка с облучаемым объемом вызывает ряд эффектов, на регистрации которых создан ряд методик исследования
элементного состава, такие как Оже-электронная спектроскопия,
рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия потерь энергетических электронов, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия.
Методы световой микроскопии позволяют исследовать особенности структуры твердых тел на границе раздела «металл —
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
окружающая среда». Применение световых микроскопов ограничено их относительно невысокой разрешающей способностью,
определяемой числовой апертурой и длиной волны света, равной
λ = 0,50 мкм. При этом для исследования поверхности с глубоким микрорельефом необходимо использовать объективы с малой
апертурой, что еще больше снижает разрешение световых микроскопов. Применение ультрафиолетового излучения ( λ = 0,21 мкм)
в 2,5 раза повышает разрешающую способность светового микроскопа, но ряд побочных обстоятельств ограничивают их широкое
применение [16].
Для исследования поверхностей трения чрезвычайно большой
интерес представляют исследования микрорельефа с помощью
светового микроскопа. Интерферометрия — наиболее чувствительный и точный оптический метод анализа микротопографии
поверхности. Известны два основных метода интерференции:
двух- и многолучевой [16]. В методе двухлучевой интерференции оба пучка света взаимно усиливаются или интерферируют
между собой. В результате усиления или интерференции лучей
возникают контурные линии; каждая линия соединяет точки, соответствующие одному уровню исследуемой поверхности. Разность
по высоте между полосами соответствует половине длины волны
света (используют излучение таллия, длина волны которого равна
540 нм). Смещение интерференционной линии, как правило, можно измерить с высокой точностью, следовательно, разность высот
уровней рельефа поверхности можно измерить также с высокой
точностью (примерно до 27 нм). Метод многолучевой интерференции основан на интерференции многих пучков, он позволяет
получать столь тонкие интерференционные полосы, что удается
измерить даже ничтожно малое смещение полосы, равное 1/500.
Измеряемая разность уровней рельефа поверхности составляет
около 0,5 нм, следовательно, можно исследовать весьма тонкие
детали микрорельефа поверхности.
В исследованиях реальных поверхностей трения, часто имеющих глубокий рельеф, особое место занимает растровая электронная микроскопия. Вследствие особенности конструкции растровый
электронный микроскоп обладает чрезвычайно большой глубиной
фокуса. При увеличении 500 глубина фокуса составляет 500 мкм
(т. е. примерно в 103 −104 раз больше, чем в световом микроско37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пе), при увеличении 10 000 она достигает 0,8 мкм. Эта способность
микроскопа позволяет исследовать топографию поверхности при
увеличении 20 000. . . 40 000, т. е. намного больше, чем в световой
микроскопии.
2. Мезоскопический масштабный уровень (слои, толщина которых cоставляет от долей микрометров до нескольких микрометров по нормали к поверхности). Этот уровень является наиболее
важным для исследования процессов при трении и изнашивании.
Наиболее информативным методом для выявления связи структуры и триботехнических свойств, а также механизма разрушения
зоны контактного взаимодействия является метод рентгеноструктурного анализа.
Для изучения поверхностей трения с учетом особенностей состояния материала зоны деформации был специально разработан
метод скользящего пучка рентгеновских лучей [11]. В настоящее
время он получил широкое распространение при анализе покрытий, состояния материала после применения разнообразных технологических методов направленного изменения свойств поверхности изделий.
Суть метода состоит в том, что пучок лучей с анода трубки
с линейчатым фокусом, пройдя систему специально сконструированного коллимационного устройства под строго фиксированным малым углом, падает на поверхность исследуемого объекта.
Отраженные лучи в зависимости от метрологического обеспечения регистрируются ионизационным или фотографическим методом. Основной особенностью метода является использование узкого (примерно 10 мкм), практически параллельного пучка лучей,
что создает возможность проводить съемку при углах наклона α
к исследуемой поверхности 1◦ и менее (в зависимости от шероховатости) и получать информацию о слоях до 10−7 . . . 10−8 м в
зависимости от природы металла и излучения.
Подчеркнем, что поверхностные слои при трении имеют мезоскопический масштаб по нормали к поверхности трения и макроскопический в перпендикулярном направлении (вдоль поверхности). Этой особенностью объясняется гетерогенность свойств
поверхности со смешанными характерными масштабами, а также
по толщине слоев, которые могут отличаться по структуре, химическому и фазовому составу (т. е. поверхностная деформированная и
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
модифицированная при трении зона представляет собой специфический композиционный материал). Поэтому применение методик
неразрушающего послойного анализа зоны трения является непременным условием адекватной оценки процессов пластичности
и разрушения при трении.
3. Макроскопический масштабный уровень (слои, в которых
возможно усреднение свойств по основным неоднородностям и
поведение которых рассматривается, как правило, с использованием методов анализа упругопластической среды; характерный размер такого слоя hm > 10−6 м). Эти слои чаще всего исследуются
стандартными дифракционными методами (рентгенографии, нейтронографии) как наиболее информативными с позиций выявления
связи между характеристиками механических свойств материала и
структурой.
Современное состояние науки о трении и износе позволяет прогнозировать триботехнические свойства материала расчетным путем на основе использования характеристик механических
свойств: твердости, упругости, пластичности, ползучести, фрикционной усталости. Наиболее часто используемой характеристикой
является твердость.
Твердость определяет величину взаимного внедрения микронеровностей трущихся поверхностей и, следовательно, характеризует
механическую составляющую силы трения. От значения твердости
зависят фактическая площадь контакта и объем материала, вовлеченного в деформацию. Поскольку при трении взаимодействуют
поверхностные слои, важно определять не объемную твердость, а
микротвердость.
Для измерения микротвердости служит метод Виккерса, при
котором в образец вдавливается алмазная пирамида и измеряется диагональ отпечатка d. Для оценки микротвердости в триботехнических исследованиях широко применяют специальный интерференционный микротвердомер, разработанный Е.С. Берковичем [17]. С его помощью можно оценивать следующие характеристики:
• твердость по невосстановленному отпечатку
Hh =
P
0,3784P
≈
,
S
h2
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Р — нагрузка, Н; S — условная площадь боковой поверхности
отпечатка, мм2 ; h — глубина отпечатка, мм;
• характеристику упругих свойств
Упр =
hу.в
· 100 %;
hобщ
• характеристику пластических свойств
Пласт =
hв
· 100 %;
hобщ
• характеристику ползучести
Полз =
hполз
· 100 %.
hобщ
Модуль упругости. Контактный модуль упругости для мягких
металлов и сплавов, пластмасс определяют на приборе КУМ, принцип действия которого основан на том, что плосковыпуклая линза с помощью нагружающего устройства прижимается к образцу,
укрепленному на подвижном столике, и по значению диаметра
пятна контакта, наблюдаемого с помощью светового микроскопа,
оценивают контактный модуль упругости
E ≈ 0, 6
Nr
,
d3
где N — нагрузка; r — радиус индентора; d — диаметр пятна контакта.
Динамическую твердость определяют на приборе МИТ по
принципу соударения вращающегося шара с исследуемым объектом (рис. 6). Отношение работы, затраченной на пластическую деформацию поверхностного слоя образца, к объему восстановленного отпечатка равно значению динамической (ударной) твердости
материала:
6mg (hпад − hотс )
Hуд =
,
πt (3r2 + t2 )
где m — масса шара; g — ускорение свободного падения; r — радиус восстановленного отпечатка; t — глубина восстановленного
отпечатка.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Схема метода определения динамической твердости
По формуле Герца рассчитывают динамический модуль упругости. Для одноименных материалов образцов и шара
E=
2
3 (1 − μ) π2 r3 Hуд
,
5mghотс
где μ — коэффициент Пуассона.
Оценка характеристик пластичности основана на том, что
размер зоны распространения пластической деформации вокруг
отпечатка конического индентора при одинаковой глубине внедрения h тем больше, чем выше пластичность материала. Пластичность характеризуется отношением h/d. На более пластичном материале диаметр отпечатка d2 по вершине наплыва меньше, чем
диаметр отпечатка d1 на материале с меньшей пластичностью.
Оценка характеристик фрикционной усталости. Для оценки параметров фрикционной усталости разработан специальный
прибор — циклометр. Плоский образец в виде диска диаметром
10 мм устанавливают на вращающемся предметном столике и к
нему прижимают сменный неподвижный индентор, соединенный
с измерительной балочкой.
Испытания проводят при нормальной нагрузке на индентор,
исключающей резание. Качество поверхности контролируют с по41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мощью профилограмм поверхности трения образца и поверхности контакта индентора. После некоторого числа взаимодействия
пf , зависящего от величины внедрения, начинается интенсивное
разрушение. Развитие разрушения поверхности контакта прекращается после определенного числа циклов n∗f . По результатам испытаний строят зависимость действующего напряжения от числа
циклов. Коэффициент усталости t определяют по углу наклона
кривой, значение σ0 получают экстраполяцией экспериментальных значений σi при пf = 1. Таким образом, в методе оценки
фрикционной усталости определяют число циклов до разрушения
по числу его фрикционных взаимодействий к моменту появления
частицы износа.
2.3. Методы триботехнических испытаний
Основное техническое оборудование описано в работах [18 —
20]. По кинематическому признаку все установки для триботехнических испытаний материалов делят на два класса: 1) установки однонаправленного относительного перемещения; 2) установки
знакопеременного относительного перемещения. Внутри каждого
класса установки разделяют на две большие группы: машины торцового трения и машины трения с контактом по образующей. Внутри каждой группы выделяют еще две подгруппы по коэффициенту
взаимного перекрытия Kвз : Kвз → 1 и Kвз → 0. Таким образом,
лабораторная практика располагает восемью различными типами
машин, причем с помощью многих серийно выпускаемых машин
при незначительных переналадках можно проводить испытания по
различным схемам (табл. 1).
Типовые машины трения
Тип
МИ-1М (схемы а, б)
СМЦ-2 (схемы а, б,
в)
УМТ-1 (схема в)
42
Схема узла
Таблица 1
Назначение
Моделирование фрикционных сопряжений с высшими
кинематическими парами
(зубчатые колеса, колесо —
рельс, подшипники качения и
др.)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 1
Тип
Схема узла
Назначение
МПИ-1
МПИ-2
Испытание пластмасс на износ по свежему следу при наличии абразива
МДП-1 (схема а)
УМТ-1 (схемы а, б)
МФТ-1 (схема б)
МАСТ-1 (схемы в, г)
ЧШМ-3 (схема в)
Исследование трения и износа материалов при Kвз → 0
применительно к тяжело нагруженным сопряжениям. Определение фрикционной теплостойкости материалов.
Испытание масел по
ГОСТ 9490–75 при нормальной и повышенной температуре, определение температурной стойкости граничных смазочных слоев для
оценки износа материалов
МПТ-1
Исследование трения металлов
при
возвратнопоступательном скольжении
в условиях нормальных и
повышенных температур
Х4-Б
Исследование стойкости материалов в режиме микрорезания
Для испытаний на трение и изнашивание зубчатых колес, часто подвергаемых азотированию, используют установки, работающие по замкнутому контуру [21, 22]. Схема установки для испытаний прямозубых передач показана на рис. 7 [21]. Каждый редуктор установки оборудован автономной циркуляционной системой
смазки.
Установки можно использовать для испытаний на изнашивание
или контактную выносливость зубьев. При испытаниях обеспечиваются следующие возможности: испытание двух зубчатых пар в
режиме редуктора и мультипликатора или одной пары — в режиме
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7. Схема установки для испытания прямозубых передач:
1, 2 – корпуса редукторов; 3, 4 – испытуемые зубчатые пары; 5, 6 – нагрузочная муфта и ее рычаг; 7 – торсионный вал; 8 – балансирный электродвигатель
постоянного тока; 9 – пружинные весы для измерения реактивного момента электродвигателя; 10 – механизм перемещения электродвигателя; 11 – приводы тахометра и счетчика оборотов; 12 – токосъемники термопар
редуктора; стабильность нагрузки зубчатых колес в течение испытания (не зависящей от износа зубьев и деформаций деталей
установки); ступенчатое или по заданной программе (в частности,
с кратковременными перегрузками) изменение нагрузки зубчатых
пар без остановки машины; плавное регулирование частоты вращения приводных двигателей; непрерывная регистрация температуры
зубьев колес; регистрация температуры масла на входе в зацепление и на выходе из редукторов; измерение реактивного момента
статора и силы тока в цепи якоря приводных двигателей; легкий
монтаж и демонтаж деталей и узлов установок. Мощность электропривода установок обычно равна 7. . . 10 кВт, частота вращения
200. . . 6000 об/мин, основные межцентровые расстояния испытуемых передач 100, 120 и 150 мм, ширина зубчатого венца испытуемых колес 10. . . 60 мм.
Рассмотрим наиболее распространенные стандартизированные
методы триботехнических испытаний.
Метод испытаний материалов на износостойкость при ударно-абразивном изнашивании (ГОСТ 23.207–79). Oбразцом из исследуемого и эталонного материалов осуществляют повторные удары
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
через слой твердых абразивных частиц по неподвижной наковальне с заданной энергией удара, скоростью и частотой соударений.
Измеряют и сравнивают износ образцов из испытуемого и эталонного материалов.
Метод испытания материалов о нежестко закрепленные
абразивные частицы (ГОСТ 23.208–79). Образцы из испытуемого
и эталонного материалов изнашивают абразивными частицами,
подаваемыми в зону трения и прижимаемыми к образцу вращающимся резиновым роликом. Измеряют износ образцов испытуемого и эталонного материалов.
Метод испытания металлов на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367–71). Испытуемый и
эталонный образцы изнашивают о поверхность абразивной шкурки при статической нагрузке и полученные результаты сравнивают.
Испытания проводят при трении торца цилиндрического образца
по поверхности абразивной шкурки по спирали Архимеда в направлении от центра диска к его периферии.
Метод испытаний на изнашивание абразивно-масляной прослойкой (РД 50–339–82). Образцы из испытуемого и эталонного
материалов изнашивают в паре с контробразцом при дозированной
подаче в зону трения абразивно-масляной суспензии, измеряют износ образцов из испытуемого и эталонного материалов. Устанавливают два метода испытаний: метод I — общие сравнительные испытания при подаче абразивно-масляной суспензии 0,20±0,01 мл/мин
с концентрацией по массе абразивного материала в смазочном материале 3 ± 0,05 %; метод II — сравнительные испытания по оценке износостойкости применительно к конкретным условиям изнашивания с использованием требуемой концентрации абразива в
абразивно-масляной суспензии различного состава.
Метод испытаний на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя (ГОСТ 23.201–78). Заключается
в ударном воздействии потока абразивных частиц, выбрасываемых
под действием центробежных сил из четырех каналов вертикального ротора-ускорителя, на испытуемые и эталонные образцы с
заданными углами атаки и скоростями.
Метод испытаний на изнашивание при ударе в условиях низких температур (ГОСТ 23.212–82). По охлажденному до заданной
температуры образцу наносят удары с заданной энергией, частотой
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и скоростью соударения металлическим контробразцом непосредственно или через абразивную ленту и оценивают износостойкость
путем сравнения с износом эталонных образцов, испытанных в
идентичных условиях, но при нормальной температуре.
Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии (ГОСТ 23.211–80). Цилиндрический
неподвижный образец из испытуемого материала и возвратновращающийся контробразец приводят в соприкосновение с торцевыми поверхностями, затем осуществляют движение при заданном
давлении с заданными амплитудой и частотой. Измеряют износ
неподвижного образца за заданное число циклов воздействия.
Метод испытаний на износостойкость материалов и деталей при гидроэрозионном изнашивании дисперсными частицами
(ГОСТ 23.219–84). Изнашивание вращающегося образца осуществляется при его соударении с потоком жидких частиц на роторной установке.
Метод оценки истирающей способности поверхностей при
трении (ГОСТ 23.204–78). Цилиндрический вращающийся ролик
из испытуемого материала изнашивает своей радиальной поверхностью плоскую поверхность эталонного неподвижного образца.
В процессе испытаний измеряют относительное сближение плоского образца и оси ролика. Критерием истирающей способности
поверхности является зависимость интенсивности изнашивания от
давления.
Метод оценки противозадирных свойств машиностроительных материалов (ГОСТ 23.213–83) устанавливает три метода испытаний.
Метод I — оценка несущей способности граничных слоев смазочных материалов. Сущность метода заключается в том, что на
образец из испытуемого металлического материала наносят исследуемый смазочный материал, перемещают по поверхности образца сферический индентор с возрастающей по мере перемещения
нагрузкой, регистрируют силу трения и глубину внедрения индентора, по значениям которых в момент скачкообразного возрастания
силы трения судят о несущей способности граничных слоев смазочных масел. Метод I не распространяется на материалы твердостью свыше HRC 50.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метод II — оценка противозадирной стойкости металлических
материалов по степени их упрочнения в процессе образования задиров. Его сущность заключается в том, что образец и контробразец из исследуемых материалов прижимают друг к другу нагрузкой, возрастающей с перемещением, смещают относительно друг
друга на величину, достаточную для возникновения заедания, регистрируя силу трения. Измеряют геометрические характеристики
повреждений поверхностей и микротвердость деформированных
при заедании участков поверхности трения, по значениям которых
судят о противозадирной стойкости материалов.
Метод III — оценка стойкости к схватыванию металлических
материалов. Сущность этого метода заключается в том, что два
установленных противоположно ролика-контробразца с параллельно расположенными осями и находящийся между ними цилиндрический образец с осью, перпендикулярной плоскости осей
роликов, приводят в относительное перемещение в направлении
нормали к плоскости осей роликов. Одновременно по мере перемещения увеличивают силу прижатия роликов к образцу и
угол их поворота, измеряют силу перемещения и характеристики
микрогеометрии поверхностей, по которым судят о стойкости к
схватыванию материалов.
Метод оценки фрикционной теплостойкости материалов
(РД 50–662–88). Вращающийся и неподвижный кольцевые образцы исследуемого сочетания материалов устанавливают соосно,
прижимают друг к другу торцевыми рабочими поверхностями
с заданной осевой нагрузкой, ступенчато изменяют температуру фрикционного разогрева путем изменения частоты вращения
образца и определяют значения коэффициента трения и интенсивности изнашивания для каждой ступени температуры фрикционного разогрева. О фрикционной теплостойкости материалов и
покрытий судят по зависимости этих величин от температуры.
Метод испытаний материалов на трение и изнашивание при
смазывании маслохладоновыми смесями (ГОСТ 23.216–84). Основан на непрерывной регистрации суммарного линейного износа,
момента трения и температуры при взаимном перемещении (скольжении) прижатых друг к другу с заданной силой образцов из конструкционных материалов при смазывании.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метод оценки истирающей способности поверхности восстановленных валов (ГОСТ 23.220–84). При заданных условиях испытаний цилиндрической поверхностью вала изнашивают поверхности образцов из эталонного материала. Находят средний линейный
износ эталонных образцов за определенный путь трения, по которому оценивают истирающую способность вала.
Методы оценки износостойкости восстановленных деталей
(ГОСТ 23.224–86). По стандарту установлены четыре группы методов оценки износостойкости.
Методы группы I — сравнительные экспресс-испытания, при
которых определяют отношение интенсивностей изнашивания исследуемой и эталонной поверхностей, испытанных в одних и тех
же условиях. Испытания группы I проводят в соответствии с ГОСТ
23.208–79, ГОСТ 23.211–80, ГОСТ 23.220–84 и ГОСТ 23.224–86.
Методы группы II — моделирующие испытания, при которых
результаты лабораторных или стендовых испытаний с помощью
масштабных коэффициентов или коэффициентов ускорения пересчитывают для оценки интенсивности изнашивания в эксплуатации.
Методы группы III — ускоренные ресурсные испытания по
ГОСТ 23.205–79 и ГОСТ 23.224–86.
Методы группы IV включают определение диапазона нагрузок,
скоростей скольжения и температур, обеспечивающих работоспособность материалов в определенных условиях их эксплуатации.
Эти испытания проводят в соответствии с ГОСТ 23.224–86.
ГОСТ 23.224–86 предусматривает метод оценки прирабатываемости материалов. Испытания по данному методу состоят из трех
основных этапов:
1) для неприработанного образца в процессе трения по стальному или чугунному контробразцу с заданной скоростью скольжения и смазыванием выбранным смазочным материалом при быстро
возрастающей нагрузке определяют значение давления pон , выше
которого отмечается возрастание коэффициента трения, а также
значение давления pмн , при котором начинается заедание;
2) осуществляют приработку при ступенчатом нагружении,
повышая нагрузку достаточно быстро, чтобы режим трения был
максимально близок к режиму заедания, при этом оценивают
максимальное для испытуемого материала давление pмп , соответствующее переходу к заеданию, а также продолжительность
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
tп приработки от момента достижения давления pмн до момента
достижения давления pмп ;
3) осуществляют быстрое и непрерывное снижение действующей нагрузки, в процессе которого оценивают значение давления
pоп , при котором прекращается снижение коэффициента трения.
Принимают, что лучшей прирабатываемостью обладают материалы с большей разницей между значениями pмн и pмп , у которых
эта разница в процессе приработки в режиме на грани заедания достигается за меньшее время. О несущей способности (грузоподъемности) материала в приработанном и неприработанном состояниях судят соответственно по значениям давлений pон , pмн , pоп ,
pмп .
Метод определения триботехнических свойств конструкционных материалов при взаимодействии с волокнистой массой
(ГОСТ 23.223–97). При различных давлениях и скоростях скольжения о торцовую поверхность диска из исследуемого материала
истирают волокнистую массу. Измеряют значения силы трения,
температуры образца и электростатического заряда на волокнистой
массе, по которым определяют диапазон допускаемых значений
давления и скорости скольжения для испытуемого материала.
Ускоренные ресурсные испытания с периодическим форсированием режима (ГОСТ 23.205–79). Испытания каждого образца проводят при последовательном ступенчатом чередовании нормального и форсированного режимов.
Метод определения смазывающих свойств на четырехшариковой машине (ГОСТ 9490–75). Заключается в испытании смазочного материала на четырехшариковой машине при заданных
осевых нагрузках и определении индекса задира, критической нагрузки, нагрузки сваривания и показателя износа.
Метод экспериментальной оценки температурной стойкости
смазочных материалов при трении (ГОСТ 23.221–84). При ступенчатом повышении температуры смазочного масла реализуют
трение скольжения под заданной нагрузкой между одним вращающимся и тремя неподвижными шариками, погруженными в испытываемое масло. Критическую температуру определяют в момент
возникновения скачкообразного изменения коэффициента трения.
Метод оценки служебных свойств смазывающих масел и присадок к ним с использованием роликовых испытательных устано49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вок [23]. При испытаниях смазывающее масло рассматривают с
двух позиций:
а) как вещество, при этом в качестве показателей используют
кинематическую вязкость смазывающего масла при атмосферных
условиях и температуре поверхностей трения, пьезокоэффициент
вязкости (испытания по схеме «ролик — ролик»);
б) как объект, предназначенный для реального узла трения машины и механизма с соответствующими нагрузками, скоростями,
температурами, средами и другими параметрами испытания по
схеме «колодка — ролик», при этом в качестве показателей используют момент трения (коэффициент трения), суммарный износ
испытуемых образцов, температуру поверхности трения, температуру масла.
Метод допускает также испытания образцов из металлических
материалов с разными технологиями обработки поверхности.
Кроме стандартизированных методов оценки триботехнических свойств конструкционных смазочных материалов в практике
испытаний применяется множество нестандартных методов.
Нестандартные способы испытаний материалов при трении
о свободный абразив нашли применение при выборе материалов,
работающих при непосредственном взаимодействии с почвой, рудой, углем, строительными материалами, в условиях повышенного
износа и др. Наиболее распространенными из них являются способ гильзы, способ Мелле, способ крыльчатки, способ вращающейся чаши, способ шаровой машины, вращающийся барабан, схема
центробежного ускорителя и др. [18—20].
При решении многих задач специального машиностроения широкое распространение получили следующие методы:
Метод триботехнических испытаний в вакууме при фрикционном разогреве путем ступенчатого изменения частоты вращения
образца. Вращающийся и неподвижный кольцевые образцы исследуемого сочетания материалов устанавливают соосно, прижимают
друг к другу торцевыми рабочими поверхностями с заданной осевой нагрузкой, ступенчато изменяют температуру фрикционного
разогрева путем ступенчатого изменения частоты вращения образца и определяют значения коэффициента трения и интенсивности
изнашивания для каждой ступени температуры фрикционного разогрева, а о фрикционной теплостойкости судят по зависимости
этих величин от температуры.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метод триботехнических испытаний конструкционных
материалов для пар трения технологического оборудования
(НИИТСХМ, ИМАШ РАН). При различных видах движения в паре
проводят сравнительные испытания при ступенчато повышаемых
давлениях до появления катастрофических износов образцов, задиров или значительного повышения коэффициента трения. О несущей способности пары судят по предельно допустимому значению
давления, предшествующему износу пары. О износостойкости материалов судят по интенсивности изнашивания, определяемой по
потере массы каждого из образцов пары при определенном значении давления. Метод применяют для сравнительных испытаний
масел, пластичных смазок и присадок к смазочным материалам
в парах трения из разных конструкционных материалов. Этот
метод допускает также проведение сравнительных испытаний
разнообразных материалов после поверхностных обработок (в
частности, азотирования).
Метод испытаний сопряжения «торец поршневого кольца — канавка поршня». При одинаковых условиях осуществляют возвратно-поступательное движение одной из деталей пары
относительно другой с малыми перемещениями при смазывании
смазочными материалами. В процессе испытаний определяют силу трения в контакте испытуемых образцов, износ массы образцов
и температуру рабочей поверхности образцов.
Триботехнические характеристики испытуемых пар трения
сравнивают с триботехническими характеристиками эталонных
пар, испытания которых проводят параллельно с испытываемыми.
Метод триботехнических испытаний сопряжений «вкладыш
подшипника — шейка коленчатого вала» (ИМАШ РАН). Испытания сопряжения проводят при постоянном давлении в контакте в
режиме пуска-останова с капельной подачей в зону трения смазочного масла. Регистрируют момент трения, износ массы вкладышей,
износ образца-шейки, температуру в зоне трения.
2.4. Методы определения износа
Рассмотрим основные методы оценки износа.
Измерение износа по потере массы. Это наиболее распространенный в практике и простой метод. С его помощью оценивают
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
износ, связанный с удалением продуктов изнашивания:
Δh = Δm/ρAa ,
где Δm — потеря массы; ρ — плотность вещества; Аа — площадь
поверхности трения. Износ Δh — измеряется в единицах длины
(линейный износ), т. е. представляет собой толщину изношенного
слоя.
Измерение износа микрометрированием. Размеры образцов в
определенных направлениях до и после трения измеряют микрометром и по разности линейных величин оценивают износ.
В практике лабораторных исследований применяют ряд стандартизированных методов оценки износа по ГОСТ 27860–88 «Детали трущихся сопряжений. Методы измерения износа», к которым
относятся следующие.
Метод поверхностной активации и радиоактивных марок.
Поверхность исследуемой детали или вставок в крупногабаритные детали перед испытаниями подвергают бомбардировке γизлучением, в процессе испытаний измеряют уменьшение интенсивности γ-излучения, по которому оценивают линейный износ.
Метод активационного анализа смазочных материалов. Поверхность испытуемой детали перед испытаниями подвергают
бомбардировке γ-излучением, в процессе испытаний за счет ионизированных продуктов изнашивания увеличивается радиоактивность смазочного материала, по которой судят об износе детали.
Метод спектрального анализа смазочных масел. Основан на
отборе и анализе проб масла, смазывающего поверхности трения.
Оценка износа проводится по уменьшению интенсивности сцинтилляций масла, находящегося под действием источника ионизирующего излучения, по мере увеличения количества продуктов изнашивания в анализируемых пробах масла равного объема.
Измерение износа методом профилографирования. Износ
определяют по профилограммам, как разность высот профиля до
и после трения.
Метод вырезанных лунок. На поверхности трения создаются
углубления известной геометрической формы, закономерно сужающиеся в глубину тела детали и позволяющие по уменьшению
их размера на поверхности (при изнашивании детали) оценивать
износ.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лунку вырезают передней гранью вращающегося алмазного
трехгранного резца на поверхности образца. Длину вырезанной
лунки измеряют при помощи микроскопа.
Измерив длину лунки на плоской поверхности и зная радиус r
от оси вращения резца до его вершины, можно вычислить глубину
лунки h = l2 /8r.
Схема, показанная на рис. 8, поясняет, как определяется линейный износ плоской поверхности с помощью этого метода. Положим, что начальная длина лунки была равна l1 (поверхность А),
ее глубина h1 , а в результате изнашивания получилась новая поверхность Б с длиной лунки l2 и глубиной h2 . Значение линейного
износа Δh определяют как разность глубин лунки h1 и h2 :
Δh = h1 − h2 = 0,125(l12 − l22 )/r.
Рис. 8. Схемы вырезания лунки (а) и измерения износа с помощью вырезанной лунки (б):
1 – трехгранный алмазный резец; 2 – исследуемая рабочая поверхность; 3 – вырезанная лунка; XX – ось вращения резца; EF – длина лунки; ОО – радиус
вращения вершины резца, А и Б – поверхности трения до и после изнашивания
Если лунка вырезана на цилиндрической поверхности так, что
ее длина расположена перпендикулярно к образующей, то глубину
лунки для вогнутой поверхности (например, цилиндров двигателей) определяют по формуле
h = 0,125l2 (1/r − 1/R),
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где R — радиус цилиндрической поверхности, на которой вырезается лунка.
Износ цилиндра:
1
1
2
2
−
.
Δh = 0,125(l1 − l2 )
r R
Если же лунка вырезана на цилиндрической выпуклой поверхности так, что ее длина нормальна к образующей (например, на
наружной цилиндрической поверхности поршневого кольца), то
глубину ее определяют по формуле
1
2 1
+
.
h = 0,125l
r R
Тогда износ поршневого кольца
1
1
+
.
Δh = 0,125(l12 − l22 )
r R
Для вырезания лунки служит специальный вырезающий механизм (ГОСТ 23.301–78).
Для нахождения лунок при повторных измерениях предусмотрена система перемещений, позволяющая обозначать координатами место вырезанной лунки и устанавливать прибор так, чтобы
навести микроскоп на это место.
Следует отметить, что кроме описанных выше способов оценки величины износа, высокую достоверность измерений суммарного износа обеспечивают специальные приспособления, например устройство для непрерывного автоматического фиксирования суммарного износа испытуемых образцов (ГОСТ 23.216–84).
Схема устройства показана на рис. 9. Устройство работает следующим образом. В результате износа испытуемых образцов происходит опускание штока и перемещение связанного с ним ползунка потенциометра, что приводит к разбалансировке мостовой схемы и на
регистрирующий прибор подается сигнал, прямо пропорциональный изменению размеров образцов (суммарному линейному износу). Максимальная чувствительность устройства равна 0,5 мкм.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9. Схема устройства для непрерывного автоматического фиксирования суммарного износа испытуемых образцов:
1 – герметичная крышка корпуса; 2 – потенциометр; 3 – ползунок потенциометра; 4 – шток; 5 – корпус; 6 – камера с испытуемой парой трения; 7 – рычаг
нагружения; 8, 9 – испытуемые образцы
2.5. Методы оценки коэффициента трения
ГОСТ 27640–88 «Материалы конструкционные и смазочные.
Методы экспериментальной оценки коэффициента трения» содержит описания методов определения прочности адгезионной связи
твердых тел при трении; определения коэффициента трения при
ударе и оценки коэффициента трения качения.
Метод определения прочности адгезионной связи твердых тел.
Цилиндрический образец с торцом сферической формы из более
твердого материала исследуемого сочетания трущихся материалов
устанавливают в направлении нормали к поверхности плоского
контробразца из менее твердого материала, вдавливают с силой,
вызывающей пластическую деформацию последнего, вращают относительно оси, направленной по нормали к поверхности контробразца, измеряют моменты, развиваемые силами трения в контакте образца и контробразца, разгружают образцы и измеряют
размеры отпечатков на контробразце. Затем испытание повторя55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ют при другой нагрузке и по результатам измерений определяют
прочность адгезионной связи.
Метод определения коэффициента трения при ударе. Свободно падающий с заданной высоты вращающийся с требуемой частотой вокруг горизонтальной оси образец соударяется с горизонтальной плоскостью неподвижного образца, отскакивает от него.
По значениям длины и продолжительности полета вращающегося
образца в результате отскока от неподвижного вычисляют коэффициент трения.
Метод оценки коэффициента трения качения. Заключается в
измерении затухающих во времени амплитуд свободных колебаний
маятника со стальными шаровыми опорами, установленными на
плоской поверхности образца из исследуемого материала.
Современное триботехническое оборудование оснащается компьютеризированными средствами измерения коэффициентов трения, основанными на методах преобразования неэлектрических
физических величин в электрические величины [24].
2.6. Критерии оценки результатов испытаний
Основными критериями оценки триботехнических характеристик являются интенсивность изнашивания (критерий износостойкости) и коэффициент трения (критерий механических потерь при
трении — отношение силы трения к значению нормальной силы).
По ГОСТ 27674–88 интенсивность изнашивания Ih — это отношение толщины изношенного слоя h к пути L, на котором оно
происходило, т. е. Ih = h/L при конкретных оговариваемых условиях испытаний (масло, абразив, температура образцов, нагрузка
и т. п.).
В действующих ГОСТах и рабочих документах для оценки износостойкости материалов определяют интенсивности изнашивания каждого образца пары трения или одного из них. Если при
испытаниях определяют потерю массы каждого из испытуемых
образцов, интенсивность изнашивания Ih для элементов пар трения вычисляют по формулам, приведенным ниже.
Для образцов 1 с меньшей площадью поверхности возвратнопоступательных пар трения (например, поршень, кольцо) за период
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
испытаний с числом циклов n интенсивность изнашивания определяют по формуле
Δq1
Δq1
h1
=
,
Ih1 =
=
2nB
2 γ1 nBblk1
2 γ1 nBAa
где h1 — толщина изношенного слоя образца 1 за n циклов;
Δq1 — потеря массы образца 1 за n циклов; B — длина хода подвижного образца; 2B — путь трения для всех точек поверхности
трения образца 1 за цикл; lk1 — размер образца 1 в направлении
относительного перемещения; b — размер образца в направлении,
перпендикулярном относительному перемещению, определяющий
номинальную площадь контакта пары; Аа = lk1 b — номинальная площадь контакта пары (рабочая площадь образца 1); γ1 —
плотность образца 1.
Для образцов 2 (с большей поверхностью трения, например
гильзы) за период испытаний с числом циклов n интенсивность
изнашивания I2 находят следующим образом:
Δq2
Δq2
h2
=
=
,
Ih2 =
2nlk1
2 γ2 nlk1 Bb
2 γ2 nBAa
где 2lk1 — наибольший путь трения поверхности образца за один
цикл; h2 — среднее значение толщины изношенного слоя образца
2 за n циклов; Δq2 — потеря массы образца 2 за n циклов; γ2 —
плотность образца 2.
Для пар трения вращательного движения по схеме «колодка —
ролик» при определении потери массы каждого из испытуемых
образцов интенсивность изнашивания определяют по следующим
формулам.
Для колодок за период испытаний с числом оборотов n
Δq1
h1
Ih1 =
=
,
L1
2 πRnF γ1
где h1 — толщина изношенного слоя образца-колодки за n оборотов (принимаем равномерным по поверхности трения образцаколодки); Δq1 — потеря массы образца за n оборотов; L1 = 2πRn —
путь трения образца за n оборотов; R — радиус образца ролика;
F = lb — номинальная площадь контакта пары (площадь образцаколодки); l — размер образца-колодки в направлении относительного перемещения; b — размер образца-колодки в направлении,
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перпендикулярном относительному перемещению; γ1 — плотность
материала образца-колодки.
Для образца-ролика за период испытаний с числом оборотов n
интенсивность изнашивания определяется по соотношению
Ih2 =
Δq2
h2
=
,
L2
2 πRnbl γ2
где h2 — средняя толщина изношенного слоя образца-ролика за
n оборотов; L2 = l — наибольший путь трения точек поверхности образца-ролика за один оборот; Δq2 — потеря массы образцаролика за n оборотов; γ2 — плотность материала образца-ролика.
При торцевом трении
Δh
Ih =
,
2 πrср n
где Δh — средний линейный износ за n циклов испытаний;
rср — средний радиус площади контакта; n — суммарное количество оборотов подвижного образца.
В случае вытирания лунки цилиндрическим образцом на плоском образце при измерении суммарного износа средние интенсивности изнашивания (Ihi ) при числе оборотов n вычисляют по
формуле
hi
Ihi =
,
30 πni
где hi — среднее значение перемещений, мм.
Кроме интенсивности изнашивания по результатам испытаний оценивают относительную износостойкость. При взвешивании образцов до и после испытаний определяют среднее арифметическое значение потери массы qэ эталонных образцов и среднее
арифметическое значение qи потери массы образцов испытуемого
материала по формулам
m
qэ =
i=1
qэi
m
i=1
qиi
; qи =
,
m
m
где qэi , qиi — значение потерь массы при испытаниях эталонных образцов и образцов испытуемого материала, m — количество
образцов испытуемых материалов.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Относительную износостойкость Ки исследуемого материала
вычисляют по формуле
qэ γи nи
,
Kи =
qи γэ nэ
где γэ , γи — плотности эталонного и исследуемого материалов,
г/см3 ; nэ , nи — число оборотов ролика при испытаниях эталонного
и исследуемого материалов.
При измерении размеров образцов до и после испытаний относительную износостойкость ( ε) находят по формуле
Δhэ dэ 2
ε=
,
Δhи dи
где Δhэ — абсолютный линейный износ эталонного образца (толщина изношенного слоя); Δhи — абсолютный линейный износ испытуемого образца; dэ — фактический диаметр эталонного образца; dи — фактический диаметр испытуемого образца.
При равенстве плотностей материалов эталонного и испытуемого образцов отношение абсолютных линейных износов допускается заменять отношением абсолютных потерь масс. Допускается
пересчитывать массовые износы в линейные с учетом плотностей
материалов образцов, когда невозможно точно измерить абсолютные линейные износы, а также при различных значениях плотности эталонного и испытуемого образцов. За результат испытания
материала принимают относительную износостойкость ( ε), вычисленную как среднее арифметическое результатов двух идентичных опытов.
В действующих ГОСТах и рабочих документах для оценки
износостойкости применяют дополнительные показатели: истирания, износа, фрикционного упрочнения и фрикционной стабильности.
Рентгенографически оцениваемыми параметрами структурного состояния поверхностного слоя является физическое уширение
интерференционных линий на рентгенограмме и период кристаллической решетки. Для металлов и равновесных твердых растворов физическое уширение рентгеновских линий ( β) определяется
совместным действием двух основных факторов: наличием в кристалле малых областей когерентного рассеяния (блоков) и микро59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деформацией кристаллической решетки. В общем случае
β = mn
G (x)H (x) dx,
где m — изменение ширины, обусловленное малыми размерами
блоков (D); n — изменение ширины, вызванное микродеформацией кристаллической решетки; x — коэффициент, учитывающий
пропорциональность измерения и записи углов отражения; G(x)
и Н (х ) — функции распределения интенсивности для m и n. При
этом
λ
Δd
tg ϑ,
m≈
иn=4
d
D cos ϑ
Δd
= е — среднее
где λ — длина волны рентгеновского излучения;
d
значение микродеформации кристаллической решетки.
Физическое уширение рентгеновских линий связано также с
плотностью дислокаций ρ в поликристалле. Уширение от хаотически распределенных дислокаций определяют по соотношению
√
β = 1, 4b ρ tg ϑ,
где b — вектор Бюргерса; ρ — плотность дислокаций.
При учете характера распределения дислокаций и взаимного
влияния их полей взаимосвязь β и ρ имеет вид
√ √
β = ρb t f (ν, hkl) tg ϑ,
где функция f (ν, hkl) учитывает упругие ν и ориентационные hkl свойства дислокаций, t — логарифмическая функция,
слабозависящая от ρ и размера кристаллитов. Следовательно,
m1 β2 ctg2 ϑ
, коэффициент m1 определяют исходя из ожидаρ=
b2
емого соотношения долей краевых и винтовых дислокаций, типа
кристаллической решетки, индексов отражения (hkl) и значений
упругих характеристик.
Для сплавов следует указать третий фактор, вносящий вклад в
уширение рентгеновских линий — это неоднородность химического состава. Неоднородность химического состава сплавов приводит к локальным изменениям периодов кристаллической решетки
(а следовательно, и межплоскостных расстояний) и потому вы60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зывает дополнительное уширение линий. Его можно также качественно определить по соотношению
Δd
tg ϑ,
d
но разделение вкладов различного происхождения в значение β
требует специальной постановки работы. В общем случае следует
рассматривать физическое уширение рентгеновских линий как результат трех составляющих: среднего размера блоков когерентного
рассеяния; среднего значения микродеформации кристаллической
решетки и составляющей микродеформации неоднородности химического состава.
Значение периода кристаллической решетки указывает на фазовый состав зоны деформации и характер макро- и микроскопических диффузионных процессов.
Для описания процессов, происходящих при трении, с позиций
изменения параметров структурного состояния металла необходимо также отметить установленные зависимости между характеристиками механических свойств и параметрами структуры [11].
Предел текучести металла (σs ), размер блока мозаики D и
Δd
микродеформации кристаллической решетки
связаны зависиd
мостями типа
√
Δd
.
σs = α1 D,
σs = α2
d
Физическое уширение интерференционных линий на рентгенограмме связано с остаточной деформацией ( δ) соотношением
типа
√
β = β0 + A δ,
где β0 — уширение до деформации; А — постоянная.
В свою очередь, остаточная деформация связана с твердостью
Н выражением
√
H = H0 + b δ.
Поэтому, имея экспериментальные данные по физическому
уширению рентгеновских линий, можно трактовать характер их
изменения с позиций деформационных процессов. Изменение
фазового состава и диффузионные процессы, характерные для
трения, свидетельствует о протекании в зоне контактного взаимодействия физико-химических процессов.
β=4
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. ПРИМЕР ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
Традиционно качество материалов и покрытий деталей узлов
трения оценивают характеристиками потерь на трение и износ,
задиростойкостью, значением адгезии, т. е. критериями макроскопического масштаба [25]. Значения этих критериев получают при
триботехнических испытаниях и анализе процесса трения на макроскопическом уровне. Каждый из указанных критериев (характеризующих в целом качество сопряжения, а при сравнительных
испытаниях — качество покрытия) является необходимым, но не
достаточным триботехническим параметром.
Необходимым и достаточным комплексом параметров качества
зоны трения является совокупность феноменологических макроскопических (указанных выше) и микроскопических (например,
оцениваемых рентгенографически физического уширения рентгеновских линий и периода кристаллической решетки) [11].
В работе [26] проанализированы связи между феноменологическими структурными критериями качества сопряжения в рамках системно-структурного анализа. Показано, что наиболее общий феноменологический критерий знака градиента механических
свойств материала по глубине зоны деформации при трении регулирует направление развития трибосистемы, а структурные критерии выступают в качестве показателей состояния ее самоорганизации. Следовательно, совокупность микроскопических и макроскопических показателей характеризует физику и механику процесса
трения материала на разных иерархических уровнях, что и дает
наиболее полную информацию о качестве поверхностного слоя.
Для примера рассмотрим применение комплексного подхода к
оценке качества покрытий из медного сплава на стали 50Г, полученных методом финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) [27].
На лабораторной машине реверсивного трения скольжения
77МТ-1 при средней скорости 0,1 м/с и давлении 30 МПа в масле
М10Г2 К испытывали пару трения сталь 50Г с покрытием ФАБОчугун с электролитическим покрытием хромом. Самоустанавливающийся образец из чугуна с толстым хромовым покрытием был
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неподвижным и через него передавалось давление на совершающий реверсивное движение образец из стали 50Г с тонким исследуемым антифрикционным покрытием. Покрытие наносилось на
сталь в нормализованном состоянии и в состоянии закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Износ образцов определяли
весовым методом. До и после окончания испытаний с помощью
профилографа-профилометра оценивали микрогеометрию поверхности. Исследование структурных изменений и массопереноса в
поверхностных слоях проводили с помощью метода скользящего
пучка рентгеновских лучей.
На рис. 10, а, б приведены результаты триботехнических испытаний. Видно, что микрогеометрические характеристики образцов
нормализованной и закаленной стали после антифрикционной обработки улучшаются (см. рис. 10, б), а в процессе установившегося
режима трения степень сглаживания поверхности уже практически
не зависит от предыстории образцов. Интенсивности изнашивания
при трении в идентичных внешних условиях стали в нормализованном и закаленном состоянии отличаются примерно на порядок,
что связано с более высокой твердостью поверхностного слоя после закалки с нагрева ТВЧ. Финишная антифрикционная обработка по-разному влияет на уровень поверхностного разрушения. Износ закаленных образцов оказывается выше, особенно на стадии
приработки, но уже после 75 ч испытаний кривые зависимости
I = f (τ) сливаются в одну, соответствующую режиму установившегося трения. Обработка образцов из нормализованной стали
приводит к тому, что в установившемся режиме трения износ оказывается на порядок ниже. При этом уровень износа после ФАБО
нормализованной и закаленной стали в установившемся режиме
трения практически одинаковый.
Таким образом, совокупность лабораторных триботехнических
характеристик не выявляет преимущественный способ обработки
стали. Для этого есть два основных пути: проведение стендовых
и натурных испытаний (что сопряжено с большими материальными и энергетическими затратами) и металлофизические экспрессисследования поверхности, которые дают возможность прогнозировать работоспособность модифицированного слоя.
Рассмотрим второй путь. Поверхностные слои стали после обработки представляют собой своеобразный композиционный мате63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Интенсивности изнашивания (а) и фрагменты профилограмм (б)
поверхности образцов стали 50Г:
1 – нормализованное состояние; 2 – нормализация и ФАБО; 3 – закалка с нагрева
ТВЧ; 4 – закалка и ФАБО; 5 – после трения для всех видов обработки (1 – 4)
риал, состоящий из покрытия на основе меди (формируемого латунным прутком) и модифицированного подповерхностного слоя
на основе α-Fe, расположенных на подложке из исходной стали
50Г. По изменению физического уширения линий β(220) (рис. 11)
нормализованной стали после ФАБО также можно выделить особую зону размером до 3 мкм (модифицированный слой) с другим
значением градиента β: |gradβн | = 1,6·10−3 рад/мкм, |gradβн+ф | =
= 2,9 · 10−3 рад/мкм, т. е. в результате антифрикционной обра64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 11. Изменение физического уширения рентгеновских линий β(220)
стали 50Г по глубине поверхностных слоев:
1 – нормализованное состояние; 2 – нормализация и ФАБО; 3 – закалка с нагрева
ТВЧ; 4 – закалка и ФАБО
ботки градиент физического уширения по толщине слоя от 1 до
3 мкм возрастает в 1,8 раза. Поверхностный слой после ФАБО
закаленной стали имеет свои особенности: во-первых, значения
β(220) для всех исследуемых толщин ниже, чем после закалки с
нагрева ТВЧ, во-вторых, градиент плотности дефектов решетки
матрицы меньше единицы, а отношения градиентов после закалки
и после закалки с ФАБО незначительно отличаются от единицы,
т. е. |gradβ3 | ≈ 0,3; |gradβ3+ф | ≈ 0,4.
Следовательно, многослойный поверхностный микрообъем
сталей соответствует наиболее общему феноменологическому
критерию качества материала триботехнического назначения —
правилу знака градиента механических свойств по нормали к
поверхности трения. Известно, что при положительном градиенте установившийся режим трения сопровождается более низким
уровнем разрушения поверхности, чем при отрицательном. Обеспечивая указанные выше изменения характеристик структурного
состояния поверхностного микрообъема (и, следовательно, опре65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деленных механических свойств — твердости, предела текучести,
прочности и пластичности), ФАБО создает предпосылки для повышения триботехнических характеристик изделий по сравнению
со стандартной обработкой.
Для выявления преимуществ ФАБО в условиях разной предварительной термической обработки стали проводили анализ физического уширения разных рентгеновских линий по методу Холла.
Подбор аппроксимирующих функций и построение зависимостей
типа β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ), λ — длина волны излучения,
параметр (γ = E(hkl) /E(001) ) характеризует анизотропию модуля
Юнга E, позволяют получить прямые линии, дающие информацию
о средних значениях составляющих физического уширения линий. Для концентрационно-неоднородных твердых растворов прямолинейность этой зависимости нарушается, так как физическое
уширение возрастает за счет дополнительной составляющей, отражающей неоднородность химического состава, которая изменяет
профиль рентгеновской линии и ее радиальное уширение. Следовательно, анализируя графический вид зависимостей Холла, можно
судить о превалирующем процессе в структурных изменениях при
деформации твердых растворов.
Для поверхностных слоев стали после термической обработки зависимости β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ) практически прямолинейны для всего анализируемого микрообъема (рис. 12, а, в).
Для образцов, подвергнутых ФАБО, линейность представленной
зависимости сохраняется только для слоев толщиной более 4,5
мкм (рис. 12, б, г). Для слоев меньшей толщины прямолинейность
функции нарушается, и с уменьшением расстояния от свободной
поверхности на прямых наблюдается выраженный перелом. Этот
экспериментально выявленный факт свидетельствует о том, что
значения физического уширения рентгеновских линий имеют составляющую, связанную с неоднородностью химического состава
сплава, вызванного массопереносом в зоне деформации при обработке. При этом результаты микроспектрального анализа подповерхностного слоя стали показали присутствие атомов меди, цинка, олова, т. е. тех элементов, которые входят в состав обрабатывающего инструмента (латуни) и технологической жидкости.
Следует подчеркнуть, что формирующийся подповерхностный модифицированный слой имеет различное структурное со66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 12. Графическое преобразование физического уширения линий
β(hkl) по методу Холла:
а – нормализованное состояние; б – нормализация и ФАБО; в – закалка с нагрева
ТВЧ; г – закалка и ФАБО (1, 2, 3, 4, 5, 6 – толщина слоя 0,5; 2; 4,5; 7,5; 1; 3 мкм
соответственно)
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стояние в зависимости от вида предварительной термической
обработки, на что указывает инверсия перегиба на зависимостях β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ), соответствующих стали,
подвергнутой ФАБО в закаленном состоянии. Хотя на рентгенограммах подповерхностного модифицированного слоя в обоих
случая не обнаружено новых фаз, а наблюдается только изменение
угла дифракции ϑ фазы α-Fe в результате воздействия ФАБО, оно
также зависит от вида предварительной термической обработки
стали.
На рис. 13 показано изменение периода кристаллической решетки матрицы по толщине поверхностных слоев, вызванное антифрикционной обработкой (Δaн = аф − ан , Δа 3 = аф − атвч ).
Видно, что в обоих случаях только на расстоянии от поверхности, равном примерно 3 мкм, значение Δа приближается к нулю
(параметр решетки соответствует исходному после термической
обработки состоянию), в слоях, толщиной менее 3 мкм наблюдается повышение значения Δа. Судя по абсолютному значению Δа, а
также точности метода определения а, это изменение есть результат не только зональных напряжений, вызванных неравномерным
поверхностным нагревом и охлаждением, пластической деформацией. Основная причина — внедрение в решетку α-Fe атомов из
фрикционного стержня (обрабатывающего инструмента) и технологической жидкости, что, как отмечалось, было подтверждено микроспектральным анализом. В результате формируется модифицированная зона с решеткой матрицы. Ее структурное состояние для
закаленной основы характеризуется химическим составом: значения Δа примерно в три раза меньше, чем для модифицированной
зоны на нормализованной подложке.
Различия структурного состояния модифицированной зоны до
трения обусловливают зависимость изменений в процессе трения
от вида предварительной термической обработки. При трении нормализованной стали собственно покрытие обеспечивает более мягкие условия приработки, и на этой стадии оно изнашивается (после завершения стадии приработки на рентгенограммах покрытие
не регистрируется). Изменяется также состав подповерхностной
зоны. Как следует из рис. 12, толщина модифицированного слоя
после длительных испытаний в установившемся режиме трения
уменьшилась до 1 мкм и степень насыщения решетки матрицы
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 13. Изменение периода кристаллической решетки стали 50Г по толщине поверхностных слоев:
а – нормализация и ФАБО; б – закалка и ФАБО (1 – до трения; 2 – после трения)
чужеродными атомами уменьшилась примерно в три раза. Однако при этом сохраняется колебательный характер зависимости
Δа = f (h), но с меньшей амплитудой, чем в состоянии до трения. Таким образом, на основе совокупности триботехнических и
структурных характеристик можно предположить, что трение нормализованной стали с покрытием, полученным ФАБО, сопровождается не только более мягкими условиями приработки по сравнению со сталью без покрытия, но и проявлением специфических
«защитных функций» модифицированного слоя, состоящих в перераспределении внедренных атомов, распространении их на большую глубину и постоянном создании новой модифицированной
зоны. Совокупность этих явлений обеспечивает повышение работоспособности и долговечности поверхностного слоя.
При трении закаленной стали с покрытием процессы в модифицированном слое иные. Как показывает изменение периода решетки Δа (см. рис. 12), в процессе небольшого пути трения модифицированная зона износилась и новая не образовалась. Исчезновение
эффекта положительного влияния как собственно покрытия, так
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и модифицированного слоя определяет знак, причину изменения
и абсолютные значения Δа. Изменение периода решетки твердого
раствора в слоях, прилегающих к межфазной границе раздела, обусловлено в основном влиянием сил адгезионного взаимодействия
при трении [28].
Совокупность макро- и микроскопических критериев качества
узла трения, в котором поверхность образцов из стали 50Г в закаленном и нормализованном состоянии обработана по методу
ФАБО в одном технологическом режиме, позволяет выявить принципиальные различия в качестве покрытий, механизме контактного взаимодействия при трении и уровне разрушения сопряженных
поверхностей.
При трении нормализованной стали существенным является
процесс массопереноса элементов фрикционного стержня и технологической жидкости (меди, цинка, олова) в деформируемый
микрообъем и формирование вторичных модифицированных зон.
Они имеют особые параметры структуры, обеспечивающие работоспособность материала и долговечность трибосопряжения.
При трении закаленной стали с покрытием вплоть до установившегося режима трения происходит постепенный процесс изменения площади контактирования за счет вовлечения участков с
мягким слоем, а вследствие недостаточной податливости матрицы при повторном деформировании происходит его разрушение.
Следовательно, роль покрытия в основном состоит в формировании площади фактического контакта (разрушение идет за счет
покрытия), а в установившемся режиме механизм контактирования определяет матрица (уровень износа такой же, как и в стали
без покрытия). С отсутствием вторичных модифицированных зон,
формирующихся в процессе трения, связано ограничение по времени положительной роли покрытий, получаемых методом ФАБО
на закаленной подложке.
В итоге можно предложить некоторую последовательность
процедуры оценки качества триботехнических покрытий:
• неразрушающим методом послойного анализа структуры поверхностных слоев толщиной 0,01. . . 10 мкм выявляются характерные параметры структурного состояния материала
приповерхностных микрообъемов: β(hkl) = f (h), |gradβ(hkl) |,
β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ), Δa = f (h). Одним из средств
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выявления указанных параметров и зависимостей может служить
метод скользящего пучка рентгеновских лучей. На этой стадии
выбирают такие технологические режимы ФАБО, которые обеспечивают оптимальные структурные характеристики покрытий;
• оценивают триботехнические характеристики пары трения
с оптимальными структурными параметрами покрытий по схеме,
выбранной из условия максимального приближения к реальным
условиям эксплуатации. На этой стадии выявляют триботехнические характеристики покрытий и корректируют технологические
режимы ФАБО;
• выявляют наиболее значимые характеристики структурного состояния зоны деформации изнашивающегося образца пары
трения на стадии испытаний в установившемся режиме. По совокупности макроскопических характеристик, отражающих механизм контактного взаимодействия, и микроскопических, выявляющих физическое состояние материала зоны деформации и уровень
самоорганизации системы, прогнозируют работоспособность пары
трения в условиях эксплуатации реальных узлов.
Разработанный комплексный структурный и триботехнический
метод контроля качества антифрикционных покрытий позволили значительно сократить и упростить цикл доведения оптимальной технологии триботехнического назначения до промышленной
практики; он может быть также полезен при решении многих задач
трения, износа и смазки машин.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Проников А.С. Параметрическая надежность машин. М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
2. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / В.Д. Зозуля, Е.Л. Шведков, Д.Я. Ровинский, Э.Д. Браун. Киев:
Наук. думка, 1990.
3. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977.
4. Крагельский И.В., Добычин Н.М., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.
5. Тушинский Л.И., Потеряев Ю.П. Проблемы материаловедении
в трибологии. Новосибирск: Изд-во Новосибирского электротехнич.
ин-та, 1991.
6. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.:
Металлургия, 1976.
7. Поверхностная прочность материалов при трении / Б.И. Костецкий, И.Г. Носовский, А.К. Караулов и др. Киев: Технiка, 1976.
8. Владимиров В.И. Проблемы физики трения и изнашивания // Сб.
Износостойкость поверхности металлов. Л.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе
АН СССР, 1988.
9. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учеб. для техн.
вузов / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше и др. М.: Машиностроение, 2001.
10. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника.
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
11. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость
металла. М.: Машиностроение, 1982.
12. Костецкий Б.И., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и
трение в машинах. Киев: Техника, 1969.
13. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.:
Машиностроение, 2000.
14. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность). М.: Издво МСХА, 2001.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15. Дьяченко П.Е., Вайнштейн В.Э., Розенбаум Б.С. Количественная оценка неровностей обработанных поверхностей. М.: Изд-во АН
СССР, 1952.
16. Приборы и методы физического металловедения / Под ред.
Ф. Вайнберга; Пер. с англ. М.: Мир, 1973.
17. Беркович Е.С., Крапошина Л.Б. Новый прибор ИМАШ — глубиномер ннтерференционный для испытания на микротвердость по
глубине отпечатка. Примеры его применения // Новое в области испытаний на микротвердость. М.: Наука, 1974.
18. Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира / Под ред. проф. В.С. Кершинбаума.
М.: Центр «Наука и техника», 1993.
19. Методы испытаний на трение и износ / Л.И. Куксенова,
В.Г. Лаптева, А.Г. Колмаков и др. М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
20. Комбалов В.С. Методы испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: Справ. / Под ред. К.В. Фролова,
Е.А. Марченко. М.: Машиностроение. 2008.
21. Петрусевич А.И., Генкин М.Д., Гринкевич В,К. Динамические
нагрузки в зубчатых передачах с прямозубыми колесами. М.: Изд-во
АН СССР, 1956.
22. Гришко В.А. Повышение износостойкости зубчатых передач.
М.: Машиностроение, 1977.
23. Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки служебных свойств смазочных масел и присадок к ним с использованием
роликовых испытательных установок: Метод. указания. М.: Госстандарт СССР, 1980.
24. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы
измерений: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.
25. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справ. М.: Машиностроение, 1986.
26. Савенко В.И., Щукин Е.Д. О соотношениях между феноменологическими и структурными критериями работы узлов трения //
Трение и износ. 1987. № 4. С. 581–589.
27. Куксенова Л.И., Рыбакова Л.М. Рентгеноструктурный и триботехническнй методы контроля качества антифрикционных покрытий // Заводская лаборатория — Диагностика материалов. 1999. № 1.
С. 19–24.
28. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном
взаимодействии: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1986.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Основы трибологии и триботехники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Основные термины, понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Основы молекулярно-механической теории внешнего трения
1.3. Свойства поверхностных слоев при трении . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Основные направления повышения износостойкости конструкционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Методы исследования поверхностей трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Определение геометрических характеристик поверхностей .
2.2. Исследование структуры и свойств поверхностных слоев при
трении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Методы триботехнических испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Методы определения износа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Методы оценки коэффициента трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Критерии оценки результатов испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Пример оценки качества антифрикционных покрытий . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5
5
14
18
23
28
28
36
42
51
55
56
62
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Куксенова Лидия Ивановна
Лаптева Валерия Григорьевна
Герасимов Сергей Алексеевич
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ ТРЕНИИ
Редактор С.А. Серебрякова
Корректор Г.С. Беляева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 15.11.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 4,42. Тираж 200 экз. Изд. № 155.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ДЛЯ ЗАМЕТОК
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
1 061
Размер файла
797 Кб
Теги
метод, поверхностные, слоев, исследование, трение
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа