Файл: Износа и смазки.pdf

29 2. Тип направления неровностей. Указывается только в ответст- венных случаях, когда необходимо по условиям работы детали или сопряжения.
Стандартом предусмотрено 14 классов шероховатости. В табли- це 2.1 для примера приведены данные шероховатости наиболее от- ветственных деталей двигателя внутреннего сгорания автомобилей.
Таблица 2.1
Характеристики шероховатости
Деталь
Класс
R
a
, мкм r, мкм
R
max
, мкм
Гильза цилиндра
9 0,04 100 1,2
Коленвал (шейки)
9 0,05 500 1,6
Поршневое кольцо
9 0,02 270 0,48
2.3. Контакт поверхностей тел
Для осуществления процесса трения твердых тел необходимым условием является контакт их поверхностей или взаимодействие этих тел. Характер явлений, происходящих при контакте поверхностей твердых тел, определяется физико-механическими, химическими свойствами и микрогеометрией этих поверхностей.
Взаимный контакт деталей происходит по вершинам и выступам шероховатости, которая деформируется под действием внешней на- грузки.
Возможны следующие виды деформации выступов: упругие, упруго пластические без упрочнения, упруго пластические с упроч- нением.
При изучении контакта поверхностей И.В. Крагельский выделил
номинальную, контурную и фактическую площади контакта.
Номинальная площадь контакта А
а
соответствует номиналь- ным сопрягаемым размерам деталей. Это справедливо для деталей с идеально гладкой поверхностью.
Однако контакт твердых тел дискретен и пятна фактического контакта Аr неравномерно распределены по поверхности. Это связано с шероховатостью контактирующих поверхностей. Площадь фактиче-
ского контакта поверхностей состоит из множества дискретных ма- лых площадок, расположенных на различных высотах пятна касания в

30 местах наиболее полного сближения поверхностей. Между площадка- ми касания тел имеются соединенные между собой или закрытые микрополости, заполненные воздухом или другой газовой средой, сма- зочным материалом, продуктами изнашивания и т.п. Она зависит от микро- и макрогеометрии поверхностей, волнистости, физико- механических свойств поверхностного слоя, а также от нагрузки.
Площадь фактического контакта составляет от 0,0001 до 0,1 но- минальной площади касания. Даже с учетом высоких нагрузок площадь фактического контакта не превышает 40 % номинальной площади.
Фактическая площадь контакта возрастает при увеличении на- грузки, радиуса закругления вершин ее неровностей, уменьшении шероховатости поверхности; кроме того, она несколько увеличивает- ся при длительном действии нагрузки. С увеличением упругих харак- теристик, предела текучести материала и высоты неровностей по- верхностей фактическая площадь контакта уменьшается.
При взаимодействии двух разных материалов физические свой- ства более мягкого и геометрия поверхности более твердого из тел определяют фактический контакт.
При наличии между поверхностями трения тонкой пленки меди площадь фактического контакта увеличивается в 10…100 раз, при этом снижая износ трущихся поверхностей.
Вследствие волнистости контактирующих поверхностей факти- ческие пятна контакта будут возникать преимущественно на верши- нах волн. Каждая такая область, ограниченная контуром, в пределах которого существуют фактические пятна контакта, представляет со- бой элементарную контурную площадку. Сумма элементарных пло- щадок представляет контурную площадь контакта А
К
От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, время взаимодействия на единичном контакте и температура, развиваемая при трении. Среднее расстояние между пятнами фактического кон- такта влияет на частоту взаимодействия пятен при трении.
Схема контакта поверхностей двух тел показана на рисунке 2.2.
Давления, возникающие в силовом контакте двух тел, рассчиты- ваются по следующим зависимостям.
Номинальное давление
P
h
=P
a
=N/A
a
,
(2.4) где N – нормальное давление, Н.

31
Контурное давление
P
k
=N/A
k
.
(2.5)
Фактическое давление
P
r
=N/A
r
.
(2.6)
A
r
А
к
a
b
A
a
Рис. 2.2. Схема контакта поверхностей тел: А
а
– номинальная площадь
контакта (А
а
= а · в); А
к
– контурная площадь (А
к
= 5…15 % от А
а
);
А
r
– фактическая площадь единичного пятна контакта
(А
r
= 0,0001…0,1 % от А
а
).
От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, время взаимодействия на единичном контакте и температура, развиваемая при трении. Среднее расстояние между пятнами фактического кон- такта влияет на частоту взаимодействия пятен при трении.
Фактическое давление на контакте очень велико. Это часто приводит к пластической деформации выступов. В ряде случаев в зо- не контакта возникает ползучесть, вследствие чего характеристики контакта во времени могут изменяться при неизменности прилагае- мой внешней нагрузки. Эти свойства контакта особенно сильно про- являются с повышением температуры в зоне контакта.
2.4. Остаточные напряжения
В результате действия на металл внешних нагрузок положение атомов в кристаллической решетке выходит за минимальный уровень

32 кинетической энергии, нарушая структуру решетки и приводя к опре- деленному напряженному состоянию материала.
После устранения нагрузки только часть атомов занимает ис- ходное положение, остальные же будут смещены, из-за чего возни- кают остаточные напряжения.
Остаточными называют напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых воздействий на него. Наличие этих на- пряжении обусловлено также неравномерностью температуры по объему тела, образованием во время нагрева или охлаждения новых структур с иной плотностью, наличием включении и др.
В зависимости от размера области, в которой возникают напря- жения, различают остаточные напряжения первого, второго и третье- го рода.
Остаточные напряжения первого рода – микронапряжения. Эти напряжения уравновешиваются в границах областей, размеры кото- рых соизмеримы с размерами тела. В плоскопараллельных слоях на- пряжения первого рода постоянны, они изменяются в направлении, перпендикулярном к поверхности.
Напряжения второго рода, называемые микронапряжениями, за- нимают области, соизмеримые с объемом отдельных кристаллитов или групп кристаллитов. Они существуют в плоскостях скольжения и среди блоков мозаичной структуры.
Остаточные напряжения третьего рода изменяются в субмикро- скопических областях. Они уравновешиваются в небольших группах атомов, лежащих на границах блоков мозаичной структуры в плоско- стях скольжения и т. п.
Внутренние напряжения, как правило, являются следствием оп- ределенного технологического процесса, поэтому различают литей- ные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные на- пряжения.
Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали дли- тельное время, алгебраически складываясь с рабочими (внешними) напряжениями, могут их усиливать или ослаблять.
Остаточные напряжения, возникающие в поверхностных слоях при механической обработке, могут относиться к напряжениям как I, так и II рода. Типичные эпюры остаточных напряжений I рода в по- верхностном слое приведены на рисунке 2.3.
Наибольшие напряжения у поверхности могут быть как сжи- мающими, так и растягивающими. Особенно опасны растягивающие

33 напряжения, которые приводят к понижению усталостной прочности и износостойкости (для некоторых видов изнашивания).
Сжатие
Растяжение
а)
б)
в)
-σ
-σ
-σ
+σ
+σ
+σ
-σ
+σ
-σ
+σ
-σ
+σ
Рис. 2.3. Эпюры остаточных напряжений
Характер эпюры остаточных напряжений может быть таким, что максимальные напряжения возникают непосредственно у поверхно- стного слоя (рис. 2.3, а), на некоторой глубине, причем у поверхно- сти они равны нулю (рис. 2.3, б) или имеют вид, представленный на рисунке 2.3, в.
Характер эпюры остаточных напряжений и их величина в силь- ной степени зависят от условий и режимов резания при механической
а
б
в

34 обработке и от методов поверхностного упрочнения. Разнообразие эпюр объясняется одновременным действием различных факторов и в первую очередь сочетанием силовых и температурных воздействий.
Пластическая деформация металла увеличивает его удельный объем, поэтому поверхностные слои, пластически деформированные при обработке резанием или при процессах упрочнения, стремясь увеличиться, встречают сопротивление недеформированного слоя металла. В результате в наружном слое появляются напряжения сжа- тия, а в остальной части – напряжения растяжения. Это имеет место в том случае, когда поверхностный слой не находится в состоянии пол- зучести, вызванном температурными воздействиями. При разогреве поверхностного слоя выше температуры, соответствующей состоя- нию ползучести металла, внутренних напряжений в нем не возникает.
При охлаждении в наружном слое возникают растягивающие напря- жения, а в нижележащих слоях – напряжения сжатия (см. рис. 2.3, а – справа), т.е. картина остаточных напряжении противоположна той, которая имеет место при отсутствии влияния температуры.
Так как оба фактора – температурный (состояние ползучести) и силовой (пластическая деформация) – действуют одновременно, то знак остаточного напряжения в наружном слое зависит от того, какой из этих факторов преобладает.
Исследования показали, что в образовании остаточных напря- жений при шлифовании доминирующую роль играет тепловой фак- тор. При фрезеровании тепловой фактор уже не играет такой роли, особенно при низких и средних скоростях резания.
Следует заметить, что напряженное состояние зависит от формы и размеров детали, режимов обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала.
Большое влияние на характер эпюры остаточных напряжений оказывают методы поверхностного упрочнения и защитные покры- тия. Установлено, что в поверхностных слоях деталей после закалки
ТВЧ, поверхностного наклепа, азотирования и цементации действуют значительные сжимающие напряжения с максимумом у поверхности, а детали после такой обработки обладают повышенной усталостной прочностью. После нанесения большинства гальванических покры- тий или при обезуглероживании поверхностей стальных деталей в поверхностных слоях возникают остаточные напряжения растяжения
(см. рис. 2.3, а – справа).

35
2.5. Структурные и фазовые превращения
Пластические деформации вызывают изменения микрострукту- ры. Беспорядочно расположенные в структуре металла кристалличе- ские зерна под влиянием пластической деформации приобретают од- нородную ориентацию. Более глубокие изменения возможны при обработке металлов, подверженных закалке. Высокий поверхностный нагрев и быстрое охлаждение обуславливают структурные и фазовые превращения. Например, в процессе шлифования закаленной и отпу- щенной стали образуется поверхностный слой аустенитно- мартенситной структуры из вторичного закаленного металла. Слой с измененной структурой при нормальных условиях шлифования имеет почти равномерную структуру. Аналогичные превращения наблюда- ются и при точении.
Местные фазовые и структурные превращения поверхностного слоя шлифуемой детали называются шлифовочными прижогами.
Причина их образования интенсивное тепловыделение на небольшом участке поверхностного слоя. Также прижоги могут возникать из-за вибрации шлифовального круга, неправильной установки детали на центрах и т.п. В области прижогов образуются остаточные напряже- ния. Прижоги, концентрируя напряжения, снижают сопротивление усталости и износостойкость. Фазовые и структурные превращения при обработке инструментом возможны только для металлов с мета- стабильной структурой.
При холодной пластической деформации металла повышаются его твердость и предел прочности. Это явление получило название упрочнение металла и наклеп.

36
Так, при обработке металлов резанием возникновение в по- верхностном слое новых образований происходит в результате дейст- вия двух противоположных процессов – упрочнения (наклепа) в ре- зультате воздействия на поверхность усилий резания и разупрочне- ния (снятия наклепа) в результате влияния температуры резания. В разных условиях превалирует влияние то одного, то другого фактора.
При наклепе происходит изменение свойств металла, повыша- ются сопротивление деформации и твердость, понижается пластич- ность. Степень наклепа, а также толщина наклепанного слоя зависят от режима резания.
Глубину наклепанного слоя можно определить по изменению микротвердости, которая в поверхностных слоях всегда выше. О сте- пени наклепа можно судить по отношению твердости поверхностных слоев и исходного материала H
max
/Н
o
(рис. 2.4, а).
1 2
3 4
H
max
l
H
0
h
Θ
а)
б)
в)
Рис. 2.4. Структура поверхностного слоя:
а – изменение твердости по глубине слоя; б – структура поверхностного слоя;
в – изменение температуры по глубине при резании и трении
Изменения в поверхностном слое происходят не только вследст- вие процессов упрочнения и разупрочнения, но и из-за структурных превращений и окислительных процессов, которые могут происхо- дить в зоне температурных влияний по глубине h (см. рис. 2.4, в).
Важным фактором, влияющим на структуру поверхностного слоя, являются окислительные процессы, которые быстро развивают-
а б в

37 ся в новых поверхностях, появившихся в процессе обработки. У большинства металлов на поверхностях образуются тонкие окисные пленки. Так как пленка находится в напряженном состоянии, то при ее росте возможны разрывы пленки, и она приобретает пористое строение. При трении поверхностей деталей машин тонкие слои под- вергаются в зоне контакта многократным воздействиям нормальных и тангенциальных напряжений, в сочетании с температурными влия- ниями и действием среды приобретают рельеф, характерный для дан- ных условии эксплуатации. Поэтому следует различать принципи- ально неодинаковые виды рельефа поверхности – технологические и эксплуатационные.
Поверхностный слой неоднороден по строению. В общем виде строение поверхностного слоя сплава состоит из следующих харак- терных участков (см. рис. 2.4).
Граничный слой 1 (слой повышенной твердости) состоит из ад- сорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидко- сти, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме.
Слой 2 – деформированный (наклепанный), сильно раздроб- ленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуглеро- женными под действием высоких температур при шлифовании уча- стками. В этом слое находятся окислы и нитриды, пустоты, а также надрывы и трещины.
Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действи- ем давления (шлифовального круга) и тангенциальных сил при шли- фовании. Слой содержит структурно свободный цементит, образо- вавшийся под действием высоких температур. Имеет увеличенное число дислокаций и вакансии.
Слой 4 – металл с исходной структурой.
При более тонкой обработке (абразивными брусками, лентами и т.д.) слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 уменьшаются в соответствии с меньшими давлением и температурой поверхности при обработке.
Наклеп металла под выступами неровностей обычно больше, чем под впадинами. Поверхностный слой в зависимости от указанных выше обстоятельств имеет толщину при точении 0,25…2,0 мм, при шлифовании 12…75 мкм, при тонком шлифовании 2…25 мкм, при полировании 2 мкм.
Следует иметь в виду, что шлифовочные прижоги могут дости- гать глубины 5 мм.