Куксенова_Методы исследования поверхностных слоев (831911), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.Вакансия (атомная «дырка») — точечное несовершенство кристаллического строения, заключающееся в наличии незанятых13мест в узлах кристаллической решетки. Число вакансий при комнатной температуре равно одной вакансии на 1018 атомов.Дислокация — линейное нарушение периодической структурыкристаллов, образующееся в процессе их роста или пластическойдеформации. Механические свойства металлов зависят от количества дислокаций и от их способности к перемещению и размножению.Кристаллическая структура пластически деформированногометалла характеризуется не только искажением кристаллическойрешетки, но и определенной ориентировкой зерен — текстурой.Наличие текстуры указывает на изменение размеров и ориентациикристаллов вещества. Влияние текстуры на свойства металлов неоднозначно.
В некоторых случаях наличие определенной текстурыможно использовать для повышения технологических или эксплуатационных характеристик металла, в других случаях текстурутребуется устранять специальной обработкой.При исследовании структурного состояния материала при трении различают масштабные уровни:• микроскопический масштаб — атомный уровень исследованийс размером исследуемой зоны, равным периоду кристаллической√решетки hа ≈ а; и дислокационный уровень, hд ≈ ρ, где ρ —плотность дислокаций,• мезоскопический масштаб — уровень от долей микрометровдо нескольких микрометров;• макроскопический масштаб — уровень, при котором возможноусреднение свойств по основным неоднородностям. Его характерный размер hм > 10−6 м.1.2.
Основы молекулярно-механической теории внешнеготренияВ настоящее время наиболее широкое развитие получиламолекулярно-механическая теория внешнего трения [4]. Она базируется на представлении о двойственной природе трения идискретном характере контакта между реальными поверхностямитвердых тел. Процесс трения и износа при этом рассматриваетсякак состоящий из трех последовательных этапов: взаимодействияповерхностей, изменений материала поверхностных слоев в процессе трения, разрушения поверхностей. Трение и изнашивание14является комплексными процессами механо-физико-химическойприроды.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 материалезоны 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 ивнутренних 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 телПри проведении огибающей профилячетко выявляется различие между отклонением формы и шероховатостью. Волнистость характеризует отклонение огибающей15профиля от его формы, а шероховатость представляет собой отклонение действительного профиля от огибающей. Микрорельефопределяет дискретность контакта.
При контактировании поверхностей фактические пятна контакта возникают преимущественнона 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 — силанормального давления;• контурная площадь контакта Aс , образующаяся в результате деформации локальных поверхностных микрообъемов. Формирование контурной площади обусловлено макронеровностями соприкасающихся поверхностей и нагрузкой.
Значение контактногодавления определяется как pc = N/Ac ;• фактическая площадь Ar , представляющая собой суммумгновенных площадок контакта твердых тел. Фактическая площадь контакта является функцией геометрического очертанияотдельной неровности и воздействующей на нее нагрузки.В общем случае номинальная площадь контакта всегда большеконтурной, которая, в свою очередь, больше фактической площадиконтакта:Аа > Ас > Аr .Согласно молекулярно-механической теории, поверхностныесвязи при трении формируются вследствие упругопластическойдеформации поверхностных слоев и адгезионного взаимодействияих поверхностей.
Формула обобщенного закона трения имеет видτ0h+ β+kf=,prrгде 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 единичнойнеровности).16При трении металлических тел преобладает адгезионное взаимодействие поверхностей.
В этом случае коэффициент тренияопределяют из соотношенийf∼= τ/Hилиf = 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 менеепрочного материала.Из последнего выражения следует, что коэффициент трениязависит от прочности контактирующих поверхностей ( τ, Н ) и отинтенсивности 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 поверхностейвлияют чистота поверхности, окружающая среда, состав сплавов икристаллическая структура, температура в зоне контакта. При трении на воздухе коэффициент трения металлических материалов непревышает 0,5. . . 1,0; при трении в глубоком вакууме, когда адгезионное взаимодействие существенно больше, коэффициент тренияможет составлять 1,0. . .
10,0 и более [4].Таким образом, молекулярно-механическая теория трениявключает представления о механизмах взаимодействия сопряженных поверхностей, которые учитывают не только механические, нои физико-химические процессы в «третьем теле», формирующемся в зоне контактного взаимодействия. Изнашивание представляетсобой усталостный процесс; разрушение поверхностных слоевпроисходит в результате многократного взаимодействия микронеровностей. «Третье тело» с точки зрения материаловедения является главным объектом исследования, в задачи которого входитизучение механических, деформационных и физико-химическихпроцессов в зоне контактного взаимодействия.171.3.
Свойства поверхностных слоев при тренииВажным для процесса внешнего трения свойством поверхностного слоя является различие между прочностью адгезионной связии прочностью более глубоко лежащих слоев контактирующих тел.Это условие отражено в правиле положительного градиента механических свойств И.В. Крагельского [4]:d σx> 0,dZгде σx — напряжение разрушения в направлении плоскости касания; Z — координата, отсчитываемая перпендикулярно плоскостикасания.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, фазовыхи структурных превращений материал имеет механические свойства, отличающиеся от механических свойств остального объемаматериала. 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- исубуровнях, определенные соотношения структурных составляющих, приводящих к повышению износостойкости. В зависимостиот масштабного уровня изменения структуры эти связи могут бытьразличными, как это показано на примере наиболее распространенного абразивного изнашивания (рис.
2) [5]. Видно, что от характера упрочнения можно получать разные зависимости коэффициентаизноса Ки от напряжения σ и соответственно различные уровниизнашивания.С материаловедческой точки зрения трение рассматриваетсякак процесс накопления условий при контактном взаимодействии,приводящих к изменению состава, структуры и свойств материала приповерхностного микрообъема, а также последовательностьпереходов материала из одного состояния в другое [6].18Рис. 2. Схемы трех уровней структур сплавов и зависимости твердости(Н ), трещиностойкости (KIc ) и износостойкости (Kи ) от структурныхпараметров 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
