Лекция
Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей, образованных микронеровностями.*
Процесс контактирования поверхностей при статическом нагружении протекает следующим образом. Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей на высотах, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают наибольшие выступы. Их деформация вызывает сближение поверхностей.
Возможны следующие виды деформации выступов: упругая, упруго-пластическая без упрочнения, упруго-пластическая с упрочнением. Упругая деформация возможна только у эластичных тел (резина). В большинстве случаев наблюдается пластическая деформация, которой принадлежит ведущая роль в образовании фактической площади контакта. Входящие в касание выступы пластически сплющиваются, чаще всего с внедрением: внедряется более твердый выступ или тот, которому геометрическая форма придает большее сопротивление деформации.
Пластическая деформация выступов начинается при среднем давлении на контакте равном примерно утроенному пределу текучести материала. При этом давлении материал под контурной площадкой начинает пластически деформироваться и в результате либо увеличиваются размеры площадки, либо возникают новые контурные площади контакта. Полное погружение выступов в пластически деформируемую основу не наблюдается. После деформации, даже сильной, шероховатость поверхности лишь несколько видоизменится.
Площадь фактического контакта состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пятна касания. Между площадками касания тел имеются микрополости, заполненные воздухом или другими материалами (смазка, продукты износа и др.)
Площадь фактического контакта составляет от одной десятитысячной до одной десятой номинальной площади касания. Она возрастает с увеличением нагрузки, снижением шероховатости поверхности и росте радиуса закругления вершин ее неровностей. При контактировании двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твердого материала.
Кроме контактирования поверхностей деталей возможно и взаимное внедрение поверхностей. Это связано с анизотропией кристаллитов. Свойства кристаллитов сильно меняются в зависимости от направления действия нагрузки. Так для монокристалла железа модуль упругости меняется от 284 до 132 ГПа. Тогда как для поликристалла E = 210 ГПа. Поликристаллическому чистому металлу свойственна неоднородность кристаллического строения, а большинству сплавов присуща неоднородность еще и по структурным составляющим. В результате на отдельных площадках фактического контакта происходит взаимное внедрение твердых составляющих своими более «сильными» гранями в менее твердые структурные составляющие. При этом меняется шероховатость поверхности.
Для изнашивания поверхностей трения имеет значение не сам факт изменения их шероховатости, а связанные с ним взаимное внедрение поверхностей. Глубина взаимного внедрения зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхностей и нагрузки. При малых нагрузках взаимное внедрение носит в основном упругий характер и незначительно. Возможно также взаимное внедрение поверхностей при контактировании металла с неметаллом, т.е. неоднородность строения свойственна всем материалам, в том числе и аморфным.
Если отложить по оси абсцисс время работы пары трения, а по оси ординат износ, то получим кривую изнашивания детали во времени. (Рис. 6.1)
Рис. 6.1 – Кривые изнашивания
Рис. 6.2
На кривой изнашивания 1 можно выделить три участка, соответствующие трем стадиям изнашивания:
I – начальное изнашивание, наблюдаемое при приработке поверхностей деталей
II – Установившееся изнашивание, наблюдаемое при нормальной эксплуатации
III – процесс резкого возрастания скорости изнашивания, соответствующий стадии катастрофического изнашивания.
Кривая 1 на Рис. 6.1 построена в предположении непрерывности работы пары трения. Подавляющее большинство пар трения работает с перерывами вследствие остановки машин. Скорости изнашивания в периоды выбега и разбега выше, чем при установившемся режиме. В некоторых случаях износ за один пуск машины равнозначен нескольким часам ее работы в установившемся режиме. В таком случае прямая линия на Рис 6.1 становится ломаной и будет иметь вид, представленный на Рис. 6.2.