Лабораторная работа № 4 ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗНАШИВАНИЕ

Цель работы – освоить методику проведения и обработки результатов испытаний образцов на изнашивание.

Задачи работы:

1. Изучить устройство и работу виртуальной машины трения ВМИ-1М.

2. Изучить методику проведения испытаний.

3. Изучить методику обработки результатов испытаний.

4. Провести испытания образцов на изнашивание и обработать результаты опытов.

Теоретическая часть [8, 9, 10, 22]

Изнашивание, согласно ГОСТ 27674-88 - это процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров (или) формы.

Процесс изнашивания характеризуется следующими параметрами: износом, интенсивностью и скоростью изнашивания.

Износ- это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах измерений (мм, мг и т.п.).

Интенсивность изнашивания - это отношение износа к наработке, за которую он произошел.

Скорость изнашивания - отношение износа ко времени, за которое он произошел.

В соответствии с ГОСТ 27674-88 различают три группы видов изнашивания: механическое, коррозионно-механическое, при действии электрического тока.

К механическому изнашиванию относят абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), аэрозионное, гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитационное, усталостное изнашивание при фреттинге, при заедании. В группу коррозионно-механического изнашивания включают окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии, а к изнашиванию при действии электрического тока - только электроэрозионное изнашивание.

Основной признак нормального изнашивания: разрушение поверхности локализуется в тончайших поверхностных слоях вторичных структур, образующихся при трении, в условиях динамического равновесия механического процесса образования и разрушения вторичных структур.

При окислительном изнашивании в процессе трения происходит взаимодействие активных, пластически деформированных поверхностных слоев металла толщиной 10 -100 нм с атомами кислорода воздуха или смазки, адсорбированного на поверхностях. При этом образуются пленки химически адсорбированные, твердых растворов и химических соединений металла с кислородом, которые затем удаляются с поверхности трения. Интенсивность разрушения зависит от параметров внешней среды и режима работы деталей.

Нормальное окислительное изнашивание возникает при трении скольжения и качения, без смазочного материала и при граничной смазке. Образующаяся при трении теплота способствует окислительному изнашиванию, а при критических значениях температуры - десорбции смазки и размягчению металла, возникновению схватывания II рода.

В абразивной среде возникают большие концентрации напряжений в локальных объемах металла, что повышает интенсивность окисления и разрушения. Окисление интенсифицируется при ударах и вибрациях динамического нагружения, так как при этом резко активизируется пластически деформированный металл. Окислительное изнашивание, протекающее в этих условиях, называют фреттинг-процессом. В абразивной среде в процессе трения происходит скольжение абразивных частиц, пластическое деформирование металла, внедрение частиц в местах их контакта с деталью, разрушение поверхностных объемов без отделения металла (первая форма разрушения имеет место при Нс>0,6На, где Нс и На - твердость соответственно сплава и абразива) или со снятием микростружки (вторая форма). Первая форма разрушения наблюдается у рабочих органов почвообрабатывающих, строительных и ряда других машин. При второй форме абразивного изнашивания происходит механический контакт и упругопластическая деформация, внедрение абразивных частиц в основной металл, снятие микростружки.

Коэффициент трения при абразивном изнашивании находится в интервале 0,2 - 0,6, геометрическое состояние поверхностей - от 3 до 7 - 8 класса шероховатости, а иногда даже до 9 - 10 класса.

При трении скольжения с малыми скоростями относительного перемещения поверхностей деталей и удельными давлениями, превышающими предел текучести на участках фактического контакта, при отсутствии разделяющего слоя смазочного материала и защитной пленки окислов возникает недопустимый вид изнашивания - схватывание I рода. Развивается оно в результате возникновения локальных металлических связей, их деформации и разрушения с отделением частиц металла или налипанием их на поверхность контакта. В вакууме это давление может возникнуть при трении качения. Особо опасные проявления атермического схватывания возникают при динамическом нагружении поверхностей и развитии фреттинг-процесса. Силы трения, формирующиеся при схватывании I рода, отличаются большой неравномерностью. Коэффициент трения может находиться в пределах от 0,5 - 0,6 до 4 - 10. Геометрическое состояние поверхностей, испытавших схватывание I рода, весьма условно может быть отнесено к 1 - 3 классам шероховатости.

При схватывании II рода образуются местные металлические связи, происходит деформация и разрушение в виде трещин, намазывание, перенос металла и отделение его частиц с поверхности трения. Металлические связи обусловлены нагреванием, размягчением материала. Возникают они при трении скольжения с большими скоростями относительного перемещения деталей и значительными удельными давлениями. При этом температура поверхностных слоев трущихся металлов высокая, ювенильные участки (участки поверхности детали, свободные от окисной пленки) выходят на поверхность и сближаются на расстояние порядка межатомных радиусов. В условиях граничного трения схватывание II рода возникает при более высоких скоростях и давлениях с предшествующими процессами десорбции смазки.

Термический режим трения деталей при схватывании II рода следующий:

- мгновенный нагрев тонких поверхностных слоев металла при трении, создающий в них большую концентрацию теплоты (иногда достигающую температуры плавления трущихся металлов);

- действие высоких температур продолжается в течение времени контакта трущихся поверхностей;

- охлаждение поверхностных слоев трущихся металлов, в основном, вследствие теплопроводности в глубь металла. При этом скорость охлаждения всегда выше критической скорости закалки.

Коэффициент трения при схватывании II рода находится в пределах 0,3 - 1,0. Геометрическое состояние поверхностей, работающих при схватывании II рода, весьма специфично и условно может быть отнесено к 3 - 6 классу шероховатости.

В процессе трения качения, при достижении критической величины нагрузки, окислительное изнашивание сменяется усталостным разрушением, которое также монотонно изменяется в определенном интервале. Усталостное изнашивание возникает при трении качения без смазочного материала и со смазкой при удельных давлениях, превышающих предел текучести металла поверхностных слоев. Окислительные процессы при трении качения всегда сопутствуют усталостному изнашиванию. Усталостное изнашивание при трении качения получило название питтинг.

В случае динамического характера нагружения, резкого увеличения градиента деформаций и температуры интенсифицируется окисление и схватывание при относительно малых нормальных давлениях и при контактировании многих материалов. Этот вид разрушения поверхности называется фреттинг-процессом. Возникает он при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными перемещениями и динамическом приложении нагрузок при трении без и при наличии смазочного материала и скорости скольжения выше критической.

При нагрузках выше предела текучести, изменении формы детали и ее постоянной массе происходит процесс смятия, микроскопическая объемная пластическая деформация металла деталей. Однако, смятие и пластическая деформация в тонких слоях поверхностей трения - совершенно различные процессы.

Из факторов, определяющих процессы трения и износа, главными являются механические воздействия, от них зависят: степень и градиенты упругопластической деформации, температура в зоне трения, степень активизации металла, ряд производных явлений и вид преобладающего процесса разрушения или изнашивания. Таким образом, при всех видах изнашивания основное влияние на возникновение и развитие процессов в зоне трения оказывают пластические деформации. При их наличии возникают металлические связи, увеличивается химическая активность металла, возникают термическая пластичность, особые явления усталости. Основными причинами возникновения и развития процессов на поверхностях трения являются внешние механические воздействия, среда материал. На поверхности трения возникают несколько видов изнашивания, один из которых - ведущий.

Таким образом, из всех видов изнашивания к допустимым можно отнести только окислительное и механохимическую форму абразивного изнашивания с постепенным разрушением поверхностей деталей. Остальные виды изнашивания (схватывание 1 и II рода, механическая форма абразивной повреждаемости, усталостное изнашивание) вызывают аварийное разрушение.

Для проведения лабораторных испытаний образцов разработано множество различных машин. Одной из распространенных моделей является машина МИ-1М, позволяющая производить испытания при различных видах трения, моделировать нагрузку в зоне трения. Разработанная виртуальная модель вышеуказанной машины (рис. 1.21), позволяет воспроизводить последовательность испытаний и регистрировать необходимые данные для исследования процесса изнашивания образцов на компьютере [11].

Рис. 1.21 Виртуальная машина для испытания образцов на изнашивание ВМИ-1М

На этой машине образцы из конструкционных материалов испытывают следующим образом: при трении качения один образец (диск) обкатывается по другому (диску) с определенным проскальзыванием (рис. 1.22), при трении скольжения диск вращается, а колодочка неподвижна. Для сокращения времени приработки давление на колодочку передается через шарик.

Рис. 1.22. Испытание образцов при трении качения с проскальзыванием и трении скольжения

В корпусе машины размещается вал, на котором устанавливают нижний образец и привод счетчика (см. рис. 1.21). Каретка смонтирована на игольчатых подшипниках и может поворачиваться на угол 100° из рабочего положения в нерабочее. В каретке смонтирован вал, на котором устанавливают верхний образец. Нагрузку создают специальным механизмом, состоящим из нагрузочного винта, тяги, шкалы, пружины и поджимной гайки.

Привод нижнего образца представляет собой дифференциальный механизм, водило которого выполнено в виде маятника с грузом и чекой. Движение передается от двигателя через 3 зубчатых колеса и 2 зубчатых колеса с внутренним зацеплением. От шестерни через эксцентрик и счетчик регистрируется число оборотов, сделанных нижним образцом.

Верхний образец приводится в движение через 3 зубчатых колеса, червячный вал и 2 сменные зубчатые колеса. Сменные зубчатые колеса обеспечивают разницу чисел оборотов верхнего образца относительно нижнего на 10, 15, 20%. Число оборотов нижнего образца составляет 425 об/мин, а верхнего - 340, 360, 385 об/мин.

Под кареткой расположен механизм возвратно-поступательного движения каретки. Он состоит из червячного вала, червячного колеса, кулачковой муфты и эксцентрикового вала с обоймой.

Механизм регистрации моментов трения состоит из интегратора, счетчика оборотов, самописца с лентопротяжным устройством и приводится в движение от червячного вала и червячной шестерни.

Штанга интегратора установлена на направляющих роликах таким образом, чтобы вилка указателя вошла в палец маятника, и ролик встал на центр диска интегратора.

Образцы крепят двумя ключами: одним ключом удерживают вал за лыски, имеющиеся на его конусной части, а другим – затягивают гайку образца. При снятии образцов необходимо помнить, что резьба у нижнего вала – левая, а у верхнего – правая.

Для обеспечения граничного трения образцы следует поместить в ванночку. Температура масла, в которой контролируется с помощью электронного термометра, получающего сигнал от встроенной термопары.

Метод искусственных баз [9, 10], используемый для измерения износов образцов, заключается в том, что на изнашивающейся поверхности наносят углубление строго определенной формы в виде конуса, пирамиды и т. п. и по уменьшению размеров углубления {отпечатка) судят о величине износа. Существуют две разновидности данного метода: метод отпечатков и метод вырезанных лунок.

Широкое распространение получил предложенный М М Хрущовым и Е. С. Берковичем метод вырезанных лунок, заключающийся в том, что на исследуемой поверхности вращающимся резцом вырезается лунка, по уменьшению ее размеров при износе судят о величине местного износа.

Глубина лунки связана с ее длиной зависимостью [9, 10]

где r – радиус, описываемый вершиной резца (рис. 1.23);

R – радиус цилиндрической поверхности, на которой наносится лунка ("-" – для вогнутой поверхности, "+" – для выпуклой, R=¥ для плоскости).

Рис. 1.23. Вырезанная искусственная база на образце

Метод лунок имеет ряд существенных преимуществ перед методом отпечатков. Во-первых, здесь вдавливание заменено резанием и явления вспучивания и упругого восстановления сведены к минимуму. Во-вторых, имеется выгодное соотношение между длиной лунки и ее глубиной. Так, при r= 8,5 мм длина лунки L = 2,5 мм при ее глубине h = 100 мкм, Поэтому уменьшение длины лунки легко измерить даже при незначительном износе. В-третьих, усилия, необходимые для вырезания лунки, невелики, что позволяет создать малогабаритные приборы. Точность метода лунок находится в пределах (1-2 мкм), а в отдельных случаях может достигать ±0.5 мкм.

Для измерения износа методом вырезанных лунок разработан специальный стандарт (ГОСТ 17534 – 72).

Рис. 1.24. Прибор УПОИ-6 для вырезания лунок на образце и измерения их длинны

На базе метода лунок создан ряд приборов для измерения износа плоских, цилиндрических наружных и внутренних и фасонных поверхностей деталей в производственных и лабораторных условиях.

В качестве примера на рис. 1.24 приведена схема износомера УПОИ-6 [9, 10], предназначенного для нанесения и измерения лунок на плоских и выпуклых поверхностях.

При помощи стойки корпус прибора крепится к поверхности. При вращении гайки с дифференциальной резьбой внутренняя гильза, несущая резцедержавку, перемещается поступательно и при вращении рукоятки резца вырезает лунку.

Благодаря тому, что микроскоп с винтовым окуляр-микрометром и резцедержавка объединены в одном узле, а резец помещен в коленчатом валике, обеспечивается возможность наблюдения за вырезанием лунок и доведения их до требуемого размера по делениям окуляра

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: