T₂ - t₁)α E

Где t₂ и t₁ исходная и максимальная температуры поверхностного слоя;

α– коэффициент линейного расширения материала детали

E – модуль упругости материала, соответствующий температуре нагрева поверхностного слоя.

Структура поверхностного слоя материала детали формирующаяся в результате механической обработки (рис.) может быть представлена в виде пяти слоев:

•первый - адсорбированный слой, состоящий из пленки влаги газов и загрязнении, = (0,2*10 ͞ ³ 0,3*10̅ ͞ ³) мкм

•второй - слой окисла, имеющий повышенною твердость и износостойкость, = 0,002-0,5 мкм;

•третий - слой с сильно деформированной кристаллической решеткой, = 1,5-5 мкм; для этого слоя характерно наличие ориентированных в определенном порядке зерен;

•четвертый - более глубокий слой с искаженной кристаллической решеткой, = 0,2-50 мкм; для этого слоя характерно наличие большого числа вакансий и дислокаций;

•пятый - слой металла с исходной структурой.

Схема структуры поверхностного слоя материала детали:

а) изменение микротвердости H по глубине слоя материала

б) структура материала детали

Первый слой образуется в результате притяжения (адсорбции) полярно-активных молекул смазочного материала, влаги, газов и других веществ, находящихся в зоне трения. Этот слой представляет собой рыхлую мономолекулярную пленку, толщина которой зависит от параметров шероховатости поверхности, материала детали и окружающей среды.

Второй слой формируется в результате химического взаимодействия материала детали с окружающей средой. Окислительные процессы, развивающиеся в верхнем слое материала, вызывают образование тонких окисных пленок, обладающих, как правило, повышенной твердостью (рис) и износостойкостью. В результате воздействия внешней среды и знакопеременных нагрузок пленка приобретает пористую структуру и рельеф, характерный для условий работы детали.

Третий и четвертый слои образуются в результате пластической деформации и наклепа металла под действием сил резания в процессе механической обработки поверхности и сил трения при взаимодействии деталей сопряжения. Наклеп приводит к изменению физико-механических свойств металла. В третьем слое сдвиг зерен металла и искажение кристаллической решетки обусловливают значительное повышение микротвердости материала по сравнению с исходным значением (см. рис. 3.13, а). Большое число вакансии и дислокаций, возникших в четвертом слое в результате наклепа, приводит к уменьшению микротвердости металла.

Толщина наклепанного слоя, а также соотношение третьего и четвертого слоев зависят от способа и режима механической обработки поверхности. Например, при точении толщина упрочненного слоя металла составляет до 20 мкм, в то время как абразивная доводка или суперфиниширование обеспечивают толщину слоя наклепа около 1,5 мкм.

Правильно выбранные способы и режимы обработки летали (механической, химико-термической или лазерной) позволяют значительно повысить долговечность сопряжения. Например, в результате упрочнения поверхности регулировочного болта толкателя топливного насоса термодиффузионным хромированием увеличивается ресурс сопряжения болт-пята плунжера в 10 раз.

Конец лекции

18.02.12 Теория трения

Внешним трением (трением) называют явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним сопровождаемое диссипацией энергии. Диссипация энергии - переход части энергии движущегося тела в теплоту.

По наличию относительного движения различают трение покоя и трение движения.

По характеру относительного движения деталей - трение скольжения и трение качения.

По наличию смазочного материала - трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом.

Трение покоя - трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения - трение двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение скольжения — трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и направлению или только по величине или только по направлению. Этот вид трения характерен для опор скольжения, направляющих, а также рабочих органов землеройных машин.

Трением качения называют трение движения двух твердых тел. при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Основными количественными показателями трения являются сила трения и коэффициент трения.

Силой трения называется сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами.

Коэффициент трения - отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела одно к другому

Сила трения скольжения F=f*N (здесь f - безразмерный коэффициент трения скольжения; N - нормальная составляющая внешних сил). Еще в XV в. были проведены исследования трения твердых тел без смазочного материала, позволившие сформулировать классические законы трения скольжения:

• сила трения пропорциональна нагрузке;

•коэффициент трения не зависит от номинальной площади контакта;

•коэффициент трения покоя больше коэффициента трения движения;

• коэффициент трения не зависит от скорости скольжения.

Первый закон справедлив во всех случаях, за исключением высоких нагрузок, при которых фактическая площадь контакта близка к номинальной. Второй, третий и четвертый законы несправедливы для материалов, обладающих вязкоупругими свойствами (полимеры, эластомеры и пр.).

В элементах машин также часто встречается трение качения.

Физическая сущность трения качения: При взаимодействии цилиндра с плоскостью (рис. 4.1) материал цилиндра на участке А—В сжимается, а материал плоскости в этой же области растягивается. Таким образом, при качении цилиндра, т. с. при последовательном нарушении контакта, точки поверхности цилиндра на участке А-В будут стремиться сблизиться, а соответ-

ствующие точки плоскости - удалиться одна от другой. Это приведет к относительному скольжению поверхностей цилиндра и плоскости. Такой характер взаимодействия и соответственно вид трения наблюдаются в шариковых и роликовых подшипниках качения, в сопряжениях ролик — направляющие.

Сила трения качения = N/R зависит от коэффициента трения качения, радиуса R цилиндра и нормальной составляющей внешних сил N.

Коэффициент трения качения имеет линейную размерность и представляет собой полухорду зоны сжатия А—В материала. Значение коэффициента трения качения зависит от упругих свойств материалов деталей сопряжения.

В узлах трения сборочных единиц часто возникает одновременно трение качения и трение скольжения. Это особенно характерно для элементов зубчатых передач.

Перечисленные виды трения наблюдаются при взаимодействии твердых тел. Cопротивление относительному перемещению возникает и при взаимодействии твердых тел с жидкостью или газом. Такие виды трения встречаются в подшипниках, в элементах гидравлического или пневматического привода. В таких случаях характер трения определяется микрогеометрией твердой поверхности, параметрами потока (скорость, угол атаки, расход жидкости или газа), а также свойствами рабочей среды (вязкость, плотность, температура).

Существуют явлением трения, возникающим внутри материала. При трении двух тел со смазочным материалом силы сопротивления относительному перемещению слоев смазочного материала прямо пропорциональны его вязкости. Для твердых тел процесс трения, происходящий внутри материала, сопровождается выделением теплоты при сообщении телу механической энергии. Этот процесс может происходить и в совокупности с внешним трением твердых тел. В инженерной практике такая ситуация наблюдается, например, при обработке металлов давлением.