www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Процессы разрушения взаимно скользящих поверхностей твердых тел чрезвычайно многообразны и сложны. До сих пор далеко не ясным и мало изученным является механизм образования частицы износа. Ее возникновение, по-видимому, обусловлено схемой взаимодействия и возникающим напряженным состоянием, поведением материала (хрупкое, пластичное), физическими особенностями контакта (молекулярные силы, адгезия, схватывание), изменением самих физических условий в ходе трения и изнашивания (установление температурных полей, возникновение в зоне трения частиц износа).

Наиболее простым видом изнашивания является абразивное, когда возникновение частицы износа происходит чисто механически. Разрушающими телами обычно являются минеральные высокотвердые частицы с неметаллическим типом межатомных связей, при которых адгезия и схватывание пренебрежимо малы.

Распространенность абразивного изнашивания велика; оно не исключено в процессах обычного трения со смазкой. Бороться же с абразивным износом очень трудно. Поэтому вопрос о физической сущности сопротивляемости абразивному изнашиванию весьма актуален.

Настоящее исследование ставило своей целью освещение физической стороны процесса абразивного изнашивания и его связи с механическими характеристиками материала.

Из приведенного в гл. I обзора видно, что вопрос об абразивной способности абразивных материалов, особенно отдельно взятого зерна, недостаточно разработан. Нет единого мнения о прочностных свойствах корундового и карборундового зерна. Неясно, можно ли закономерности для работы закрепленного абразивного зерна переносить на полузакрепленное или свободное,

В книге большое место уделяется прочности, хрупкости и твердости абразивного зерна. Введено понятие мгновенной абразивной способности, важное для оценки разрушительного действия свободно ударяющего зерна. Показано значение вероятного радиуса закругления режущих выступов для мгновенной абразивной способности, макрогеометрии и прочности зерна для полной абразивной способности. Различными способами доказана большая статическая и динамическая прочность зерен карбида кремния по сравнению с электрокорундовыми.

Разработан удобный, простой и надежный метод изучения износа в потоке абразивных частиц при различных температурах. Изучен механизм абразивного разрушения в результате ударов о поверхность металлов. Показан типично механический характер разрушений (резание-царапание), что подтвердилось последующими экспериментами по изнашиванию в вакууме. Многочисленные наблюдения за механизмом разрушения свидетельствовали о том, что снятие стружки абразивным зерном сопровождалось всеми поверхностными явлениями вблизи мест разрушения, сопутствующими пластической деформации, повышением микротвердости, выявлением линий и целых систем скольжения, проявлением границ зерна, возникновением двойников и иногда трещин. В соответствии с известными опытами М. М. Хрущова и М. А. Бабичева для жестко закрепленного зерна показано чрезвычайно сильное влияние твердости свободных абразивных зерен на их абразивную способность, когда она сопоставима с твердостью разрушаемого металла, и отсутствие этого влияния, когда твердость зерна гораздо выше, чем твердость металла.

Проведенные исследования доказывают относительность понятия абразивной способности зерна и износостойкости сплавов. Так, наиболее износостойкие сплавы из системы Аl—Сu в потоке свободных абразивных частиц оказываются наименее износостойкими в случае жестко закрепленного абразивного зерна. Кривые изнашиваемости сплавов в абразивной среде отличаются от кривых изнашиваемости в потоке частиц и на абразивных кругах.

Относительность понятия абразивной способности кроется в возникающей схеме разрушающих напряжений (соотношение между главными напряжениями σ1, σ2, σ3) при данном способе изнашивания. Этим объясняются результаты опытов по выявлению значения углов ударов: большая разрушительность при перпендикулярных ударах по хрупким металлам и под острыми углами — по пластичным. Для каждого металла при данной скорости имеется свой угол максимальной эффективности разрушения.

Эту же точку зрения хорошо подтверждают опыты по влиянию качества абразива при взаимном шлифовании механически разнородных тел. Становится понятной более сильная разрушаемость блока электрокорунда, взаимно шлифуемого с закаленной сталью, несмотря на его гораздо большую твердость. Изменение отношения сошлифовываемых масс почти в 8 раз для различных сортов подсыпаемого абразива свидетельствует о невозможности применения метода взаимного шлифования для определения относительных значений поверхностной энергии механически достаточно разнородных тел.

Из проведенных опытов также видно, что между износостойкостью технически чистых металлов в потоке абразивных частиц и износостойкостью при истирании их о жестко закрепленное абразивное зерно имеется определенное соответствие, чего нельзя сказать в отношении сплавов с резко изменяющимися механическими свойствами.

Естественно считать, что наибольшее сопротивление абразивному разрушению при прочих равных условиях должен оказывать более прочный материал. Согласно современным взглядам (глава I), прочность определяется межатомными силами связи, о которых мы обычно судим по. модулю упругости Е или коэффициенту жесткости кристаллической решетки К=mθ2, где m — масса атома, θ — характеристическая температура Дебая.

Действительно, в нашей работе показано, что связь между износостойкостью технически чистых металлов, разрушаемых движущимися высокотвердыми абразивными частицами, и величинами Е или К носит линейный характер. Подобная зависимость выявлена Спурром и Ньюкомбом [214], но для жестко закрепленного абразива (напильники).

Хотя реализация сил связи, согласно работам школы Г. В. Курдюмова, зависит от структуры и влияние Е или К может быть в ряде случаев затушевано, нам удалось показать, что рост mθ2 при приближении к пятидесятипроцентной атомной концентрации N1 в А1 сопровождается четким снижением износа даже при неблагоприятном действии статических искажений.

Заметим, что в опытах с чистыми металлами выявилась совершенно определенная тенденция — чем тверже металл, тем он более износостоек.

На многочисленных сплавах мы впервые попытались выявить роль статических искажений за счет легирования (стали, сплавы Аl—Сu, Аl—Mg Аl—Zn) и за счет старения (дуралюмины Д1, Д16 и В95). Оказалось, что при повышенных температурах износостойкость сталей увеличивается за счет легирования твердых растворов и за счет влияния стойкости против окисления. Замечено, что эффективность обычно дорогостоящих процессов легирования в общем невелика. Атомное упрочнение хромом и молибденом стали 15ХМ оказывается гораздо более слабым, чем гетерогенное упрочнение углеродом (фаза Ре3С), ведущее к монотонному увеличению износостойкости.

Исследование износостойкости сплавов на основе А1, легированных Сu, Мg, Zn и одновременно несколькими элементами (дуралюмины), показало, что при умеренных температурах за счет статических искажений твердых растворов (или за счет атомных сегрегации типа зон Гинье — Престона) при неизменных силах связи износостойкость с увеличением содержания легирующего элемента возрастает. При высоких температурах испытания легирование ведет к падению износостойкости вследствие понижения температуры плавления, что аналогично известным фактам поведения жаропрочности.

Предельные же концентрации, которым придается большое значение в физико-химической теории жаропрочности И. И. Корнилова [289], на кривых износостойкости не отражаются. Для невысоких температур испытания можно говорить о качественной связи между износостойкостью и горячей твердостью сплавов.

При изучении влияния структуры металла на абразивную износостойкость исследовалась роль протяженности границ зерна, степени укрепленности этих границ, величины блоков когерентного рассеяния рентгеновских лучей, а также возникающей новой высокопрочной фазы.

Для изнашивания в потоке абразивных частиц было найдено, что протяженность границ зерна, т. е. зернистость металла, практически не влияет на износостойкость, когда твердость остается неизменной. Увеличение крупности зерна стали и алюминия на два порядка не изменило изнашиваемости. (Для жестко закрепленного зерна Тонном [159] было показано некоторое снижение износа при укрупнении кристаллов; одинаковая твердость исследуемых сталей при этом не обеспечивалась.) Обычно поликристалл прочнее монокристалла. Специфика абразивного разрушения не позволяет изменять износостойкость за счет протяженности ничем не укрепленной межзеренной границы.

Новым в вопросах изнашивания является наблюдавшаяся возможность повышения износостойкости сплавов за счет искусственного укрепления границ зерна. Введение ничтожного количества нерастворимого теллура в свинцово-сурьмянистый сплав, используемый для кабельных оболочек, увеличило его абразивную износостойкость при повышенных температурах, а искусственное разупрочнение селеном — уменьшило. Предположение, что введение бора окажет благоприятное влияние на сталь ШХ15, не оправдалось.

Одним из важнейших факторов прочности металлов является тонкая структура, характеризующаяся так называемой блочностью (глава I). Чем мельче эти блоки, тем менее вероятны опасные пики перенапряжений в металле, тем более эффективно реализуются силы межатомных связей.

Воздействовать на величину блоков можно различными способами, в частности термическими и механическими. Нами косвенно показано, что получение различной блочности в стали за счет различной скорости нагрева под закалку (до одной температуры) ведет к изменению ее износостойкости в потоке абразивных частиц. Такого эффекта можно ожидать; однако в этом случае не исключено действие какой-либо новой фазы.

Обычное механическое деформирование (прокатка, сжатие) стали и цветных металлов, безусловно, сопровождавшееся изменением тонкой структуры, совершенно не действовало на абразивную износостойкость при различных способах изнашивания (трение об абразивный круг, взаимное шлифование, изнашивание в потоке абразивных частиц), что соответствует известным исследованиям разрушения при царапании Н. Н. Давиденкова [49] и трения по абразивному полотну [135, 159]. В зависимости от степени холодной деформации никеля возникает различная величина блоков, фиксируемая по ширине линий на рентгенограммах. Изнашивание таких образцов никеля в потоке абразивных частиц приводит к выравниванию ширины рентгеновских линий у всех образцов, к одинаковому и максимальному измельчению блоков когерентного рассеяния, к выравниванию микротвердости и равенству их абразивной износостойкости.

Интересно отметить, что микротвердость металлов после изнашивания их в абразивном потоке возрастает с увеличением скорости ударов. Следовательно, предельная пластическая деформация при разрушении может существовать лишь для данной скорости, данной схемы разрушающих напряжений.

Известно, что наиболее глубокие пластические деформации, т. е. максимальное измельчение блоков, можно получить с помощью трения (например, патентирование проволоки). Поэтому именно этот способ воздействия на блочность и был применен к чистым металлам и сплавам. Оказалось, что упрочнение трением не изменяет абразивную износостойкость технически чистых металлов, но весьма значительно ее повышает (в два раза и более) для дуралей и особенно сталей.

Даже осторожная токарная обточка уменьшает абразивный износ стали свободным и закрепленным зерном. Подробные исследования данного вопроса со всей определенностью показали, что причиной повышения износостойкости являются фазовые переходы с получением весьма твердых, быстро травящихся структур отпуска аустенито-мартенсита. Получаемые специфические структуры несравненно более стойки, чем структуры обычной термической обработки закалкой и отпуском.

Назад, на страницу описания