Влияние качества рабочих поверхностей деталей машин на их эксплуатационные свойства

Эксплуатационные показатели деталей машин физически связа­ны с параметрами качества сопрягаемых поверхностей. Основными эксплуатационными свойствами деталей машин являются: износос­тойкость, усталостная прочность, контактная жесткость, коррози­онная стойкость, прочность, точность и герметичность соединений, прочность соединения с покрытием, термическое и электрическое контактные сопротивления, аэро — и гидродинамическое сопротив­ление и т. д. Эти свойства количественно оценивают с помощью экс­плуатационных показателей, таких как интенсивность износа, по­датливость, коррозионные потери и др.

Взаимное контактирование деталей происходит на вершинах волн и выступах поверхностей, образованных макронеровностями. Две сопрягаемые поверхности 1 и 2 (рис. 1.16, а) соприкасаются по наибо­лее выступающим неровностям. Износ трущихся поверхностей или деформирование при запрессовке начинается с вершин микронеровно­
стей на участках А (рис. 1.16, а). а При отсутствии микронеровнос­тей решающую роль в деформи­ровании играет волнистость (рис. 1.16, б). При отсутствии вол­нистости нагрузку воспринимают только неровности, которые определяют процесс износа.

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 фактическая пло­щадь касания. В контакт первы­ми вступают противостоящие друг другу на сопряженных поверхностях выступы, сумма высот которых наибольшая.

Деформация неровностей и их основ вызывает сближение по­верхностей. По мере увеличения нагрузки поверхности все более сближаются, и в контакт всту­пают пары выступов с меньшей

суммой высот. Разновременность вхождения в контакт выступов, различающихся по высоте, дифференцирует их напряженное состоя­ние и деформацию.

Таким образом, при оценке влияния отдельных видов погрешно­стей формы детали необходимо учитывать сначала воздействие наи­более выступающих неровностей; по мере их удаления вступают в строй неровности меньших размеров. Волнистости при работе созда­ют фактический контакт сопряженных поверхностей, что имеет боль­шое значение при износе, запрессовке, герметичности соединений.

При соприкосновении твердых тел вследствие отклонений их по­верхностей от правильной геометрической формы контактирование осуществляется не по номинальной площади 1 (рис. 1Л 7), а только по ее части. Номинальная площадь касания (Ай) — геометрическое мес­то всех возможных фактических площадок контакта, очерченное раз­мерами соприкасающихся тел. В соприкосновение обычно входят са­мые высокие микронеровности, суммарная площадь которых назы­вается фактической площадью касания 3 (Аг) (см. рис. 1Л7).

В зависимости от величины нагрузки, приложенной к каждой микронеровности, механических свойств материала и геометричес­кого очертания микронеровностей в зоне фактического касания мо­гут иметь место упругие, упругопластические и пластические дефор­мации. Силовое возбуждение через дискретные контакты, образо­ванные отдельными микронеровностями, передаются волнами, на которых они расположены и вызывают их деформацию. Волны, как правило, деформируются упруго. Площадь контура, образовавшая­ся в процессе этой деформации, называется контурной площадью касания 2 (Ас). Из представленной схемы (рис. 1.17, 6) следует, что фактическая площадь касания [14] равна

Рис. 1.17. Схема контактирования твердых тел (а) и схематическое изображение различных площадей контакта (б): 1 — номинальная площадь (А^); 2 — контурная площадь касания (Ас); 3 — фактическая площадь касания (Аг) [14]

Контурная площадь касания Ас и номинальная площадь касания Аа равны.

Пластическая деформация выступов микронеровностей и их вза­имное внедрение начинается при среднем давлении на контакте, равном примерно утроенному пределу текучести материала ат (пре­дел текучести — напряжение, при котором остаточная деформа­ция єост = 0,002, т. е. остаточное удлинение образца составляет 0,2 % его начальной расчетной длины. За физический предел текучести ат принимают напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки).

Предельное среднее давление на площадях фактического контакта с учетом упрочнения материала в процессе пластической деформа­ции достигает двух-трехкратного значения его твердости при вдав­ливании. При этом давлении материал под контурной площадкой, деформировавшейся упруго, начинает деформироваться пластичес­ки. В результате либо увеличиваются размеры площадки за счет ча­стичного погружения находящихся в контакте выступов и поднятия других с вступлением их в контакт, либо возникают новые площад­ки контакта. Полное погружение выступов в пластически деформи­рованную основу не наблюдается.

Площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пя­тен касания в местах наиболее полного сближения поверхностей. Между площадками касания тел имеются соединенные между собой или закры­тые микрополости, заполненные воздухом или другой газовой сре­дой, смазочным материалом, продуктами изнашивания. Площадь фак­тического контакта зависит от микро и макрогеометрии поверхнос­тей, волнистости, физико-механических свойств поверхностного слоя и от нагрузки. При большой нагрузке рост площади фактического кон­такта сопровождается увеличением размеров площадок контакта.

Площадь фактического контакта возрастает при увеличении нагрузки, уменьшении шероховатости и росте радиуса закругления вершин ее неровностей. Кроме того, она несколько увеличивается при большей длительности действия нагрузки. Эта площадь убыва­ет с увеличением упругих характеристик, предела текучести матери­ала и высоты неровностей поверхностей.

При сопряжении поверхностей из двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механически­ми свойствами более мягкого ма­териала и геометрией поверхности более твердого материала. Смятие микронеровностей (рис. 1.18) име­ет место, когда поверхность более мягкого из контактирующих тел соприкасается с поверхностью более твердого тела. Преимуще­ственной деформацией в контактных зонах является внедрение бо­лее твердых микронеровностей или участков поверхности в менее твердые.

Большинство сплавов обладают неоднородностью различных составляющих по твердости и имеют разную ориентировку кристал­лических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдель­ных площадках фактического контакта, начиная с малых нагрузок, происходит взаимное внедрение твердых составляющих и кристал­лов, обращенных к поверхности «сильными» гранями, в менее твер­дые структурные составляющие и «слабые» грани кристаллов. Неоднородность металла, вызванная всевозможными включениями, примесями, трещинами, остаточными напряжениями и т. д. (напри­мер, у наплавленного металла), благоприятствует взаимному вне­дрению поверхностей.

Для изнашивания поверхностей трения имеет значение не сам факт изменения их шероховатости, обусловленный неоднородностями строения металлов, а связанное с ним взаимное внедрение поверх­ностей. Глубина взаимного внедрения зависит от физико-механи­ческих свойств материалов, шероховатости поверхностей и нагруз — ки. Если исключить взаимное внедрение выступов поверхностей, упроченных в результате обработки, то при малых нагрузках вза­имное внедрение незначительно по глубине и носит в основном уп­ругий характер.

Фактическая площадь контакта определяется экспериментально методом полного внутреннего отражения при контактировании шероховатой поверхности со стеклянной призмой с помощью изме­рения нарушения сплошности тонких слоев угольных пленок. Ис­пользуются методы, основанные на измерении электропроводности
контакта, переносе вещества с одной поверхности на другую, метод радиоактивных изотопов, оптические методы. Расчет фактическо­го контакта производится в виде набора сферических сегментов оп­ределенного радиуса.

Увеличение сроков службы путевых, строительных, дорожных, погрузочно-разгрузочных и других видов машин, снижение их ме­таллоемкости, сохранение энергии, материалов, повышение произ­водительности, обеспечение экологичности и безопасности зависит от повышения износостойкости и надежности узлов трения.

Пара трения (фрикционная пара) — система из двух подвижно со­пряженных поверхностей деталей в условиях эксплуатации или ис­пытаний. Помимо материала, формы контактирующих поверхнос­тей, относительного их перемещения, пара трения характеризуется окружающей средой, в том числе видом смазочного материала. Один элемент системы называют материалом трения (обычно металл, ком­позит и др.), а другой — контртелом (чаще всего чугун или сталь).

Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с по­верхности твердого тела и (или) накопления его остаточной дефор­мации при трении, проявляющийся в постепенном изменении раз­меров и (или) формы тела.

Износ — результат изнашивания, проявляющийся в виде от­деления или остаточной деформации материала и определяемый в единицах длины, объема, массы и др.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивле­ние изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое ве­личиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изна­шивания. Износостойкость материала трения определяется при его испытаниях на трение и изнашивание в лабораторных (модельные триботехнические или стендовые испытания) или натурных услови­ях. Для этой цели применяют машины трения или стенды (фрикци­онные и др.).

Интенсивность изнашивания — отношение износа детали (образ­ца) к пути трения или объему выполненной работы. Обозначается Ifj при линейном износе и Ig при весовом износе. Интенсивность из­нашивания является функцией, как материала пары трения, так и условий трения, поэтому последние должны быть точно оговорены. Интенсивность изнашивания в условиях упругого контакта прямо пропорциональна нормальному давлению и обратно пропорцио­нальна числу циклов и модулю упругости. В общем случае интенсив­ность изнашивания при пластическом контакте тем выше, чем боль­ше прочность фрикционной связи и чем меньше твердость материа­ла и его разрывное удлинение. При определении интенсивности из­нашивания может оказаться более целесообразным относить износ к другому показателю, общему для всех узлов и агрегатов данной машины. Так, для автомобилей в качестве такого показателя может быть принято число километров пробега, а для тракторов — коли­чество гектаров пахоты.

Скорость изнашивания (темп износа) — отношение износа детали к интервалу времени, в течение которого происходило изнашивание.

Относительная износостойкость — отношение износостойкости испытуемого материала к износостойкости эталонного материала в одинаковых условиях трения. Определение относительной износос­тойкости является одним из наиболее распространенных видов ис­пытаний на изнашивание материалов трения.

Предельный износ детали (узла) — износ, при котором дальней­шая эксплуатация становится невозможной вследствие выхода де­тали (узла) из строя, неэкономичной или недопустимой ввиду сни­жения надежности механизма.

В соответствии с ГОСТ 23.002-78 в науке о трении и изнашива­нии различают следующие виды изнашивания:

-механическое—происходит в результате механических воздействий.

— коррозионно-механическое — изнашивание в результате меха­нического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) элек­трическим взаимодействием материала со средой.

— абразивное — механическое изнашивание, в основном, в резуль­тате режущего или царапающего действия твердых частиц, на­ходящихся в свободном или закрепленном состоянии.

— эрозионное — механическое изнашивание в результате воздей­ствия потока жидкости и (или) газа.

— гидроэрозионное (газоэрозионное) — эрозионное изнашивание вследствие воздействие потока жидкости (газа).

— гидроабразивное (абразивное) — эрозионное изнашивание вслед­ствие воздействия потока жидкости и абразивных частиц.

— усталостное — механическое изнашивание в результате уста­лостных разрушений при повторных деформациях микрообъемов ма­териала поверхностного слоя.

— кавитационное — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает повышение давле­ния или температуры.

— при заедании — изнашивание в результате схватывания, глубин­ного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную по­верхность,

— окислительное — коррозионно-механическое изнашивание, при котором основное влияние имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

— изнашивание при фреттинге — механическое изнашивание со­прикасающихся тел при малых колебательных и относительных пе­ремещениях.

— изнашивание при фреттинг-коррозии.

— электроэрозионное — эрозионное изнашивание поверхности в ре­зультате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Этим же стандартом (ГОСТ 23.002-78) устанавливаются неко­торые определения характеристик износа. К ним относятся: а) пре­дельный износ — износ, соответствующий предельному состоянию; б) допустимый износ — износ, при котором деталь сохраняет рабо­тоспособность; в) местный износ — износ на отдельном участке; г) эпюра износа — графическое изображение распределения местно­го износа по поверхности трения или по определенному ее сечению.

В результате взаимодействия трущихся поверхностей деталей меняются как внешние (скорость скольжения, удельное давление, рельеф поверхности, смазка), так и внутренние (физические свой­ства поверхностного слоя) условия трения и, следовательно, меня­ется качество поверхности в целом. Интенсивность изнашивания и абсолютный износ изменяются в зависимости от времени работы трущихся деталей или пути трения. Скорость изнашивания опре­деляют графическим дифференцированием как тангенс угла накло­на касательной, проведенной в точке графика, соответствующей времени /.

Если отложить по оси абсцисс время t работы пары трения (рис. 1.19), а по оси ординат износ И, то получим кривую изнашивания детали (кривая 1) во времени. Тангенс угла наклона а, образованного осью абсцисс и касательной к кривой в произвольной точке, определяет ско­
рость изнашивания (кривая 2)

at

Процесс износа происхо­дит в три стадии. На первой стадии I (см. рис. 1.19) осуще­ствляется приработка повер­хностей детали, занимающая нестационарный режим изно-

Рис. 1.19. Течение процесса изнашивания са, но с постепенно убываю-

(1) и скорость изнашивания (2) трущихся щей скоростью изнашивания.

поверхностей: Вторая стадия II является са-

А — приработочныи износ; Б — допуска­емый рабочий износ; В — износ, вызы — мои продолжительной, проис-

вающий нарушение работы узла трения ходит стабилизация процесса

скорость изнашивания наименьшая и примерно одинаковая. Этот уча­сток характеризует нормальную эксплуатацию сопряжения после приработки. Третья стадия III характеризует процесс резкого воз­растания скорости изнашивания, соответствующий стадии катаст­рофического изнашивания в результате изменения размеров и фор­мы трущихся деталей и ухудшения условий эксплуатации.

В процессе изнашивания деталей неровности непрерывно изме­няют как свою форму, так и физические свойства. В период прира­ботки двух трущихся поверхностей происходит постепенное исти­рание неровностей, полученных при механической обработке, и об­разование новых неровностей. После приработки неровности меняют форму, размер и направленность. В отличие от первоначальных не­ровностей новые неровности оказываются направленными в сторо­ну движения скольжения (или качения) при трении. Эти новые не­ровности являются оптимальными с точки зрения дальнейшего из­нашивания, протекающего после приработки.

Шероховатые поверхности контактируют на сравнительно ма­лой общей площади при высоких средних давлениях. Форма не­ровностей имеет большое значение для износостойкости по­верхности. Она учитывается кривой опорных (несущих) площадей, ординаты которой соответствуют высоте рассматриваемых сече­ний профиля от линии низших точек впадин, а абсциссы равны сум­ме сечений гребешков на заданной единице длины поверхности. Эта
кривая (рис. 1.20) в известной мере характеризует возрастание не­сущей площади S поверхности деталей по мере среза вершин гре­бешков. В связи с необходимостью удаления значительных неров­ностей в процессе приработки, начальный износ возрастает. Мо­жет потребоваться больше времени на приработку, не исключается образование крупных частиц износа, которые могут вызывать за­диры. Слишком гладкие поверхности меньше адсорбируют смазоч­ные материалы (адсорбция — концентрация жидкости или газооб­разных веществ (адсорбатов) на поверхностях твердых тел или жидкостей (адсорбентов), происходящая в результате взаимодей­ствия полей адсорбента и адсорбата).

С другой стороны, из-за большей фактической площади кон­такта скорость изнашивания невелика и может оказаться недоста­точной для такого прирабатывания сопряженных поверхностей, ко­торое необходимо для предупреждения опасной концентрации на­грузки. В результате иногда наступает заедание даже после длительной работы.

При обработке деталей на поверхности образуются шерохова­тости в определенном на­правлении (штрихи), кото­рые зависят от вида механи­ческой обработки. Важным фактором при эксплуатации деталей является направле­ние следов механической об­работки. Различные ее виды, позволяя получить одинако­вую высоту микронеровнос­тей, сообщают им не только различную конфигурацию, но и различное расположение на поверхности.

Казалось бы, что с точки зрения прирабатываемости наиболее рациональным явля­ется направление штрихов, параллельное относительной скорости поверхностей. Одна­
ко это не может служить правилом. Наиболее выгодное расположе­ние обработанных рисок на сопрягаемых поверхностях с учетом направления относительной скорости зависит от давления, режима смазывания трущихся материалов и величин параметров шерохо­ватости. При трении без смазочного материала и больших давлений штрихи на обеих поверхностях, расположенных перпендикулярно движению, способствуют заеданию.

Предупредить заедание можно взаимно перпендикулярным рас­положением штрихов на сопряженных поверхностях. Такое же рас­положение штрихов рекомендуется при трении с граничной смаз­кой поверхностей с малой шероховатостью. При трении без смазоч­ных материалов и небольших давлениях или при граничной смазке и относительно большой шероховатости (Rq = 2,5..Л,25 мкм) целе­сообразна параллельность обработанных штрихов в направлении движения. При абразивном изнашивании приработка непродолжи­тельна и метод окончательной обработки выбирают исходя из тех­нико-экономических соображений.

Волнистость сопрягаемых поверхностей уменьшает площадь фак­тического контакта и повышает давление. Второе обстоятельство определяется в большей мере изменением характера контакта. Если под нагрузкой контакт нигде не нарушается, то фактическая пло­щадь контакта равна номинальной. Наличие волнистости меняет характер контакта: взамен плоских (на примере плоских поверхнос­тей) контактируют кривые поверхности со свойственными им зна­чительными напряжениями на малых площадках взаимного каса­ния. Несмазанные волнистые поверхности менее стойки против зае­дания, чем ровные. При смазанных поверхностях более стойкими оказываются волнистые, поскольку они удерживают смазочный ма­териал во впадинах между волнами. Иногда преднамеренно делают волнистыми рабочие поверхности прямолинейных направляющих для увеличения их надежности.

Макрогеометрические отклонения во взаимном расположении осей и поверхностей деталей ухудшают условия контактирования поверхностей: уменьшается номинальная площадь контакта, линей­ное касание переходит в точечное. Макрогеометрическое отклоне­ние изменяет толщину смазочной прослойки.

Процесс разрушения деталей машин начинается с образования на их поверхностях микроскопических трещин. Неровности обра­ботанной поверхности играют роль таких микротрещин. Для сохра­нения нормального срока службы деталей в условиях знакоперемен­ной нагрузки необходимо тщательно отделывать рабочие поверх­ности, не допуская неровностей с высотой более 0,5… 1,0 мкм.

Шероховатость поверхности влияет на величину предела выносливости деталей машин. Более грубая обработка снижает предел выносливости. В табл. 1.3 показано влияние характера об­работки на предел выносливости при изгибе образцов, изготов­ленных из трех различных сталей. Из таблицы видно, что за счет механической обработки можно повысить усталостную прочность на 10…30 %.

Таблица 1.3 Влияние характера обработки поверхности на предел выносливости детали при изгибе Характер обработки поверхности детали Предел прочности стали, МПа = 460 0R = 930 ав= 1390 Предел выносливости, % Тонкое полирование при притирке 100 100 100 Грубое полирование при суперфинишировании 95 93 90 Чистовое шлифование или чистовое точение 93 90 88 Грубое шлифование или грубое точение 90 80 70 Прокатка с получением окалины 70 50 35 Корродирование в пресной воде 60 35 20 Корродирование в морской воде 40 23 13

Таким образом, за счет отделочной обработки, уменьшающей величину шероховатости поверхности, можно повысить мощность конструируемых машин и уменьшить их металлоемкость при сохра­нении неизменной прочности.

Усталостная прочность деталей из прокатанного материала в 2-3 раза ниже прочности полированных деталей. Введение дополнительной чистовой обработки окупается выигрышем в усталостной прочнос­ти деталей при их эксплуатации. Значительное влияние на предел выносливости оказывают шлифовочные трещины в поверхностных слоях деталей, возникающие при неправильных режимах шлифова­ния (перегрев металла).

Остаточные напряжения влияют на эксплуатационные характе­ристики деталей машин. Растягивающие напряжения обычно влия­ют отрицательно. Для деталей, работающих в условиях знакопере — 4- 7736 менной нагрузки и имеющих растягивающие напряжения в поверх­ностных слоях, необходимо технологическое формирование сжима­ющих остаточных напряжений, что обеспечивается специальной уп­рочняющей технологией. Остаточные напряжения, созданные ме­ханической обработкой, значительно влияют на износ деталей в том случае, когда в процессе механической обработки в поверхностных слоях имели место структурные превращения под влиянием высо­кой температуры резания.

Одним из важнейших эксплуатационных свойств деталей машин является их коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость — способность поверхности противостоять разрушающему воздей­ствию коррозионной среды. Для оценки коррозионной стойкости используют следующие показатели:

— коррозионные потери (отношение потери массы к площади прокорродировавшей поверхности;

— скорость коррозии (производная от коррозионных потерь, которые могут быть выражены в утрате некоторого свойства веще­ства во времени).

Влияние качества поверхности деталей на их коррозионную стой­кость (табл. 1.4) определяли на специальных образцах в виде колец из стали 45 (HRC 30…35), наружная поверхность которых обрабатыва­лась различными методами с разной шероховатостью (.Ra = 0,06… 12,5) со степенью наклепа = 1,08…1,63).

В результате пластической деформации в металле создаются мик­ронеоднородности (в связи с неравномерностью протекания процесса деформирования в различно ориентированных зернах разного со­става, например, ферритные зерна деформируются интенсивнее пер­литных), что способствует возникновению большого количества микроэлементов (более наклепанные ферритные зерна становятся анодами, менее наклепанные перлитные — катодами). Наличие де­фектов в кристаллической решетке приводит также к интенсифика­ции процессов адсорбции и развитию коррозионных и диффузион­ных процессов.

Следует иметь в виду, что более коррозионностойкими будут (при прочих равных условиях) поверхности с более однородной поверх­ностью (глубокие впадины с малыми углами скруглення способству­ют появлению первых коррозионных разрушений) и с более равно­мерным распределением наклепа и остаточных напряжений.

Качество поверхности детали и соответствующие им показатели коррозионной стойкости Метод обработки Характеристики шероховатости по ГОСТ 2789-73 Степень Масса образцов, г Потеря Прони­цае­мость П, мм/год Группа стойкости R* мкм Rp, мкм МКМ tap 5™. мм наклепа к„ до испы­тания после испыта­ ния массы К, г/м2 Балд Точение 12,5 4,6 8,1 0,396 0,15 1,12 36,7421 36,7321 6,26 0,00975 Весьма 3 1,36 2,6 6,6 0,473 0,055 1,08 42,6107 42,6059 3,0 0,00468 стойкие 2 Шлифова- 2,0 4,5 9,4 0,519 0,08 1,15 43,7188 43,7145 2,687 0,00419 Весьма 2 ние 0,24 0,6 1,18 0,640 0,033 1,18 50,7932 50,7895 2,312 0,00361 стойкие 2 Накатыва- 1,05 3,96 8,6 0,533 0,061 1,40 42,8628 42,8510 7,375 0,0115 Стойкие 4 ние после 1,12 1,6 6,2 0,63 0,064 1,50 42,8360 42,8970 38,12 0,05947 Стойкие 5 точения 6,2 11,2 25,3 0,551 1,151 1,45 45,2521 45,2521 9,0 0,01403 Стойкие 4 3,54 5,1 17,1 0,650 0,140 1,58 45,1466 45,1366 6,25 0,00975 Весьма стойкие 3 Накатыва­ние после 2,1 3,03 10,4 0,587 0,133 1,35 43,1521 43,1482 2,467 0,00380 Весьма стойкие 2 шлифования 1,25 4,1 7,6 0,422 0,114 1,63 42,9079 42,8957 7,625 0,0189 Стойкие 4 0,17 0,28 0,32 0,647 0,036 1,3 50,9720 50,9601 7,437 0,0116 Стойкие 4 0,25 0,5 1,4 0,573 0,042 1,52 50,6338 50,7281 3,562 0,0056 Весьма стойкие 3 Магнитно­ абразивная 0,17 0,51 1,2 0,560 0,03 1,10 43,6533 43,6494 2,437 0,0038 Весьма стойкие 2 обработка 0,058 0,164 0,27 0,567 0,028 1,122 44,2311 44,2302 0,562 0,00088 Совершенно стойкие

Процессы, протекающие в поверхностном слое детали при эксплуатации, и ее служебные характеристики зависят от состояния слоя, полученного при технологической обработке, условий нагру­жения и особенностей контактного взаимодействия.

Взаимосвязи перечисленных факторов образуют сложную динамическую систему, в которой изменение состояния поверхностно­го слоя в процессе эксплуатации влечет за собой изменение условий нагружения, особенностей контактного взаимодействия. В частно­сти, приработка рабочих поверхностей и формирование на них вто­ричных структур приводят к снижению коэффициента трения в под­вижных сопряжениях, в результате чего уменьшаются действующие нагрузки и изменяется их характер. В итоге это сказывается на не­сущей способности поверхностного слоя.

Эта динамическая система может находиться в состоянии устой­чивого равновесия, когда всякое изменение в поверхностном слое или уровне действующих нагрузок вызывает процессы, приводящие сис­тему в равновесное состояние (замена разрушенных вторичных струк­тур новыми, приработка и залечивание образующихся задиров и др.).

Возможны условия нагружения, при которых для данных свойств поверхностного слоя равновесное состояние динамической системы невозможно. В этом случае не обеспечиваются нормальные условия контактного взаимодействия, отсутствуют стабильные возможные структуры, образуются задиры, растет сила трения, наблюдается ин­тенсивное абразивное изнашивание.

Значение и характер нагрузок зависят от конструкции узла и ус­ловий его эксплуатации. При невозможности или нерациональнос­ти уменьшения действующих нагрузок с помощью конструкторских приемов (изменение габаритных размеров, конструктивных элемен­тов, материалов) равновесное состояние системы «поверхностный слой — условия нагружения» обеспечивается способами упрочняю­щей технологии через изменение состояния поверхностного слоя. Часто, в особенности для сопряжений, эксплуатируемых в условиях динамического нагружения, равновесное состояние динамической системы не достигается вообще. В подобных случаях использование поверхностного упрочнения позволяет снизить скорость изнашива­ния и повысить ресурс работы детали.

Способы поверхностного упрочнения влияют как на микрогео­метрию поверхности детали, так и на физико-химические свойства

приповерхностных объемов металла, их структуру и фазовый состав, определяя состояние поверхностного слоя.

Как отмечалось ранее, качество поверхностного слоя характеризу­ется многообразием параметров. Решение подобных задач услож­няется многообразием условий нагружения и процессов, протекаю­щих в поверхностном слое при эксплуатации.

Таким образом, рассмотрев роль показателей качества поверхностного слоя деталей в эксплуатации, отметим, что при кон­струировании и ремонте машин, работающих в различных услови­ях эксплуатации и износа деталей, необходимо находить оптималь­ные показатели качества поверхности и свойства материала изна­шивающихся элементов деталей с учетом основного процесса износа, необходимо установление связей и количественных соотношений показателей качества поверхностного слоя деталей и режимов его обработки.

Контрольные вопросы

1. Какими свойствами и характеристиками определяется каче­ство поверхностного слоя деталей?

2. Какие геометрические характеристики поверхности деталей существуют?

3. Какими факторами обусловлена шероховатость поверхности?

4. Какая разница между шероховатостью поверхности, волнис­тостью и отклонениями геометрической формы?

5. Как влияет шероховатость поверхности на усталостную проч­ность металлов?

6. Какие вы знаете особенности усталостного излома цилиндри­ческих деталей?

7. Что такое технологическая наследственность и как она влияет на качество рабочих поверхностей деталей?

8. Каким образом оценивается наклёп в поверхностных слоях металла деталей?

9. Назовите виды изнашивания и характеристики количествен­ной оценки износа деталей?

10. Какие три стадии изнашивания трущихся поверхностей дета­лей существуют?