Образец для испытания материалов на трение

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при определении контактной прочности различных материалов, поверхностных слоев и покрытий при трении качения. Устройство выполнено в виде цилиндрического ролика с рабочей поверхностью, состоящей из участков, образованных ступеньками. Каждый из участков рабочей поверхности цилиндрического ролика выполнен составным из двух частей, при этом длины рабочих поверхностей этих частей равны. Боковые, нерабочие поверхности параллельны между собой и прижаты с определенным усилием. Технический результат заключается в повышении информативности и достоверности результатов испытаний. 2 ил.

 

Изобретение относится к испытанию материалов на трение и может быть использовано при определении контактной прочности различных материалов, поверхностных слоев и покрытий при трении качения.

Повышение надежности и долговечности тяжелонагруженных деталей и узлов механизмов различного функционального назначения является одной из основных проблем современного машиностроения. Следует отметить, что решение данной проблемы, наряду с увеличением срока службы до капитального ремонта оборудования, снижением металлоемкости, экономией дорогостоящих материалов, обеспечением экологичности и безопасности при эксплуатации в значительной степени зависит от повышения износостойкости и надежности узлов трения.

Высокие нагрузки и скорости, широкий диапазон изменения рабочих температур, воздействие агрессивных сред предусматривает новые области в исследовании процессов трения. Поэтому проблеме изучения триботехнических свойств материалов при взаимодействии контактирующих тел, механике и кинетике распространения трещины в поверхностных и приповерхностных слоях, в том числе и на суб- и микроуровнях, в последнее время уделяется большое значение.

Использование традиционных и разработка новых методов и средств лабораторных испытаний на износостойкость, а также изучение структуры, строения и фазового состава поверхностных слоев, формирующихся в процессе трения, позволяет расширить научные и прикладные исследования в области трения и изнашивания твердых тел. При этом обеспечению конструктивной технологичности исследуемых образцов и удобству проведения последующих комплексных исследований по изучению механизма разрушения контактирующих поверхностей должно уделяться важное значение.

В настоящее время для исследования триботехнических свойств материалов, а также поверхностных слоев и покрытий используют образцы различных конструкций.

Известен цилиндрический образец для испытания материалов на трение, содержащий наружную рабочую контактную поверхность [Тушинский Л.И., Плохое А.В. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. - Новосибирск: Наука, 1986. - 100 с., рис.6.56].

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность получения на одном образце полной информации о механизме и кинетике процесса разрушении поверхностного слоя при трении. Следует отметить, что дальнейшие металлографические исследования при изучении механизма разрушения поверхностных слоев предусматривают изготовление микрошлифов. Механическое воздействие на образец обрабатывающего инструмента в процессе изготовления микрошлифа (порезка, шлифовка, полировка) может изменить исходную структуру и физическое состояние образца, а значит и исказить реальную картину зарождения и распространения очагов разрушения в поверхностных и приповерхностных слоях исследуемых материалов при трении.

Известен образец для испытания материалов на трение, содержащий наружную цилиндрическую рабочую поверхность, длина образующих испытуемой поверхности выполнена плавно изменяющейся в диапазоне от минимального значения до максимального в зависимости от условий нагружения образца [а.с. №712729, кл. G 01 N 3/56, опубл. 30.01.80, Бюллетень №4].

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность получения на одном образце полной информации о механизме и кинетике процесса разрушения поверхностного слоя при трении. При этом данная информация может носить необъективный характер при дальнейших металлографических исследованиях в результате механического воздействия на образец при изготовлении из него микрошлифов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является образец для испытания материалов на трение, выполненный в виде цилиндрического ролика с рабочей поверхностью, состоящей из составных участков, образованных ступеньками, выполненными со скошенной под углом 12-20° боковой поверхностью, длина рабочей поверхности каждой ступеньки равна между собой и определяется расстоянием между вершинами углов, образованных скошенными боковыми поверхностями, а разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками, определяется соотношением:

Δd=Zτ_max,

где Δd=d_max-d_min - разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками;

Zτ_max - глубина расположения максимальных касательных напряжений, возникающих при испытаниях;

Zτ_max=0,5b;

b - полуширина площадки контакта в пределах каждой ступеньки, зависящая от условий испытания, размеров испытуемых образцов и свойств материала [патент №2191996, кл. G 01 N 3/56, опубл. 27.10.2002, Бюллетень №30].

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является вероятность получения необъективных результатов испытаний при дальнейших комплексных исследованиях микрошлифов, при изготовлении которых происходит механическое и тепловое воздействие на образец для испытания материалов на трение в результате его контакта с обрабатывающим инструментом (порезка, шлифовка, полировка), в процессе которого возможно искажение реальной картины разрушения, физико-механического, структурного и фазового состава исходного материала образца для испытаний материалов на трение.

Задачей изобретения является разработка конструкции образца для испытания материалов на трение, позволяющей получить объективную информацию о механизме и кинетике процесса разрушения поверхностного слоя, соответствующую различным стадиям износа при трении качения без последующего изготовления микрошлифов из образца для испытания материалов на трение.

Технический результат - повышение информативности и достоверности результатов испытаний.

Поставленный технический результат достигается тем, что в образце для испытания материалов на трение, выполненном в виде цилиндрического ролика с рабочей поверхностью, состоящей из участков, образованных ступеньками со скошенными под углом 12-20° боковой поверхностью, каждый из участков рабочей поверхности цилиндрического ролика выполнен составным из двух частей, надетых на ось, длины рабочих поверхностей которых равны, а боковые нерабочие поверхности параллельны между собой и прижаты между собой шайбой с гайкой усилием, определяемым из соотношения:

σ_т≥F≥σ_упр,

где F - усилие прижатия частей составного цилиндрического ролика;

σ_упр - предел упругости материала образца;

σ_т - предел текучести материала образца.

Полученные условия повышения информативности и достоверности результатов испытаний в предложенном образце для испытания материалов на трение основаны на следующем.

Необходимость выполнения условия, при котором каждый из участков рабочей поверхности представляет собой составной цилиндрический ролик, состоящий из двух частей, длины рабочих поверхностей которых равны между собой, можно объяснить следующим.

При условии, если длины рабочих поверхностей L1 и L2 составных цилиндрических роликов, состоящих из двух частей, будут не равны между собой, то их площадки контакта будут различными и на них при воздействии контробразца будет действовать различная нагружающая сила Р, следовательно, механизм износа для каждой из частей составного цилиндрического ролика будет различный, что отрицательно скажется на достоверности результатов эксперимента. Следовательно, длины рабочих поверхностей L₁ и L₂ составных цилиндрических роликов, состоящих из двух частей, должны быть равны между собой. При выполнении этого условия в процессе испытания и взаимодействия с контртелом каждой из двух равных по длине рабочих поверхностей L₁ и L₂ составного цилиндрического ролика усилие по площадке контакта будет распределяться равномерно, а значит и результаты испытаний получатся достоверными. При завершении испытаний и последующего разъединения каждой из двух частей составного цилиндрического ролика имеется возможность исследовать механизм разрушения поверхностных слоев без изготовления микрошлифов из образца для испытания материалов на трение, что может внести изменения в свойства материала и привести к необъективным результатам эксперимента.

При невыполнении условия параллельности боковых нерабочих поверхностей составного цилиндрического ролика в процессе испытания не будет обеспечиваться плотное равномерное прижатие указанных поверхностей и в данном случае скажется отрицательное влияние краевого эффекта на рабочей поверхности образца для испытаний материалов на трение в месте соединения двух частей составного цилиндрического ролика, что повлияет на достоверность результатов эксперимента.

Необходимость выполнение условия, при котором боковые нерабочие поверхности составного цилиндрического ролика прижаты усилием, определяемым из соотношения: σ_т>F≥σ_упр, где F - усилие прижатия частей составного цилиндрического ролика; σ_упр - предел упругости материала образца; σ_т - предел текучести материала образца, можно объяснить следующим.

При усилии прижатия, которое создает напряжение меньше, чем предел упругости материала образца для испытания материалов на трение (F<σ_упр) из-за недостаточного усилия прижатия, может сказаться отрицательное влияние краевого эффекта на рабочей поверхности образца для испытаний материалов на трение в месте соединения двух частей составного цилиндрического ролика при взаимодействии с контртелом в процессе испытаний. Недостаточное усилие прижатия может привести к возникновению биений и смещений относительно друг друга составных частей цилиндрического ролика, а значит и искажению результатов испытаний.

При усилии прижатия, которое формирует напряжения равные или большие, чем предел текучести (F≥σ_т), в образце для испытаний материалов на трение будут возникать пластические деформации, которые приведут к необратимым изменениям его геометрических размеров и напряженного состояния, а значит и физико-механических свойств материала образца для испытания материалов на трение, что в значительной степени исказит реальную картину контактного взаимодействия, а значит и достоверность результатов эксперимента.

Многочисленные исследования показали, что при усилии прижатия между собой частей составного ролика, определяемом соотношением σ_т>F≥σ_упр, материал образца для испытания материалов на трение испытывает упругие деформации, а усилия прижатия достаточно для того, чтобы не происходило биений и смещений относительно друг друга составных частей цилиндрического ролика в процессе контактного взаимодействия с контртелом. В данном интервале усилий прижатия не происходит изменения геометрических размеров и физико-механических свойств материала образца для испытания материалов на трение. Поэтому при испытаниях будет фиксироваться достоверная картина механизма разрушения поверхностных слоев образца для испытания материалов на трение.

Следует отметить, что в общем случае переход из упругой зоны в пластическую область при приложении нагрузки к металлическим материалам происходит постепенно, а значит и абсолютной величины напряжения, т.е. определенной точки на диаграмме деформации, соответствующей скачкообразному переходу из упругой в пластическую область, не существует. Поэтому и назначается определенный интервал усилий, необходимый для прижатия между собой частей составного цилиндрического ролика образца для испытания материалов на трение.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, на которых представлено: фиг.1 - образец для испытания материалов на трение - поперечный разрез; фиг.2 - узел трения при испытаниях.

Образец для испытания материалов на трение 1 (фиг.1) выполнен в виде цилиндрического ролика, рабочая поверхность которого состоит из участков, образованных ступеньками 2 со скошенной под углом 12-20° боковой поверхностью, каждый из участков рабочей поверхности представляет собой составной цилиндрический ролик 3, состоящий из двух частей 4, длины рабочих поверхностей которых L₁ и L₂ равны, а боковые нерабочие полированные и параллельные между собой поверхности 5 прижаты усилием F, определяемым из соотношения σ_т>F>σ_упр, где F - усилие прижатия частей составного цилиндрического ролика; σ_упр - предел упругости материала образца; σ_т - предел текучести материала образца.

Образец для испытания материалов на трение 1 плотно надет на ось 6 машины трения, а составные части 4 цилиндрического ролика посредством шайб 7 и гайки 8 прижаты между собой усилием F.

На фиг.2 представлен узел трения при испытаниях, содержащий образец для испытания материалов на трение 1 и контробразец 9.

Образец для испытания материалов на трение 1 рабочей поверхностью, образованной ступеньками 2, представляющей собой составной цилиндрический ролик 3, состоящий из двух частей 4, длины рабочих поверхностей которых L₁ и L₂ равны, с определенным усилием Р прижимается к контробразцу 9. Образец для испытания материалов на трение 1 и контробразец 9 приводятся во вращение с угловыми скоростями ω₁ и ω₂ соответственно.

После определенного числа циклов нагружения, в результате износа, будет происходить поэтапный контакт с контробразцом 9 участков рабочих поверхностей, образованных ступеньками 2 образца для испытания материалов на трение 1 с максимальным d_max, промежуточным d_n и минимальным d_min диаметрами.

Таким образом, при использованной конструкции образца для испытания материалов на трение в процессе непрерывных испытаний осуществляется поэтапный контакт, определяемый различным числом циклов нагружения, рабочих поверхностей образца для испытания материалов на трение с контробразцом.

По окончании проведения испытания образец для испытания материалов на трение разбирается: снимается усилие затяжки болтового соединения, образец разъединяется, и на боковых нерабочих, параллельных между собой, и полированных поверхностях каждого из составного цилиндрического ролика исследуется механизм зарождения и развития трещины. В данном случае нет необходимости применять механические операции (порезка, шлифовка, полировка) и дополнительно изготавливать микрошлифы из образца для испытания материалов на трение для металлографических исследований, т.к. полированные поверхности каждого из составного цилиндрического ролика являются микрошлифом. Таким образом, используя предложенную конструкцию образца для испытания материалов на трение, можно на одном испытуемом образце получать полную информацию о механизме и кинетике разрушения поверхностного слоя, соответствующую различным стадиям процесса износа при трении качения с сохранением изношенных поверхностей и исключением последующей механической операции изготовления микрошлифов, приводящей к возможному изменению физико-механического состояния исследуемого материала образца для испытания материалов на трение, а значит и получению необъективных результатов испытаний.

Одновременно проведены испытания на трение образца-прототипа. Результаты исследования образцов для испытания материалов на трение приведены в таблице.

Образец	Количество микрошлифов на каждый этап контролируемого параметра	Этапы контролируемых параметров
Предлагаемый*	1	- зарождение первичной трещины;
		- рост трещины;
		- выход трещины на поверхность
Прототип	3-5	- зарождение первичной трещины;
		- рост трещины;
		- выход трещины на поверхность
* В качестве микрошлифов использовались боковые нерабочие полированные и параллельные между собой поверхности составного цилиндрического ролика образца для испытаний материалов на трение.

Пример. Испытания проводились на машине трения СМТ-1 по схеме диск по диску с модернизированным узлом нагружения, позволяющим в широким диапазоне изменять контактную нагрузку.

Условия испытания: смазочно-охлаждающая жидкость - масло индустриальное; угловая скорость вращения образцов ω - 1500 об/мин; контактная нагрузка 900 кгс.

Образец для испытания материалов на трение изготавливали из стали 55 с твердостью 40...45 HRC. Рабочую поверхность образца для испытания материалов на трение подготавливали механическим способом с использованием специального алмазного инструмента. Боковые нерабочие полированные и параллельные между собой поверхности составного цилиндрического ролика образца для испытания материалов на трение получали следующим путем: в цилиндрической заготовке сверлилось отверстие для посадки на ось машины трения, затем цилиндрическую заготовку разрезали на четыре части, с одной установки шлифовали одну из нерабочих поверхностей каждого составного цилиндрического ролика, затем все четыре части устанавливали на плоскошлифовальный станок и с одной установки шлифовали вторую нерабочую поверхность, тем самым обеспечивалось условие параллельности нерабочих поверхностей всех частей составного образца для испытания материалов на трение. Полировка нерабочих поверхностей составного цилиндрического ролика осуществлялась механически на полировальных станках при помощи алмазной пасты, нанесенной на войлок. Образец для испытания материалов на трение был выполнен из четырех частей, боковые нерабочие поверхности которых, после приведенной выше механической обработки, представляют собой микрошлиф с шероховатостью Rz 0,2 и допуском на непараллельность 0,01 мм. Составные части образца для испытания материалов на трение собираются на оси испытательной машины и прижимаются друг к другу прижимными шайбами. Затяжка осуществлялась и контролировалась при помощи динамометрического ключа. Длина рабочей поверхности L₁ и L₂ каждой из частей составного цилиндрического ролика равнялась 1,5 мм. Для исследования механизма и кинетики разрушения поверхности образца для испытания материалов на трение, определяемых следующими стадиями: образованием первичной трещины, ее развитием и выходом на поверхность с отделением частицы металла от основной массы материала, количество ступенек изготавливалось равным трем.

Предел упругости σ_упр и предел текучести σ_т стали 55 с твердостью 40...45 HRC, из которой был изготовлен образец для испытания материалов на трение, определяли на разрывной машине EU-20 при одноосном статическом растяжении стандартных цилиндрических образцов с диаметром рабочей поверхности 5 мм по ГОСТ-1497 по диаграмме растяжения.

В результате испытаний на растяжение по диаграмме были получены следующие значения σ_упр и σ_т:

где Р_0,05 - нагрузка, при которой остаточная деформация испытуемого образца достигает 0,05%;

Р_0,2 - нагрузка, при которой остаточная деформация испытуемого образца достигает 0,2%;

F - площадь поперечного сечения образца.

Из приведенных расчетов видно, что нагрузка Р_0,05 и Р_0,2, которые обеспечивают достижение предела упругости σ_упр и предела текучести σ_т испытуемого материала, равны 1560 и 2340 кгс соответственно.

Учитывая, что согласно формуле изобретения боковые нерабочие параллельные между собой поверхности составного цилиндрического ролика образца для испытания материалов на трение должны быть прижаты усилием, определяемым из соотношения:

принимаем,

что усилие прижатия должно находиться в интервале 2340≥F≥1560 кгс.

Исследования показывают, что именно в этом интервале нагрузок будет обеспечиваться достижение требуемого технического результата.

В наших экспериментах усилие прижатие было принято равным 2000 кгс.

Следует отметить, что предел упругости σ_упр и предел текучести σ_т сталей при растяжении хорошо совпадает с этими характеристиками, получаемыми при сжатии (в нашем случае образец для испытания материалов на трение при сборке испытывает усилие сжатия), то полученные характеристики σ_упр и σ_т при испытании стандартных образцов на растяжение можно использовать при расчетах [Бреиштейн М.А., Займовский В.А. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1979 - 495 с., с.345].

Контробразец изготавливался из стали ШХ15 с твердостью ˜61 HRC, шириной рабочей поверхности, равной 9 мм, представляет собой ступенчатый образец, длина рабочей поверхности каждого участка составляет 3 мм. Для изучения механизма износа и более полного отражения реальной картины образования и распространения трещины максимальный диаметр контробразца был принят равным D_max=80 мм, промежуточный диаметр D_n=79,9 мм, минимальный диаметр D_min=79,8 мм.

Механизм и кинетику разрушения изучали металлографическим методом с использованием микроскопа МИМ-8 на боковых нерабочих полированных и параллельных между собой поверхностях после проведения эксперимента и последующего разъединения образца для испытания материалов на трение.

Испытания, смысл которых заключается в поэтапном контактировании рабочих поверхностей участков, образованных ступеньками образца для испытания материалов на трение с рабочей поверхностью контробразца, осуществляются следующим образом.

Образец для испытания материалов на трение 1 плотно надевается на ось 6 машины трения, а составные части 4 цилиндрического ролика посредством шайб 7 и гайки 8 прижаты между собой усилием F.

На начальной стадии испытания (фиг.2) образец для испытания материалов на трение 1 рабочей поверхностью участков, образованных ступеньками 2 с максимальным диаметром d_max, с определенным усилием Р поджимается к контробразцу 9. Образец для испытания материалов на трение 1 и контробразец 9 приводятся во вращение с угловыми скоростями, равными ω₁ и ω₂ соответственно.

После определенного числа циклов нагружения происходит последующий контакт с контробразцом 9 рабочей поверхности участков, образованных ступеньками 2 образца для испытания материалов на трение 1 с промежуточным диаметром d_n. При этом продолжается контакт с контробразцом 9 рабочей поверхности участка, образованного ступенькой 2 с диаметром d_max. При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения в контакт с поверхностью контробразца 9 вступает рабочая поверхность участка, образованного ступенькой 2 образца для испытания материала на трение 1 с минимальным диаметром d_min. При этом продолжается контакт с испытуемым образцом 4 рабочих поверхностей участка, образованного ступенькой 2 образца для испытания материалов на трение 1 с максимальным d_max и промежуточным d_n диаметрами.

Таким образом, в процессе испытания осуществился поэтапный контакт, определяемый различным числом циклов нагружения, рабочих поверхностей образца для испытания материалов на трение с контробразцом, что и позволяет на одном испытуемом образце исследовать механизм и кинетику разрушения поверхностных слоев.

После завершения испытаний образец для испытания материалов на трение разъединяется, а боковые нерабочие параллельные между собой и полированные поверхности являются микрошлифом для проведения металлографических исследований с целью изучения механизма и кинетики разрушения поверхностного слоя при трении - качения, что исключает проведение дополнительных механических операций (порезка, шлифование, полировка) при изготовлении микрошлифов из образца для испытания материалов на трение.

В результате проведенных металлографических исследований, выполненных на боковых нерабочих параллельных между собой и полированных поверхностях всех частей составного цилиндрического ролика образца для испытания материалов на трение, установлено, что после определенного числа циклов нагружения, определяемого временем контакта рабочей поверхности участков, образованных ступеньками образца для испытания материалов на трение с минимальным диаметром D_min контробразца, на поверхности образца для испытания материалов на трение образуется первичная трещина. При увеличении числа циклов нагружения, когда в контакте с образцом для испытания материалов на трение участвует рабочая поверхность участка с промежуточным диаметром D_n контробразца, в трещину проникает масло, которое вызывает высокое давление в трещине, в результате чего происходит ее дальнейший рост. При увеличении числа циклов нагружения (контакт рабочей поверхности участков, образованных ступеньками образца для испытания материалов на трение с промежуточным диаметром D_n контробразца), трещина продолжает расти наклонно к испытуемой поверхности. При последующем увеличении числа циклов нагружения, когда в контакте с образцом для испытания материалов на трение участвует рабочая поверхность участка контробразца с максимальным диаметром D_мах, трещина выходит на поверхность образца для испытания материалов на трение, приводя к ее разрушению.

Таким образом, используя предложенную конструкцию образца для испытания материалов на трение, можно получать полную информацию о механизме и кинетике разрушения поверхностного слоя, соответствующую различным стадиям процесса износа при трении качения с сохранением изношенных поверхностей и исключением последующей операции механической обработки (порезка, шлифование, полировка) при изготовлении микрошлифов из образца для испытания материалов на трение.

Одновременно проведены испытания на трение образца-прототипа. Результаты исследования образцов для испытания материалов на трение приведены в таблице.

Из таблицы видно, что применение предложенной конструкции образца для испытания материалов на трение приводит к повышению информативности и достоверности результатов испытаний по сравнению с образцом-прототипом. После проведения эксперимента из образца-прототипа изготавливались микрошлифы для металлографических исследований. Неоднократно в процессе изготовления микрошлифов выявленная на поверхности трещина терялась при механической обработке, заполировывалась и не просматривалась в поле зрения окуляра микроскопа, поэтому возникала необходимость изготовления новых микрошлифов. В некоторых случаях было установлено, что при механическом воздействии металлообрабатывающего инструмента (давление, температура) возникали изменения в структуре и свойствах исследуемого материала образца-прототипа, что искажало истинную картину разрушения и также требовало изготовления новых микрошлифов. Практикой установлено, что для полного и объективного исследования механизм разрушения требуется изготовление 3-5 микрошлифов из образца-прототипа.

Итак, использование предлагаемой конструкции образца для испытания материалов на трение обеспечивает:

повышение информативности испытаний;

повышение производительности в 3-5 раза (не требуется изготовление микрошлифов);

повышение достоверности результатов испытаний - отсутствие влияния металлообрабатывающего инструмента (порезка, шлифовка, полировка) на свойства материала при изготовлении микрошлифов по сравнению с образцом-прототипом.

Образец для испытания материалов на трение, выполненный в виде цилиндрического ролика с рабочей поверхностью, состоящей из участков, образованных ступеньками со скошенными под углом 12-20° боковой поверхностью, каждый из участков рабочей поверхности цилиндрического ролика выполнен составным из двух частей, надетых на ось, длины рабочих поверхностей которых равны, а боковые нерабочие поверхности параллельны между собой и прижаты между собой шайбой с гайкой усилием, определяемым из соотношения:

σ_т≥F≥σ_упр,

где F - усилие прижатия частей составного цилиндрического ролика;

σ_упр - предел упругости материала образца;

σ_т - предел текучести материала образца.