Лабораторна робота №5

Вивчення методики дослідження втомного зношування

1 МЕТА ЗАНЯТТЯ

1.1 Вивчити причини та механізм втомного зношування.

1.2 Ознайомитись із методикою та обладнанням для визначення стійкості матеріалів до втомного зношування.

1.3 Описати поверхню підшипника кочення, зруйновану у результаті втомного зношування.

2 ОБЛАДНАННЯ

2.1 Пристрій для дослідження втомного зношування з набором зразків¹.

2.2 Штангенциркуль та лінійка.

2.3 Роликовий підшипник із слідами пітингу на робочих поверхнях

3 ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Втомним називається механічне зношування в результаті втомного руйнування при повторному деформуванні мікрооб’ємів матеріалу поверхневого шару. Втомне зношування спостерігається у більшості трибосполучень машин та механізмів у якості супутнього виду зношування. Воно виникає як при терті кочення, так і при тертя ковзання. Як приклад втомного зношування можна привести: поверхні тертя газорозподільного механізму двигуна внутрішнього згорання, робочі доріжки ходових кранових коліс, робочі поверхні кілець підшипників кочення, гальмівні і фрикційні диски і т.д.

Процес втомного зношування зазвичай пов’язаний із багатократно повторюваними циклами навантажень у контакті кочення або ковзання. У процесі взаємодії поверхонь у їх верхніх шарах виникають поля напружень (рисунок 5.1), причому максимум дотичних напружень концентрується на деякій відстані від точки контакту.

Рисунок 5.1 – Поля напружень від окремої нерівності, що ковзає по плоскій поверхні

Інтенсивність втомного зношування визначається наступними факторами:

• наявність залишкових напружень і поверхневих концентраторів напружень (оксидів та їх крупних включень, дислокацій);

• якістю поверхні (мікропрофіль, забруднення, вм’ятини, подряпини, задири, канавки, риски);

• розподілом навантаження у сполученні (пружними деформаціями, перекосами деталей, зазорами);

• видом тертя (кочення, ковзання або кочення із проковзуванням);

• наявністю і типом мастильного матеріалу.

Сучасний погляд на механізм втомного зношування наступний.

Зношування здійснюється внаслідок втоми мікрооб’ємів матеріалу, яка виникає під дією багатократних стискаючих і розтягуючих зусиль, які не перевищують критичні Ркр. У результаті циклічної дії навантаження на поверхні деталі виникають втомні мікротріщини, які поступово з’єднуючись призводять до утворення частинок зносу. Це явище отримало назву фрикційно-контактної втоми.

При механічній взаємодії деталей у поверхневих шарах матеріалу виникає складний напружений стан: перед виступом шорсткості утворюються зона стискання матеріалу, а за виступом – зона розтягування (рисунок 5.1). У результаті такої знакозмінної циклічної дії у мікрооб’ємах матеріалу нагромаджуються пошкодження, як знижують його міцність. Нагромадження втомних мікропошкоджень призводить до руйнування поверхневих шарів у зоні тертя.

Процес катастрофічного втомного зношування протікає наступним чином (рисунок 5.2, а). Спочатку на поверхні тертя 1 утворюються втомні мікротріщини 2. Мастильний матеріал, попадаючи у мікротріщини, сприяє їх розклинюванню 3 і викришуванню частинок 4 металу, у результаті чого на поверхні появляються мілкі віспочки – пітинг. Число цих віспин і одночасно їх розміри збільшуються до тих пір, доки зростаюче контактне напруження на робочих поверхнях не призведе до пластичної деформації і інтенсивного зношування деталі. Товщина зруйнованого шару металу приблизно відповідає глибині поширення під поверхнею максимальних дотичних навантажень.

З алежно від співвідношення нормальної та тангенційної складової сил у контакті, а також від структури матеріалу і його фізико-механічних властивостей первинна мікротріщина може зародитися і в підповерхневому шарі. У цьому випадку механізм руйнування поверхні можна представити наступним чином (рисунок 5.2, б): 1 – зароджуються підповерхневі дислокації; 2 – відбувається процес нагромадження дислокацій; 3 – утворюються порожнини; 4 – злиття порожнин призводить до утворення мікротріщин, паралельних поверхні тертя; 5 – при досягненні мікротріщиною деякої критичної довжини відділюється частинка зносу. Підповерхневі мікротріщини зароджуються, як правило, у деталях із неоднорідною структурою матеріалу: азотованих, цементованих, поверхнево загартованих, а також у деталях, що працюють при дуже великих контактних навантаженнях.

Рисунок 5.2 – Схема втомного зношування поверхні при Р < Ркр і виникненні: а - первинної мікротріщини на поверхні; б – мікротріщини в підповерхневому шарі [4]

Швидкість втомного руйнування залежить від співвідношення швидкостей кочення контактуючих тіл. При коченні з проковзуванням випереджаюча поверхня має на 30…100 % більшу межу витривалості, ніж відстаюча. Пояснюється це тим, що сили тертя в контакті на випереджаючій поверхні направлені проти, а на відстаючій - за швидкістю кочення (рисунок 5.3).

Розкрита тріщина відстаючої поверхні розвивається назустріч напрямку руху. Мастильний матеріал з великою швидкістю надходить у тріщину і закриває її. Надалі тріщина закривається випереджаючою поверхнею і тиск на її стінки ще більше зростає. На випереджаючій поверхні гідродинамічний тиск у шарі мастильного матеріалу видавлює масло із тріщини. За вказаних умов на випереджаючій поверхні пітинг розвивається значно менше.

Рисунок 5.3 – Схема контакту в умовах кочення із проковзуванням: V1, F1 – швидкість та сила тертя випереджуючої поверхні: V2, F2 – швидкість та сила тертя відстаючої поверхні; 1 – утворення раковини; 2 - мастильний матеріал [3]

Здатність деталі чинити опір втомному зношуванню зазвичай оцінюють часом роботи в заданих умовах до відриву частинки металу (утворення заглибин на поверхні) або максимальним контактним напруженням, при якому не наступає пітинг при заданому числі циклів навантаження. Емпірично отримано наступне співвідношення часу  роботи трибосполучення до виникнення втомних пошкоджень і максимального пружного напруження  в поверхневому шарі матеріалу:

 = А/^m, (5.1)

де А - постійна, яка характеризує фізико-механічні властивості матеріалу і режим роботи трибосполучення.

Найбільший вплив на розвиток втомного зношування мають умови тертя (навантаження і температура), властивості матеріалу (твердіть та шорсткість поверхні) і використовувані мастильні матеріали.

Опір матеріалу пітингу пропорційне твердості робочої поверхні і в’язкості мастильного матеріалу. Із зростанням навантаження на робочу поверхню деталей наробка до виникнення втомного викришування зменшується.

Мастильні матеріали зменшують напруження, яке діє у контакті, в результаті процес утворення мікротріщин на початковій стадії проходить повільніше. Втомне зношування найбільш часто спостерігається в умовах високих контактних навантажень при одночасному коченні і проковзуванні однієї поверхні по іншій. У таких умовах працюють, наприклад, зубчаті колеса, тяжконавантажені шестерні і підшипники кочення, зубчасті вінці.

Втомне зношування робочих поверхонь деталей супроводжується підвищенням рівня шуму і вібрацій по мірі зростання зносу. Втомне зношування матеріалу може бути помірним і прогресуючим.

Звичайне помірне втомне зношування для більшості пар тертя не є небезпечним, і деталі, що мають втомні пошкодження, можна використовувати тривалий час. Прогресуюче зношування виникає при високих контактних напруженнях, супроводжується інтенсивним руйнуванням поверхні і може призвести до поломки деталі (наприклад, зуба шестерні).

При інтенсивному абразивному зношуванні робочих поверхонь руйнування їх відбувається швидше, чим утворення втомних тріщин. Тому, як правило, у таких випадках пітинг не спостерігається.

4 ОПИС УСТАНОВКИ

Пристрій для дослідження втомного зношування (рисунок 5.4) виконаний у вигляді упорного підшипника кочення, у якому замість нижнього кільця встановлюється плоский досліджуваний зразок 5, виконаний у вигляді шайби. У підшипнику використовується три кульки 3, які розділені за допомогою сепаратора 4. Підшипниковий вузол розміщений у корпусі пристрою 6, який оснащений масляною ванною. Навантаження між кульками 3 та плоским зразком 5 створюється за допомогою змінних тягарів 10, через важіль 8, який встановлений на опорі 9 з можливістю взаємодії із підшипниковим вузлом через навантажувальну кульову опору 7. Обертання підшипникового вузла з частотою n здійснюється від електродвигуна (на рисунку не показано) через вал 1 та верхнє кільце 2 упорного підшипника.

Поява пітингу на робочій поверхні зразка 5 фіксується по збільшенню вібрацій підшипникового вузла. Це здійснюється за допомогою індикатора вібрацій 11, у якості якого використовується малогабаритний цифровий вимірювальний прилад – індикатор вібрацій моделі ІВС-3. Індикатор 11 кабелем 13 з’єднується із вібродатчиком 12, який закріплений на корпусі 6 пристрою. Електронний сигнал від п’єзоелементу вібродатчика 12 є пропорційний величині віброприскорення. Цей сигнал поступає у індикатор 11 де посилюється, обробляється і виводиться на цифровий індикатор у відносних одиницях.

5 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

5.1 Ознайомтесь із конструкцією пристрою для дослідження втомного зношування

5.2 Заміряйте радіус кульок-інденторів 3 – r, та довжину плечей L і L₁ важеля 8.

5.3 Розрахунок навантаження на одну кульку проводиться за формулою Герца (початковий тиск у пари тертя p₀=5 ГПа)

(5.2)

де  − пружна постійна контактуючих матеріалів.

5.4 З врахуванням п.2 та 3 визначте масу тягарів P.

5.5 Зберіть пристрій із наявним зразком і встановіть на важелі тягарі для створення навантаження Р. Увімкніть пристрій та проведіть випробовування на протязі 5 хв. Зафіксуйте покази віброметра 11.

5.6 Вимкніть установку та розберіть пристрій.

5.7 Встановіть зразок із слідами пітингу та за допомогою тягарів створіть у парі тертя задане навантаження Р, увімкніть пристрій. Проведіть випробовування на протязі 5 хв. Зафіксуйте покази віброметра 11.

5.8 Опишіть відмінності, які ви помітили при випробовуваннях у обох випадках.

5.9 Розберіть роликовий підшипник, виданий викладачем. Опишіть його робочу бігову доріжку. Зарисуйте її або сфотографуйте.

6 РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

6.1 [1], с. 125-131.

6.2 [3], с. 85-88.

6.3 [4], с. 68-71.

Рисунок 5.3 – Схема пристрою для дослідження контактної втоми: L, L₁ – довжина плечей важеля 8; P – маса тягаря 10, N – навантаження на підшипниковий вузол; N’ – навантаження на кожну кульку 3; a – радіус площадки контакту між кулею 3 та плоским зразком 5 під дією навантаження N’; р₀ – максимальний тиск на площадці контакту (інші позначення - у тексті)