Лекция № 1

ЛЕКЦИЯ № 1

План лекции:

1.  Основные разделы триботехники.

2.  Трение и износ – основные причины выхода из строя машин.

3.  Методика и средства испытаний.

4.  Перспективные направления в триботехнике.

5. Поверхностный слой деталей и его влияние на эксплуатационные свойства машин.

Введение в дисциплину

1 Основные разделы триботехники.

Триботехника — наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопро­сов трения, изнашивания и смазки машин.

В некоторых странах вместо термина триботехника употребляют тер­мины трибология и трибоника. В технической литературе встречается тер­мин динамическое металловедение — это раздел металловедения, изуча­ющий структуру и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов в процессе трения.

В настоящее время триботехнику можно разделить на пять основных разделов: 1 - износ; 2 - безызносность; 3 и 4 - конструктивные и технологи­ческие методы повышения надежности и долговечности трущихся де­талей; 5 - вопросы эксплуатации машин в связи с их долговечностью по износу.

В первый раздел триботехники (износ) входят такие вопросы, как качество поверхности, физико-химические свойства и контактирова­ние поверхностей деталей, виды трения в узлах машин, механизм из­нашивания деталей пар трения и рабочих органов, виды разрушения рабочих поверхностей деталей и рабочих органов машин (сюда вхо­дит все многообразие видов изнашивания, включая разрушения при контактных нагрузках), связь сопротивления усталости деталей с про­цессами трения и изнашивания, распределение износа по поверхно­сти деталей и многие другие вопросы.

Крупный вклад в развитие научного направления в области трения внесли учёные: , , и другие.

В целом это направление именуется как молекулярно-механическая теория трения и изнашивания, цель которой дать инженерный рас­чет на трение и износ. Эта задача еще далека от завершения. Тем не ме­нее, молекулярно-механическая теория трения и изнашивания наиболее полно отражает физическую картину изнашивания в режимах трения при граничной смазке и без смазочного материала.

Во второй раздел триботехники входят вопросы безызносности при трении. В последние годы в нашей стране и за рубежом широко изучается "эффект безызносности" (избирательный перенос при тре­нии - научное открытие № 41, СССР, 1964).

Избира­тельный перенос (ИП) — это комплекс физико-химических явлений на контакте поверхностей при трении, который позволяет преодолеть огра­ниченность ресурса трущихся сочленений машин и снизить потери на трение.

Факторы, обусловливающие безызносность, следующие:

контактирование поверхностей происходит через мягкий слой ме­талла, основной металл испытывает пониженное (в 10 раз) давление;

металлическая пленка при деформации в процессе трения не накле­пывается и может многократно деформироваться без разрушения;

трение происходит без окисления поверхностей, эффект Ребиндера реализуется в большей степени;

продукты износа переходят с одной трущейся поверхности на дру­гую и обратно, в зоне трения продукты износа удерживаются электри­ческими силами.

Как оказалось, избирательный перенос является од­ним из эффективных средств снижения интенсивности водородного изнашивания деталей. На разработки методов повышения износос­тойкости на основе избирательного переноса при трении выдано бо­лее 350 авторских свидетельств.

На основе этого явления разработаны новые смазочные материалы и присадки к ним, метал­лические и неметаллические материалы, приработочные покрытия и конструкции узлов трения, снижающие затраты энергии на трение и значительно повышающие износостойкость трущихся деталей машин и оборудования.

Дальнейшее развитие работ по созданию практически неизнашивае­мых узлов трения машин, оборудования и приборов с использованием ИП — одна из важнейших проблем современной триботехники.

Третий раздел триботехники - конструктивные методы повыше­ния долговечности и надежности работы трущихся деталей - содер­жит ряд важных вопросов, которые должен решать конструктор.

Главные его задачи в этом плане:

— оценка и выбор принципиальной схемы узла трения машины в целом с позиций ее влияния на износостойкость и надежность кон­струкции;

— выбор материалов и сочетания их в парах трения; назначение размеров и формы деталей с учетом местной и общей прочности;

— обеспечение нормального функционирования узлов трения в заданных условиях путем организации соответствующей смазочной системы, защиты от загрязняющего и химического воздействия сре­ды, блуждающих токов и перегрева, а также от возможных перегру­зок узлов трения в эксплуатации;

— обеспечение эксплуатации узлов трения с минимальными зат­ратами;

— защита трущихся поверхностей деталей и узлов от возмож­ных аварийных повреждений в эксплуатации.

Четвертый раздел триботехники - технологические способы по­вышения долговечности и надежности работы трущихся деталей - ох­ватывает вопросы получения материалов и покрытий, а также заго­товок, с заданными свойствами применительно к трущимся деталям; вопросы обработки заготовок для получения деталей требуемой фор­мы и надлежащей точности, упрочнения рабочих поверхностей дета­лей, сборки в агрегаты и испытания узлов машин.

Применяют следующие технологические процессы для повыше­ния долговечности работы трущихся деталей: пластическое дефор­мирование, термическую, химико-термическую и химическую обра­ботку рабочих поверхностей деталей, гальванические покрытия, ме­таллизацию напылением и наплавку поверхностей, электроискровое упрочнение, финишную антифрикционную обработку (ФАБО) и др. Задача процесса заключается в создании износостойкой (при тех или иных условиях внешней среды) или хорошо прирабатывающейся ра­бочей поверхности детали. Способ обработки рабочей поверхности выбирает конструктор совместно с технологом после выполнения технико-экономических расчетов.

Наиболее крупная технологическая школа в России создана в МГТУ им. . Эта школа подготовила многочислен­ные научные кадры и явилась центром технологической науки.

Пятый раздел триботехники рассматривает вопросы эксплуата­ции машин в связи с их долговечностью по износу.

Под технической эксплуатацией понимают сумму технических и организационных мероприятий, обеспечивающих наиболее эффективное использование машин при наименьших материальных и трудовых затратах.

Задачами технической эксплуатации являются: обеспечение исправного технического состояния машины во время ее эксплуатации и консервации; обеспечение безава­рийной работы машины при надлежащей ее экономичности. Уровень тех­нической эксплуатации машин, в общем, определяется установкой их в надлежащем месте, рациональным использованием в соответствии с на­значением, квалификацией обслуживающего персонала, постановкой ухо­да за машинами и технического надзора за ними, организацией смазоч­ного хозяйства.

Конеч­ным выражением эффективности использования машин, или целью технической эксплуатации является получение эксплуатационного пе­риода максимально возможной длительности.

В последние годы в триботехнике получили развитие новые разделы: трибохимия, трибофизика и трибомеханика.

Трибохимия — изучает взаимодействие контактирующих поверх­ностей с химически активной средой. Она исследует проблемы коррозии при трении, химические основы избирательного переноса и взаимодей­ствие с поверхностью деталей химически активных веществ, выделяю­щихся при трении вследствие деструкции полимеров или смазочного ма­териала.

Трибофизика — изучает физические аспекты взаимодействия кон­тактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.

Трибомеханика—изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульса, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и др. примени­тельно к задачам трения, изнашивания и смазки.

2 Трение и износ – основные причины выхода из строя машин.

Повышенный износ деталей в сочленениях в одних случаях наруша­ет герметичность рабочего пространства машины (например, в поршне­вых машинах), в других — нарушает нормальный режим смазки, в треть­их — приводит к потере кинематической точности механизма. В резуль­тате изнашивания понижается мощность двигателей, увеличивается рас­ход горюче-смазочных материалов, падает производительность компрес­соров, возникает возможность утечки ядовитых и взрывоопасных про­дуктов через сальники и уплотнения, понижаются тяговые качества транспортных машин, ухудшается управление самолетами и автомоби­лями (понижается безопасность движения), уменьшается производитель­ность: снижается точность и качество обработки изделий на металлоре­жущих станках и т. д.

Износ инструмента и рабочих органов машин помимо снижения про­изводительности повышает расход электроэнергии.

Износ и повреждение поверхностей снижают сопротивление уста­лости деталей и могут служить причиной их разрушения даже при незна­чительных концентраторах напряжений и весьма низких номинальных напряжениях.

Повышенные износы нарушают нормальное взаимодейст­вие деталей в узлах, могут вызвать значительные дополнительные нагруз­ки, удары в сопряжениях и вибрации, стать причиной внезапных разру­шений. С повышенными износами нередко связан недопустимый шум машин. Заедание или заклинивание деталей может привести к аварийной ситуации. Так, заедание лопатки ротора масляного насоса может вызвать его заклинивание, прекращение подачи масла к подшипникам и аварию машины.

В многозвенных механизмах даже небольшой износ отдельных эле­ментов может суммироваться на ведомом звене и нарушать нормальное функционирование механизма.

Износ цилиндропоршневой группы двигателя увеличивает засоре­ние воздуха отработавшими газами: 100 изношенных автомобилей загряз­няют воздух отработавшими газами как 125 новых автомобилей.

4. Методика и средства испытаний

Для изучения триботехнических характеристик материалов, по­крытий, смазочных материалов, а также физико-химических про­цессов в зоне фрикционного контакта, пленкообразования требуются новые методы исследования и средства испытаний.

Приборы для этих целей должны отвечать следующим основным требованиям: одновременная регистрация и запись основных параметров пары трения, момента (силы) трения и температуры образцов и рабочей среды; регистрация изменения характеристик рабочей среды в про­цессе трения; применение испытуемых образцов с малыми поверх­ностями трения, что позволит непрерывно регистрировать суммарный износ пары трения в широком диапазоне нагрузок и скоростей скольжения при одновременной записи пленкообразования в кон­такте; применение рабочих камер, позволяющих испытание образцов в газовых и жидких средах, а также в их смесях.

Помимо лабораторных испытаний в решении триботехнических задач важное место занимают стендовые и эксплуатационные испы­тания.

3 Сроки службы трущихся деталей машин

Срок службы машины — календарная продолжительность экс­плуатации изделия до разрушения или другого предельного состояния.

Предельное состояние может устанавливаться по изменениям параметров, по условиям безопасности, по экономическим показателям, по необходи­мости первого капитального ремонта и т. п.

Наиболее распространенной причиной выхода деталей и рабочих органов машин из строя является не поломка, а износ и повреждение рабо­чих поверхностей.

4 Перспективные направления в триботехнике

Важной задачей триботехники является разработка методов борьбы с водородным изнашиванием.

В последние годы разработаны новые технологические процессы финишной обработки деталей, которые позволяют снизить приработочный износ деталей и повысить антифрикционные свойства сочленения (улучшить смазку деталей, снизить коэффициент трения). К таким методам можно отнести вибрационную обработку поверхностей трения и ал­мазное выглаживание.

Крайне необходима разработка нового техно­логического метода окончательной обработки деталей, при котором во­обще исключалась бы абразивная обработка поверхности. К таким мето­дам относится финишная антифрикционная безаб­разивная обработка (ФАБО).

Сущность ФАБО состоит в том, что поверхность трения детали пок­рывается тонким слоем латуни, бронзы или меди путем использования явления переноса металла при трении.

Для значительного повышения технического уровня и качества ма­шин, их экономичности и надежности необходимо решить проблему сма­зывания. Это может быть обеспечено за счет:

— повышения технического уровня и качества смазочного оборудо­вания, его унификации и стандартизации; совершенствования и повыше­ния эффективности эксплуатации смазочного оборудования;

— создания новых высокоэффективных смазочных материалов, на­пример металлоплакирующих, реализующих ИП;

— конструктивного совершенства узлов трения машин;

— разработки и применения новых эффективных технологических процессов обработки трущихся деталей, например ФАБО деталей;

— разработки методов безразборного восстановления трущихся со­членений машин и механизмов и др.

Исследование электрических, магнитных и вибрационных явлений при изнашивании.

Подготовка инженерных кадров по триботехнике

Вопросы для самостоятельного изучения:

1.  Этапы развития триботехники. Роль отечественных учёных в развитии триботехники.

2.  Сроки службы трущихся деталей машин.

3.  Методы и средства трибоиспытаний.

4.  Экономические аспекты применения триботехнологий.

Поверхностный слой деталей и его влияние на эксплуатационные свойства машин

1. Общие сведения о поверхности деталей и ее геометрии

В технике под поверхностью детали понимают наружный слой, ко­торый по строению и другим физическим свойствам отличается от внут­ренней части.

Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием "качес­тво поверхности".

Качество поверхности определяется геометрией поверхности как границей тела и физико-химическими свойствами, обусловленными про­цессом ее образования при обработке детали. Качество поверхности де­талей машин влияет на такие их служебные свойства, как сопротивление усталости, износо-, коррозио - и эрозиостойкость, и связано с такими свой­ствами сопряжений, как прочность посадок с натягом и плотность под­вижных и неподвижных соединений.

Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геометрической формы, именуемые погрешностями.

Погрешности обработанной поверхности с точки зрения причин их образования и методов измерительной техники, применяемых для их определения, можно подразделить на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость поверхности, шероховатость поверхности.

При механической обработке деталей в их поверхностных слоях происходят изменения механических свойств и структуры металла под давлением режущего инструмента и под влиянием выделяющейся при резании теплоты. Кроме того, при резании, как при термической и тер­мохимической обработке металлов и нанесении новых слоев (гальвани­ческие покрытия, металлизация напылением, наплавка) в деталях разви­ваются остаточные напряжения.

2. Остаточные напряжения

Остаточными напряжениями называют напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых воздействий на него.

Остаточные напряже­ния образуют равновесную систему. В зависимости от объема, который охватывается этой системой, различают собственные напряжения трех родов. Напряжения первого рода уравновешиваются в крупных объемах, соизмеримых с размерами детали; напряжения второго рода (микронап­ряжения) уравновешиваются в пределах одного или нескольких кристал­лических зерен; напряжения третьего рода — субмикроскопические ис­кажения кристаллической решетки. Напряжения второго и третьего рода не имеют ориентировки относительно осей детали.

3.Структурные и фазовые превращения

Пластическая деформация, в том числе и при резании металлов, обус­ловливает изменение микроструктуры. Беспорядочно расположенные в исходной структуре металла кристаллические зерна при пластической деформации приобретают однородную ориентацию (текстуру). Более глу­бокие изменения возможны при обработке металлов, воспринимающих закалку. В результате высокого поверхностного нагрева, а также быстро­го охлаждения возможны фазовые превращения и структурные измене­ния. Так, в процессе шлифования закаленной и отпущенной стали обра­зуется приповерхностный слой аустенитно-мартенситной структуры из вторично закаленного металла. Этот слой лежит на слое, имеющем струк­туры всех стадий отпуска вплоть до структуры исходного термически обработанного металла. Слой измененной структуры при нормальных условиях шлифования имеет почти равномерную толщину. Такие же превращения наблюдаются при точении. Так как каждой структурной со­ставляющей свойствен присущий ей удельный объем, то фазовые и струк­турные превращения наряду с пластической деформацией являются ис­точником остаточных напряжений.

Местные фазовые и структурные превращения поверхностного слоя шлифуемой детали известны под названием шлифовочных прижогов. Они образуются вследствие интенсивного (почти мгновенного) тепловыделе­ния на небольшом участке поверхностного слоя. Прижоги являются структур­ными концентраторами напряжений, понижающими как сопротивление усталости, так и износостойкость.

В случае холодной пластической деформации металла повышаются его твердость и предел прочности при одновременном снижении относительного

удлинения и относительного поперечного сужения при рас­тяжении. Это явление называют упрочнением металла или наклепом.

При резании металлов протекают два противодействующих процес­са: упрочнение в результате действия сил резания, которое тем выше, чем больше давление резания, и разупрочнение — снятие наклепа за счет повышающейся температуры резания. Степень наклепа и толщина наклепанного слоя при прочих равных условиях зависят от режима резания.

4 . Строение поверхностных слоёв твёрдых тел.

Поверхностный слой неоднороден по строению (рис. 1). Гра­ничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме.

Слой 2—деформирован­ный, сильно раздробленный металл с иска­женной решеткой кристаллов и с обезуглероженными под действием высоких темпе­ратур при шлифовании участками; в нем на­ходятся окислы и нитриды, пустоты, над­рывы и трещины.

Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления шлифовального круга и тангенциальных сил при шлифовании; в нем содер­жится структурно свободный цементит, об­разовавшийся под действием высоких тем­ператур.

Слой 4—металл с исходной струк­турой. При более тонкой обработке (абразив­ными брусками, лентами и т. д.) слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 умень­шаются соответственно меньшим давлению и температуре поверхности при обработке.

Если исключить адсорбированную пленку, то поверхностный слой обработанной инструментом поверхности состоит из наружного очень тонкого слоя, более или менее сильно разрушенных кристаллических зе­рен и наклепанного слоя четкой кристаллической структуры.

Упрочнение поверхностного слоя при обработке можно оценить по изменению микротвердости по сравнению с исходной. Микротвердость падает по мере удаления от поверхности детали, причем более резко по толщине слоя с раздробленной структурой (рис. 2).

Рис. 2 Схема распределения наклепа обработанного изделия и твердости в сечении А—А

Прочные и хруп­кие металлы менее склонны к упрочнению, чем малопрочные и вязкие. К тому же температура при резании высокопрочных металлов значительно выше, и сильнее сказывается фактор разупрочнения. Наклеп металла под выступами неровностей обычно больше, чем под впадинами. Поверхнос­тный слой в зависимости от указанных выше обстоятельств имеет тол­щину при точении 0,25...2,0 мм, при шлифовании 12—75 мкм, при тон­ком шлифовании 2...25 мкм, при полировании 0,2 мкм.

Следует иметь в виду, что шлифовочные прижоги могут достигать глубины 5 мм.

Поверхностный слой может находиться в напряженном состоянии. Остаточные напряжения в нем при механической обработке могут дости­гать 560МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими. Шлифовочные трещины возникают под действием высоких внутренних растягивающих напряжений. Остаточные растягивающие напряжения снижают предел выносливости детали. Для иллюстрации влияния режи­ма обработки на остаточные напряжения приводим некоторые результа­ты исследования на отожженной стали 45. Чистовое точение производилось проходным твердосплавным резцом без охлаж­дения. При продольной подаче 0,1 мм остаточное напряжение у наруж­ной поверхности при скорости резания 100 м/мин составляло 70 МПа, при 200 м/мин — 0, а при 400 м/мин оно оказалось сжимающим и рав­ным 166 МПа.

Микроскопическая неоднородность физико-механических свойств характерна для всякого твердого тела. В металлах она обязана анизотропии кристаллов. Обработанная поверхность в связи с особенностями ее обра­зования отличается несравненно большей неоднородностью как по хи­мической активности, так и физико-механическим свойствам. Кроме того, она имеет много микроскопических дефектов в виде трещин и пустот. Хотя подобные дефекты структуры возникают в процессе образования всей массы металла, но количество их в поверхностном слое возрастает в результате механических и тепловых воздействий при обработке.

Система дефектов — слабых мест поверхности детали — является основой, на которой, начиная с самых малых деформаций, развиваются микротрещины. Вследствие наличия на поверхности дефектных мест естественно ожидать, что разрушение поверхности при трении будет про­исходить именно в этих местах, т. е. процесс изнашивания будет носить избирательный характер. По мере износа поверхности слабые места бу­дут возникать вновь.

5. Пластическая деформация поверхностного слоя

Давно установлено несоответствие между реальной прочностью крис­талла и теоретической, рассчитанной на основании оценки сил взаимо­действия между атомами кристаллической решетки. Это несоответствие является следствием наличия в реальных кристаллах дефектов. Разли­чают точечные, линейные, поверхностные и трехмерные дефекты крис­таллов.

Точечные дефекты — малые несовершенства во всех направлени­ях — возникают вследствие наличия в кристалле атомов примесей (рис. 3, а) или образования вакансий (рис. 3, б), т. е. пустых мест в узлах кристаллической решетки, не занятых атомами.

Кристаллы металлов обычно состоят из большого числа областей размером около 1 мкм, расположенных под углом в десятые доли граду­са. Эти области с правильной упаковкой атомов называются блоками.

На границе между блоками упаковка атомов искажена (рис. 3, в). К линейным несовершенствам относят дислокации (вклинивание) лиш­них или недостроенных кристаллических плоскостей (рис. 3, г).

Рис. 3. Дефекты кристаллической решетки

Эти несовершенства в большой степени определяют механические свойства кристалла.

 Подробное изучение линейных дефектов кристаллической решетки, называемых дислокациями, связано с их сильным влиянием на прочность и пластичность практически всех конструкционных кристаллических материалов. Теории прочности кристаллов, не учитывающие этот тип дефектов, не могли даже приближенно объяснять наблюдающиеся механические свойства как моно - так и поликристаллических веществ.

  Типы дислокаций. Дислокации принято разделять на краевые и винтовые, хотя, строго говоря, наблюдаемые дислокации только иногда могут быть отнесены к одному из этих модельных типов дислокаций, поскольку обычно содержат элементы и того и другого типа. Начнем рассмотрение с этих двух наглядных модельных дислокаций. Для простоты будем рассматривать простую кубическую решетку, хотя полученные результаты справедливы с незначительными изменениями и для решеток других типов.

 Краевая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное для случая простой кубической решетки на рис 4. На этом рисунке изображена "лишняя половинка" плоскости, помещенная между двумя другими целыми соседними плоскостями. Атомы этих целых плоскостей восстановили связи друг с другом, при этом вблизи края вставленной полуплоскости возникли очень сильные деформации. Линию, проходящую через край лишней полуплоскости, называют линией краевой дислокации, а иногда просто краевой дислокацией. По этой причине дислокацию относят к линейным дефектам. Она проходит через места, находящиеся около границы лишней полуплоскости, с наиболее сильными искажениями кристаллической решетки, вызванными этой полуплоскостью. Область сильных искажений вблизи дислокации простирается на 2-3 периода кристаллической решетки. На больших расстояниях искажения малы и их можно описывать в рамках теории упругости.

Рис. 4. Схема расположения атомов вблизи краевой дислокации Появляется краевая дислокация чаще всего при деформации кристалла по схеме, изображенной на рис. 5. Прежде всего, заметим, что появляются дислокации при сдвиговых деформациях в плоскостях, наиболее густо занятых атомами, называемых плоскостями скольжения.  Если на кристалл воздействовать силой (см. рис, то плоскости в месте, отмеченном пунктиром, могут "разорваться" (см. рис.5 (2)), после чего верхняя половинка плоскости 1 присоединится к нижней половинке плоскости 2 (см. рис, а верхняя половинка плоскости 2 станет "лишней". В реальных кристаллах скольжение происходит по кристаллографическим плоскостям, и пластическая деформация зарождается на небольших участках, постепенно распространяясь по всей плоскости. В каждый момент времени в скольжении участвует небольшое число ато­мов кристаллической решетки, в результате эффективность использова­ния сил межатомных связей оказывается очень малой. На рис. 6. пока­зан сдвиг реального кристалла.

Рис. 5 Схема зарождения и перемещения краевой дислокации при сдвиговой деформации кристалла

Рис. 6. Схема пластической деформации по дислокационному

механизму

Перед началом скольжения кристалл имеет правильную форму решетки (рис. 6, а). Под действием напряжения, приложенного к одной из сторон кристалла, образуется сдвиг, при этом в кристалле на границе зоны сдвига возникает линейное нарушение расположения атомов, названное Тейлором дислокацией (рис. 6, б). Дальнейшее распространение сдвига можно представить как передвиже­ние дислокации через весь кристалл.

При выходе дислокации на другую сторону кристалла правильность строения кристаллической решетки восстанавливается, но одна полови­на кристалла оказывается сдвинутой по отношению к другой на одно межатомное расстояние (рис. 6, в). Произошел элементарный сдвиг в кристалле. Вокруг дислокации создается поле напряжений. При пласти­ческой деформации нарушается правильность кристаллической решет­ки, и вследствие этого дальнейшее скольжение затрудняется. Начинается скольжение по другой плоскости и т. д.

 Винтовая дислокация. Винтовая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное на рис 7 для случая простой кубической решетки. На этом рисунке атомы, расположенные слева от половинки плоскости А, остались на месте, а атомы справа от нее смещены вниз на одно межплоскостное расстояние. При этом вблизи линии В возникли очень сильные деформации. Линию В, проходящую через границу полуплоскости А и оставшейся полуплоскости также называют винтовой дислокацией. На рис. 7 видно, что по горизонтальной, теперь уже деформированной плоскости типа можно при повороте вокруг линии В подняться на 1 период кристаллической решетки, а совершив несколько оборотов вокруг линии В можно подняться на несколько периодов решетки. Подъем похож на движение по винтовой автодороге, отсюда и название винтовая дислокация. Винтовые дислокации бывают правовинтовые и левовинтовые.

Рис. 7 Схема расположения атомных плоскостей вблизи винтовой дислокации

Появляется винтовая дислокация при деформации кристалла по схеме, изображенной на рис. 8. Рассмотрим в случае простой кубической решетки. Если на кристалл воздействовать силой (см. рис. 8 а), то плоскость А1 в месте, отмеченном стрелочкой, может "разорваться" по линии В, после чего нижняя и верхняя половинки плоскости А1 соединятся со сдвигом на 1 период решетки (см. рис. 8 б). Если продолжать воздействие на кристалл, то следующая плоскость разорвется, после чего нижняя и верхняя половинки плоскости А2 соединятся со сдвигом (см. рис. 8 в), и так далее. Таким образом в кристалле появится винтовая дислокация, которая при воздействии на кристалл будет перемещаться вдоль плоскости скольжения за счет разрыва-соединения соседних половинок плоскостей. Заметим, что разрыв новой плоскости происходит как раз на линии дислокации, поскольку именно на ней искажения кристаллической решетки наибольшие (см. рис. 8).

Описанная картина относится к скольжению в одном зерне. В ре­альном металле каждое зерно окружено другими зернами, которые де­формируются неоднородно. В пределах каждого зерна действующие сис­темы скольжения меняются от одного участка к другому. В отдельных случаях линии скольжения распространяются от одного зерна к другому.

Рис. 8. Схема зарождения и перемещения винтовой дислокации при сдвиговой деформации кристалла

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3:

(см-2; м-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций со­ставляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристалличе­ской решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 9).

 Минимальная прочность определяется критической плотностью дисло­каций м-2

Если плотность меньше значения ρк, то сопротивление деформирова­нию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повыше­ние прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа σВ = 13000 МПа, для меди σВ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 1015…10 16 м –2. В противном случае образуются тре­щины.

Поскольку присутствие в кристаллической решетке подвижных дис­локаций в большой степени снижает прочность реальных металлов, на­иболее действенным средством повышения прочности является создание бездислокационных или бездефектных металлов. В этом направлении достигнуты определенные результаты.

Рисунок 9 – Влияние плотности дислокаций на прочность

Однако на практике для повыше­ния прочности создают структуры материалов с большим количеством искажений кристаллической решетки, препятствующих движению дис­локаций и способствующих увеличению числа мест, где одновременно развивается пластическая деформация. Такой путь увеличения прочнос­ти материала достигается легированием сплавов, химико-термической и механической обработкой.

Помимо механизма сдвиговой деформации известен также диф­фузионный механизм пластической деформации. В его основе лежат атомно-диффузионные перемещения. Интенсивность пластической деформа­ции в этом случае зависит от подвижности диффундирующих атомов и может быть удовлетворительно описана экспоненциальной зависимостью от температуры.

На практике, особенно в условиях трения, оба механизма могут дей­ствовать одновременно, оказывая влияние друг на друга.

Вопросы для самостоятельного изучения:

1.  Три категории погрешностей: макрогеометрические отклонения, волнистость поверхности, шероховатость поверхности.

2.  Параметры, характеризующие шероховатость поверхности и её обозначение.

3.  Технологическое обеспечение параметров поверхностного слоя деталей.

4.  Атомный характер дефектов структуры твёрдого тела.

5.  Сдвиговой и диф­фузионный механизм пластической деформации.

Литература:

1.  . ТРИБОТЕХНИКА. ИЗНОС И БЕЗЫЗНОСНОСТЬ

2.  . ТРИБОТЕХНИКА. КОНСТРУИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ МАШИН