СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к области определения свойств материалов, а именно к способам определения износостойкости в процессе трения скольжения по принципу скольжения вращающегося вала по неподвижной колодке.

Известно несколько способов определения износостойкости материалов, основанных на скольжении вала на колодке, различающихся формой и размерами вала и колодки, материалами, способами измерения результатов изнашивания, режимами испытания, способами отвода продуктов изнашивания и зоны контакта, способами расчета износостойкости и др. [1, 2]
Классический способ определения износостойкости измерение линейного или весового износа хорошо приработанной к валу колодки, площадь контакта которой можно считать неизменной в ходе испытания. Износ в этом способе измеряется по изменению диаметра вала и толщины колодки или по потере их веса за определенное число оборотов вала при постоянной нагрузке.

Разновидностью способов замера линейного износа является метод искусственных баз, при котором на поверхности трения высверливаются или выдавливаются углубления, относительно дна которых измеряется изменение толщины колодки или диаметра вала.

Известны способы, позволяющие ускорить процесс испытания и упростить измерение величины износа. В этих способах площадь контакта непрерывно изменяется в ходе испытания. Увеличение производительности достигается за счет того, что измеряется не глубина изношенного слоя, а размеры площадки контакта, скорость изменения которых, благодаря конструктивным особенностям образцов, значительно выше. Так, например, в способе Конвисарова Д.В. [2] измеряются размеры эллиптической лунки износа, оставляемой вращающимся цилиндром на неподвижном втором цилиндре, ось которого перпендикулярна первому. Рассчитать объем изношенного материала в этом способе весьма сложно, поэтому для сравнения материалов по износостойкости используется площадь проекции лунки износа: а также рассчитывается среднее давление в контакте где P нагрузка.

Из известных способов испытания материалов на износостойкость при трении скольжения вала по колодке наиболее близким по технической сущности является способ Жаннена, реализованный в машинах Шкода-Савина и Шпинделя. В этом способе вращающийся эталонный диск скользит по плоскому образцу, оставляя на его поверхности лунку износа в форме цилиндрического сегмента. В машине Шкода-Савина эталонный диск имеет диаметр 5-10 мм и выполнен из твердого сплава. В машине Шпинделя диск сделан из мягкой стали, но его диаметр увеличен до 300 мм, чтобы снизить влияние его износа. За меру износа в этом способе Шпинделем предложено принимать площадь лунки износа, образованной после заданного числа циклов при постоянной нагрузке [3]

где l длина хорды лунки износа;
D диаметр диска.

Износостойкость определяется как число оборотов или путь трения, необходимые для создания лунки единичной площади.

С позиции современных представлений о трении-изнашивании эта величина не только не является износостойкостью, но непригодна даже для сравнительной оценки материалов в качестве технологической пробы, поскольку за время испытания этим способом давление обычно изменяется настолько, что происходит смена механизмов изнашивания, сопровождающаяся резким изменением коэффициента трения и скорости изнашивания. Это является основным недостатком способа-прототипа, из которого как следствие вытекает невозможность сравнения износостойкости, определенной на разных машинах этим способом (например, на машине Шкода-Савина с машиной Шпинделя или Эриксен-317). С позиции современной трибологии износостойкость должна определяться для каждой конкретной пары трения, изготовленной из реальных эксплуатационных материалов при конкретных условиях испытания (температура, давление, окружающая среда, скорость скольжения), а не только по отношению к эталонным дискам.

Целью изобретения является унифицирование определения износостойкости материалов при испытаниях с изменяющейся площадью контакта, создание единой методики расчета износостойкости, обеспечение высокой производительности способа, возможности использования для производства испытаний универсальных машин трения-изнашивания, а также получения новых ценных трибологических характеристик материалов.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе размеры цилиндрического образца (колодки) и контробразцов (ролика) ничем не лимитируются и выбираются в зависимости от имеющегося испытательного оборудования, материалов и условий испытания. Ролик и колодка изготавливаются из реальных материалов пары трения, используемых в эксплуатации. Колодка может быть плоской, вогнутой или выпуклой при условии, что в исходный момент имеет место только одно пятно контакта. Время испытания и нагрузка выбираются такими, чтобы износом ролика за это время можно было пренебречь.

Исходными данными для расчета износостойкости является зависимость высоты или длины хорды лунки износа от пути трения или числа оборотов ролика, полученная путем непрерывного или дискретного их измерения.

По определению износостойкость материала оценивается величиной, обратной скорости изнашивания, которая равна объему материала, потерянному телом в результате износа с единицы поверхности трения за единицу пройденного пути трения:
где W объем изношенного материала; S площадь поверхности трения; L - путь трения. Отношение мгновенного приращения изношенного объема к текущей площади поверхности трения dW/S есть приращение высоты лунки износа

или

следовательно,

где l длина хорды лунки износа; R₀ и R_k радиусы образца и контробразца; N число оборотов контробразца.

В формуле предполагается, что радиус выпуклой поверхности положительный, вогнутой отрицательный, плоский равен бесконечности.

Основной задачей исследования износостойкости материала, является получение зависимости износостойкости от давления, температуры и других параметров, причем одной из наиболее важных характеристик является зависимость износостойкости от давления. Предлагаемый способ позволяет существенно упростить получение этой зависимости. Давление в контакте рассчитывается как отношение нагрузки к площади проекции лунки:

После расчета I и q по формулам (3) и (4) строится зависимость I f(q).

По сравнению со способами-аналогами предлагаемый способ позволяет ускорить получение этой зависимости в 100-1000 раз.

Как известно [2, 4] при смене механизмов изнашивания, например при переходе от преимущественно окислительного к преимущественно малоцикловой усталости или от механизма малоцикловой усталости к износу при заедании, происходит резкий скачок скорости изнашивания. Давление смены механизма изнашивания при заданных других внешних условиях является также фундаментальной характеристикой пары трения. Используя зависимость скорости изнашивания от давления в контакте, легко определить критическое давление перехода от одного механизма изнашивания к другому.

Таким образом, предлагаемый способ, обладая указанными ограничительными признаками позволяет упростить, ускорить и сократить трудоемкость испытаний, включая изготовление образцов. Благодаря указанным отличительным признакам приобретает универсальность, позволяет получать новые ценные триботехнические характеристики материалов, в том числе такие характеристики, которые известными способами часто невозможно получить.

В известных способах-аналогах (см. источники, указанные выше) способы измерения износа неуниверсальны, пригодны лишь для образцов определенной формы. В способах Шпинделя и Шкоды-Савина нет возможности проводить испытания с реальными материалами контртела. Испытания с использованием весового или линейного износа очень длительны и трудоемки.

Новизна предлагаемого способа, характеризуемая его отличительными признаками, состоит в новой методике расчета характеристик износостойкости, благодаря чему появилась возможность использовать для испытания как плоские, так и цилиндрические выпуклые и вогнутые образцы. Поэтому, с одной стороны, возможности нового способа лунок чрезвычайно расширились, по сравнению с известными, в сторону разнообразия образцов. С другой стороны, новый способ испытания и расчета позволяет использовать стандартные образцы и оборудование, что значительно упрощает его внедрение и применение. Особенно большие преимущества предлагаемый способ обеспечивает при проведении испытания со смазкой на вогнутых образцах в области сверхмалых скоростей изнашивания. В настоящее время такие испытания проводят по схеме ролик-колодка, причем из-за чрезвычайно малого объема изношенного материала износ определяют методом искусственной базы замера (по отношению к дну засверловки или отпечатка индентора) и даже с помощью радиоактивных изотопов. Эти способы чрезвычайно трудоемки и требуют владения ювелирной техникой эксперимента. В ряде случаев искусственные базы замера вносят нарушение в гидродинамику образца. Кроме того, из-за требования тщательной приработки образцов (плотного прилегания поверхностей трения) способ иногда становится практически неосуществим, поскольку требует очень большого времени на приработку (десятки и сотни часов). В предлагаемом способе период приработки полностью отсутствует. Возможность изменения сверхмалых скоростей износа и хорошее прилегание поверхностей трения обеспечивается тем, что диаметр колодки делается чуть большим чем диаметр ролика, благодаря чему даже при небольшом износе на колодке образуется лунка большой длины, хорошо прилегающая у валу. Поскольку лунка делается в процессе испытания, высококачественная приработка обеспечивается автоматически. За одно испытание определяется скорость изнашивания в целом диапазоне давлений, т.е. одной кратковременное испытание заменяет целую серию длительных, тем самым увеличивая производительностью сотни и тысячи раз.

Указанными свойствами не обладает ни один из известных способов. Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенным отличием.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. На фиг. 1 показаны лунки на поверхности катания железнодорожного колеса. Поперечный темплет колеса (0,62% углерода, твердость 300 НВ) закрепляли на верхнем, застопоренном валу машины СМТ-1. Темплет испытывали в паре с роликом из рельсовой стали (0,72% углерода, твердость 380 НВ) диаметром 40 мм, шириной 6 мм при нагрузке 600 Н, скорости вращения ролика 100 об/мин. Поверхности трения обезжиривали. Через 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500 оборотов испытание останавливали, верхний вал откидывали и замеряли длину лунки износа на темплете и диаметр ролика. Замеры показали, что диаметр ролика сначала несколько увеличивался (на величину изменения шероховатости 0,10 мм), а затем возвращался к исходному. Изменения длины хорды лунки и объема износа от пути трения представлены на фиг. 2, кривые 1 и 2. Зависимость скорости изнашивания от давления представлена на фиг. 3, кривая 1. График зависимости скорости изнашивания от числа оборотов построен в соответствии с формулами (3) и (4). На основании полученных графиков определяли критическое давление смены механизма изнашивания: q_k 7 H/мм².

Пример 2. Испытывали тот же темплет (радиус 450 мм) в паре с диском из малоуглеродистой стали (углерод 0,2% твердость 100 HB) диаметром 300 мм толщиной 2,5 мм. Испытание проводили на машине Шпинделя. Нагрузка 140 H, скорость вращения диска 10 об/мин. На темплете сделали 7 лунок с продолжительность испытания 15, 30, 60, 120, 180, 240, 300 с. Зависимости длины хорды лунки и объема износа от пути трения представлены на фиг. 2, кривые 3 и 4. Зависимость скорости изнашивания от давления дана на фиг. 3, кривая 2. Для этих условий испытания критическое давление смены механизма изнашивания q_k 3 H/мм².

Пример 3. Испытывали вогнутый вкладыш подшипника из антифрикционного сплава (алюминий 79% олово 20% меди 1% твердость 29 HB) с внутренним радиусом 40 мм, шириной 10 мм в паре с роликом из нормализованной стали 45 диаметром 30 мм, толщиной 10 мм. Испытание проводили на машине СМЦ-2. Перед испытанием поверхности полировали. Испытательная среда машинное масло М14, нагрузка 1000 H, скорость вращения ролика 300 об/мин. Длину лунки замеряли через 250, 500, 1000, 3000, 10000, 30000, 40000 оборотов. Зависимость длины лунки и объема износа от числа оборотов представлена на фиг. 4, зависимость скорости изнашивания от давления на фиг. 5. В ходе испытаний имела место смена трех физических механизмов изнашивания: при давлениях выше 55 МПа наблюдалось пластическое выдавливание материала колодки; при давлениях 33-45 МПа износ при граничном трении; при давлениях менее 32 МПа износ при чисто жидкостном трении. Критические давления q_k перехода от пластического выдавливания к граничному трению 53-55 Мпа; от граничного трения к жидкостному 32-33 Мпа.

Источники информации
1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов, М. Металлургия, с. 350.

2. Конвисаров Д.В. Износ металлов, М.-Л. ОНТИ, 1938, с. 304.

3. Патент Германии N 416880 от 28.10.1922, кл 42 К 38-01.

4. Костецкий Б.И. Износостойкость материалов, М. Машиностроение, 1980, с. 52.

Сущность изобретения: образец и контробразец выполняют цилиндрической формы из материалов эксплуатационной пары трения с соотношением радиусов цилиндров, удовлетворяющих условию R₀>R_k, где R₀ - радиус образца, R_k - радиус контробразца, устанавливают образец и контробразец так, чтобы их соли были параллельны, прижимают образец к контробразцу с постоянной скоростью и определяют зависимость скорости изнашивания по соотношению , где L - путь трения, N - скорость вращения образца, l - длина хорды износа в направлении вращения, от давления в контакте образец-контробразец, определяемый по соотношению , где S - площадь лунки износа, по которой определяют критические давления перехода от одного вида изнашивания к другому. 5 ил.

Способ испытания материалов на износостойкость, заключающийся в том, что осуществляют прижатие образца материала к контробразцу с постоянной силой Р, приводят контробразец во вращение с постоянной скоростью, определяют геометрические параметры лунки износа образца, по которым судят об износостойкости материала, отличающийся тем, что образец и контробразец выполняют цилиндрической формы из материалов эксплуатационной пары трения с соотношением радиусов цилиндров, удовлетворяющим условию R_o > R_к, где R_o радиус образца, R_к радиус контробразца, устанавливают образец и контробразец так, чтобы их оси были параллельны, определяют зависимость скорости изнашивания, вычисляемой по соотношению

где L путь трения;
N скорость вращения образца;
l длина хорды лунки износа в направлении вращения,
от давления в контакте образец-контробразец, определяемого по соотношению q=P/S, где S площадь лунки износа,
по которой определяют критические давления перехода от одного вида изнашивания к другому.