Феноменологический подход

Первые попытки исследования изнашивания были связаны с установлением зависимостей скорости изнашивания от общеизвестных механических характеристик: твердости, временного сопротивления разрыву, предела усталости, модуля нормальной упругости и т.д. Наиболее удачно феноменологический подход развивался при моделировании абразивного изнашивания. Как уже отмечалось, абразивное разрушение является наиболее опасным видом износа. Абразивный износ быстро выводит из строя рабочие органы горного, землеройного, строительного, сельскохозяйственного оборудования и ходовые части машин. Износ происходит в основном в режиме микрорезания. Абразивные частицы обладают разными размерами, структурой, прочностью и твердостью. Контактирование имеет нестационарный характер.

По характеру силового взаимодействия и кинематике различают скольжение детали по монолитному абразиву, свободному абразиву в насыпном состоянии, соударение с монолитным или свободным абразивом, гидро- и газообразивное изнашивание и различные взаимодействия контактирующих тел с попавшими в контакт частицами. Сложность и нестационарность процесса, его случайный характер не позволяют пока создать общую теорию абразивного изнашивания. Однако в целях решения практических задач накоплен большой экспериментальный материал по влиянию различных факторов на износостойкость.

Наиболее значимые результаты исследования абразивного изнашивания получены М.М. Хрущевым при испытаниях материалов скользящих по коррундовому полотну. Исследования показали, что при истирании чистых металлов в отожженном состоянии (см. рис. 4.18,а) при скольжении по свободному абразиву наиболее вероятен многоцикловой износ, а относительная износостойкость пропорциональна твердости. Для термоотработанных сталей связь имеет линейный характер (рис. 4.19,б):

U_o = U_oc + K (HB - HB_oc) . (4.22)

Здесь U_oc – относительная износостойкость в отожженном состоянии; К - коэффициент; НВ_oc - твердость в отожженном состоянии.

а б

Р и с. 4.19. Зависимость относительной износостойкости от твердости

Износостойкость зависит от соотношения твёрдостей материала и абразива: К_Т = Н_М/Н_А. Если К_Т < 0,7, то происходит разрушение при однократном проходе (микрорезание). Если К_Т > 0,7, процесс переходит в многоцикловой. Твердость

разных материалов по шкале Мооса показана на рис. 4.20. Шкала построена из следующих соображений: твердость мягкого минерала талька - принята за единицу, а твердость алмаза приравнена к 10 баллам. Прочность абразивных частиц растет с уменьшением размеров. Чем меньше размер, тем меньше дефектов, тем ниже вероятность разрушения. Чем жестче закреплена частица, тем выше вероятность малоциклового износа.

Привлекательность механического подхода для описания процесса разрушения при трении связана с достаточной простотой получения этих характеристик и, в некоторых случаях, возможностью описания износостойкости e при помощи несложных эмпирических зависимостей вида U = f (М), где М - механическая характеристика.

Эмпирические модели разрабатывали М.М.Хрущев и М.А.Бабичев, В.Тонн, К.Д.Стрэнг, Д.Т.Барвелл и др. Они являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей.

Однако формулы такого типа оказались непригодными для оценки износостойкости механически наклепанных металлов и сталей. Это объяснялось тем, что в процессе самого изнашивания перед разрушением материала наблюдается более высокий наклеп.

При изучении изнашивания металлов, сплавов и минералов о жестко закрепленное абразивное зерно В.Н. Кащеевым, В. Тонном и др. для большого числа испытанных материалов установлена нелинейная зависимость величины износа от модуля упругости Е:

. (4.23)

Однако дальнейшее изучение этой зависимости показало, что авторами в опытах не было обеспечено постоянство влияния всех факторов на изнашивание материала. В ходе испытаний у них менялось соотношение значений твердости и абразива и материала.

Тем не менее, исследование соотношения твердости абразива и изнашиваемого материала позволило представить их функциональную связь отношением

, (4.24)

где j - коэффициент; Н_а - твердость абразивной частицы.

В дальнейшем с учетом влияния свойств среды и размеров зерен абразивных частиц износ был описан выражением более сложного вида:

, (4.25)

где u - массовый износ; m - коэффициент трения; p – номинальное давление; А_а - площадь контакта; L - путь трения; r - плотность изнашиваемого материала; b - коэффициент, показывающий влияние среднего размера зерна крупной фракции на величину износа материала; d - коэффициент, учитывающий влияние СОЖ на величину износа.

С учетом того, что в процессе изнашивания распределение поверхностных сил не меняется во времени, а время работы превышает начальный период приработки, А.С. Проников получил выражение для расчета скорости изнашивания в виде степенной функции:

, (4.26)

где v_cк - скорость скольжения; P – нормальная нагрузка; m, n - показатели степени.

Наиболее общее заключение трибологов, полученное на базе феноменологического подхода, состоит в том, что в общем случае:

износ пропорционален нагрузке;

износ обратно пропорционален твердости изнашиваемого материала;

скорость износа коррелирует со скоростью скольжения.

Тем не менее, хотя эмпирические модели не имели развития в современной трибологии, из-за простоты полученных формул они до сих пор используются в конкретных случаях в инженерных расчетах, в частности, при расчетах изнашивания абразивного, бурильного инструмента, почвообрабатывающих машин и др.