Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании
Анализ экспериментальных данных по усталости и износу элементов трибосистемы в смазочных средах различного состава показывает, что путем направленного легирования этих сред можно управлять процессами пассивации поверхностных слоев при трении материалов, от которых зависит сопротивление последних...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48408 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании / Г.В. Цыбанев, О.Н. Белас // Проблемы прочности. — 2009. — № 4. — С. 48-61. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859596075842666496 |
|---|---|
| author | Цыбанев, Г.В. Белас, О.Н. |
| author_facet | Цыбанев, Г.В. Белас, О.Н. |
| citation_txt | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании / Г.В. Цыбанев, О.Н. Белас // Проблемы прочности. — 2009. — № 4. — С. 48-61. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Анализ экспериментальных данных по усталости и износу элементов трибосистемы в смазочных
средах различного состава показывает, что путем направленного легирования этих
сред можно управлять процессами пассивации поверхностных слоев при трении материалов,
от которых зависит сопротивление последних усталости и изнашиванию. Изменяя положение
и размер области существования поверхностных структур, можно значительно изменять
усталостную долговечность элементов трибосистемы.
Аналіз експериментальних даних, отриманих при випробуваннях на втому та
знос елементів трибосистеми у мастильних середовищах різного складу, показує,
що шляхом направленого легування цих середовищ можна керувати процесами
пасивації поверхневих шарів при терті матеріалів, від яких залежить
опір останніх утомі та зношуванню. Зміна положення і розміру області існування
поверхневих структур дозволить змінювати втомну довговічність елементів
трибосистеми.
Our analysis of experimental data on fatigue and
wear of tribosystem components in lubricant media
of various composition demonstrates that targeted
alloying of these media makes it possible
to control passivation processes occurring during
friction of materials which imply their fatigue
and wear resistance. By varying position and
size of the range of existence of the surface structures,
it is possible to provide change considerable
variation of the fatigue life of the tribosystem
components.
|
| first_indexed | 2025-11-27T21:01:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.17:621.891
Исследование влияния состава смазочной среды на процессы
усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и
совместном протекании
Г. В. Ц ы банева, О. Н . Б ел ас6
а Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
6 Секция прикладных проблем Президиума НАН Украины, Киев, Украина
Анализ экспериментальных данных по усталости и износу элементов трибосистемы в сма
зочных средах различного состава показывает, что путем направленного легирования этих
сред можно управлять процессами пассивации поверхностных слоев при трении материалов,
от которых зависит сопротивление последних усталости и изнашиванию. Изменяя положе
ние и размер области существования поверхностных структур, можно значительно изме
нять усталостную долговечность элементов трибосистемы.
К л ю ч е в ы е слова: усталость, сопротивление усталости, усталостная долго
вечность, износостойкость, износ, изнашивание, трибосистема, смазочная
среда, поверхностные структуры.
В ведение. Воздействие сред может вызывать обратимое или необрати
мое изменение свойств материалов. Влияние смазочной среды начинается с
адсорбции поверхностью ее активных элементов - это первичное и универ
сальное свойство сред, а далее может развиваться химическое или электро
химическое взаимодействие меж ду материалом и средой.
В настоящей работе описаны экспериментальные исследования по оцен
ке влияния состава смазочных сред на процессы трения и усталости, проте
кающие одновременно в материале элементов трибосистемы. Цель исследо
ваний заключается в установлении закономерностей взаимного влияния про
цессов трения и усталости в материале в зависимости от состава смазочной
среды с использованием методик, разработанных ранее [1-3].
М етодика испы таний и см азочны е среды . Чтобы определить влияние
состава смазочной среды на характеристики сопротивления усталости мате
риала элементов трибосистемы, были проведены испытания на усталость
образцов из нормализованной стали 45 при консольном изгибе с вращением.
С этой целью использовались специально созданная экспериментальная уста
новка и образцы к ней [2]. Для сосредоточения места усталостного разру
шения, приложения сил контакта и трения через контртело, изготовленное
также из стали 45, в образце выполнялась кольцевая выточка (концентратор
напряжений). Экспериментально определялся эффективный коэффициент кон
центрации напряжений, равный 1,25.
Использовались следующ ие смазочные среды: вазелиновое масло (ВМ),
вазелиновое масло с добавкой поверхностно-активного вещества (ВМ + ПАВ);
минеральное масло М С-20 (МС); масло М С-20 с добавками химически актив
ных присадок (МС + Х А П ), содержащ их фосфор (МС + Р), серу (МС + Б) и
серофосфорный комплекс ДФ-11 (МС + ДФ). В качестве ПАВ использова
© Г. В. ЦЫБАНБВ, О. Н. БЕЛАС, 2009
48 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
лась олеиновая кислота. Масло при испытаниях подавалось в зону предпола
гаемого усталостного разрушения с помощью насоса, обеспечивающего п ос
тоянный расход, равный 30 мл/с. Также были проведены испытания на
усталость в воздуш ной среде.
В качестве величины, характеризующей влияние среды на усталостную
прочность материалов, использовался коэффициент , введенный Г. В. Кар
пенко [4] и названный им коэффициентом циклической прочности для данной
среды. Коэффициент представляет собой отношение предела выносливости
о _ материала в данной среде к пределу выносливости о _ 1, определенному
в воздуш ной среде:
ческого нагружения составляла 50 Гц.
В лияние состава см азочны х сред на характеристики сопротивления
усталости. В ряде работ [5 -7 ] установлено, что образование и развитие
усталостных трещин в воздуш ной среде происходит гораздо быстрее, чем в
вакууме. Это обусловлено повторяющимся разрушением оксидных пленок,
происходящим преимущ ественно по межзеренным границам или окисленным
карбидам [7]. О сновное влияние на распространение трещины среда оказы
вает на ранних стадиях ее роста, когда сущ ествуют микротрещины. По-
видимому, происходит это из-за непосредственного доступа среды к вершине
трещины, скорости роста которой настолько малы, что успевает произойти
взаимодействие м еж ду материалом и элементами среды.
Согласно анализу вышеприведенных работ, в данных исследованиях в
качестве наименее активной смазочной среды выбрано ВМ . Следовательно, в
знаменателе формулы (1) необходимо использовать предел выносливости
о _ ! , определенный при испытаниях в среде ВМ. Предлагается рассчиты
вать коэффициент циклической прочности для смазочной среды ф с):
Полученные результаты представлены на рис. 1.
Видно, что при подаче смазки в зону предполагаемого разрушения
кривые усталости образцов располагаются выше (на рис. 1 кривые 1 -4 )
таковых образцов без смазки (кривая 5). Масляная пленка служит экраном,
препятствующим адсорбции кислорода воздуха на ювенильных поверхнос
тях, что тормозит развитие коррозионных процессов и ослабляет отрица
тельное влияние кислорода воздуха на процесс усталости. Растворенный в
вазелиновом масле кислород (на рис. 1 кривая 1) оказывает коррозионное
воздействие [8, 9], но в значительно меньшей степени. При испытании
образцов в среде МС (на рис. 1 кривая 2) в результате адсорбции происходит
понижение усталостной прочности стали 45, так как среда содержит ПАВ,
хотя и в небольшом количестве. Более заметное влияние ПАВ на процессы
усталостного разрушения стали 45 оказывает введение в среду ВМ 2 мас.%
(1)
Предел выносливости определялся на базе 106 цикл. Частота цикли-
(2)
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 49
Г. В. Цыбанев, О. Н. Белас
олеиновой кислоты (на рис. 1 кривая 4). В табл. 1 приведены ограниченные
пределы выносливости, полученные при испытаниях на базе 106 цикл, и
коэффициенты циклической прочности в соответствии с (2).
Т а б л и ц а 1
Результаты испытаний на усталость стали 45 в различных по составу
смазочных средах
Среда а _ 1 , МПа Рс
ВМ 325 1,000
МС-20 315 0,970
МС-20 + ХАП 313 0,963
ВМ + ПАВ 305 0,936
Воздух 278 0,853
сга,
М П а
400
350
300
250
2
„ 1
\ ч
4
ч5
1 ё К
Рис. 1. Кривые усталости образцов из стали 45, испытанных в различных средах: 1 - ВМ; 2 -
МС; 3 - МС + ХАП; 4 - ВМ + ПАВ; 5 - воздушная среда.
В основу механизма усталостного разрушения материала, в какой бы
среде оно не происходило, положено образование и развитие в ходе цикли
ческого нагружения микротрещин усталости. Факторы, способствую щ ие про
цессу образования микротрещин усталости и облегчающие их дальнейшее
развитие, будут приводить к снижению усталостной прочности материалов, и
наоборот, факторы, затрудняющие их образование и замедляющие развитие, -
к ее росту. Весь процесс образования и развития усталостной трещины
можно разделить, как минимум, на три этапа, каждый из которых имеет
самостоятельное значение. Первый этап - образование пластических сдвигов
и возникающее в результате этого упрочнение. Второй этап - “разрыхление”
решетки после предельного упрочнения и возникновение микротрещин. Тре
тий этап - образование магистральной трещины усталости и дальнейший ее
рост. Эта схема в основном остается такой же и при наличии ПАВ, но
процесс усталостного разрушения происходит гораздо интенсивнее прежде
всего за счет значительного сокращения длительности первого этапа. В
результате адсорбции активных элементов среды на поверхности циклически
нагружаемого металла при заданной амплитуде напряжений облегчается обра
зование пластических сдвигов и резко возрастает их число. Тем самым спо
собность материала к упрочнению исчерпывается при меньшем числе циклов,
50 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
и раньше наступает второй этап усталостного разрушения - разупрочнение
(разрыхление решетки) материала после предельного упрочнения. При обра
зовании микротрещин усталости в них под действием капиллярных сил
проникает рабочая среда. Адсорбция ПАВ на стенках трещин в процессе их
развития приводит к снижению поверхностной энергии, т.е. работы, расхо
дуем ой на образование новых поверхностей, облегчая тем самым дальнейшее
развитие усталостной трещины. Таким образом, действует эффект Ребиндера
во всех его проявлениях [4 -6 , 10-12].
Незначительное воздействие на усталость стали 45 оказывают Х А П в
МС (на рис. 1 кривая 3), т.е. их действие соответствует влиянию самого МС
(кривая 2). Наиболее низкая усталостная долговечность стали получена при
испытаниях в воздуш ной среде (на рис. 1 кривая 5). Это, как отмечалось
выше, по-видимому, обусловлено коррозионным действием находящегося в
воздухе кислорода, атомы которого могут беспрепятственно хемосорбиро-
ваться на ювенильных поверхностях материала. При этом часть атомов кисло
рода в результате диффузионных процессов, интенсивно протекающих в
условиях циклического нагружения [4, 11, 12], транспортируется в глубь
металла по активным полосам скольжения, создавая препятствия движению
дислокаций и способствуя их скоплению до критической плотности, что
приводит к более быстрому усталостному разрушению [5, 9].
На рис. 2 приведены диаграммы прогиба образцов Н при испытании на
усталость в ВМ и воздуш ной среде на уровне амплитуды напряжений о а =
= 400 МПа. При этом значения усталостных характеристик, полученные в ВМ,
наибольшие, в воздуш ной среде - наименьшие. На диаграммах (рис. 2) свет
лыми точками обозначены максимальные Н (верхние точки на кривых 1
и 2) и критические Н кр (нижние точки на кривых 1 и 2) значения прогиба,
которые соответствуют моменту зарождения трещины и началу ее ускорен
ного неконтролируемого роста перед окончательным разрушением [13].
И, ------------------ ------------------ ------------------ ------------------
50
Рис. 2. Диаграммы прогиба образцов из стали 45 при испытании на усталость в ВМ (1) и
воздушной среде (2).
Представленные результаты отражают тенденцию, следующ ую из лите
ратурных источников: наличие смазки приводит к увеличению длительности
стадий зарождения трещины (от начала нагружения до точки Н щ^) и ее
0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 51
Г. В. Цыбанев, О. Н. Белас
роста (от точки Н т х до точки Н кр). При этом величина прогиба несколько
выше для образцов, испытанных в смазочной среде, чем в воздушной. Анало
гичные результаты получены также для других сред, испытания в которых
позволили построить кривые усталости, расположенные меж ду кривыми 1 и
5 на рис. 1. Величины прогиба образцов и длительность стадий зарождения
Т х и роста Т 2 трещины при испытаниях в различных средах представлены в
табл. 2.
Т а б л и ц а 2
Величины прогиба и длительность стадий усталости стали 45
в различных по составу смазочных средах при а а = 400 МПа
Среда Н тах, мкм Н кр, мкмКр’ Т1, с Т2, с
ВМ 33 20 170 3000
МС-20 35 22 160 2140
МС + ХАП 38 20 140 2160
ВМ + ПАВ 40 20 130 2500
Воздух 30 15 120 960
Приведенные данные подтверждают, что величина максимального про
гиба во всех смазочных средах больше, чем в воздуш ной среде. Это сви
детельствует о более высокой циклической пластичности поверхностного слоя
стали 45 в этих условиях. Наличие Х А П и ПАВ в смазочных средах (в какой-
то мере они присутствуют и в МС) по сравнению с таковыми в ВМ приводит
также к интенсификации процесса пластического деформирования, что выра
жается в увеличении прогиба образца. Из результатов табл. 2 также следует,
что смазочные среды по сравнению с воздуш ной средой способствую т повы
ш ению длительности как стадии зарождения трещины, так и ее роста.
Влияние состава см азочны х сред на характеристики износостойкости.
Рассматривая закономерности изменения триботехнических характеристик и
параметров акустической эмиссии (АЭ) в зависимости от состава смазочной
среды, была установлена различная эффективность добавок в масла, опре
деляющая условия работы узла трения. В результате проведенных иссле
дований разработан способ контроля служебных свойств смазывающих масел
[14], позволяющий сократить длительность испытаний и упростить контроль
их противоизносных свойств.
В качестве параметра, характеризующего влияние состава смазочной
среды на трибопроцессы и позволяющего ранжировать смазывающие масла
по служебным свойствам, предложен коэффициент
^с _ Н аэ/Р к.кр , (3)
где Н аэ - значение акустико-эмиссионной информационной энтропии, полу
ченное при расчете по методике [15]; Р ккр - значение критического удель
ного давления в контакте трибосопряжения в данной смазочной среде, уста
новленное при определении Н аэ.
52 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
Полученные результаты представлены в табл. 3 и на рис. 3.
Как отмечалось ранее [15], акустико-эмиссионная информационная энтро
пия тесно коррелирует с интенсивностью изнашивания (коэффициент корре
ляции ~ 0,9), что подтверждает зависимость параметров А Э от процессов
деформирования и разрушения в зоне фрикционного контакта. Чем интенсив
нее протекают процессы поверхностного разрушения материалов трибосисте-
мы, тем выше будут значения Н аэ, а следовательно, быстрее пара трения
выйдет из строя: повреждаемость, недопустимый износ [6]. Зависимости,
представленные на рис. 3, наглядно иллюстрирует влияние состава смазочной
среды на закономерности изменения Н аэ. Изменение состава смазочной
среды позволяет уменьшать уровень значений Н аэ (на рис. 3 кривые 3 -5 по
сравнению с кривой 2), повышать его (кривая 6 по сравнению с кривой 1), а
также расширять диапазон низких значений Н аэ (кривые 3 -5 ).
Т а б л и ц а 3
Значения коэффициента а с по результатам испытания пар трения
в различных по составу смазочных средах
Среда Е-иб§ МПа а с • 102, бит/МПа
МС + ДФ 4,05 405 1,0000
МС + Б 4,10 405 1,0124
МС + Р 3,95 387 1,0207
МС-20 3,95 358 1,1034
ВМ + ПАВ 4,00 313 1,2780
ВМ 4,15 241 1,7220
Наэ:
бит
4
3
2
100 200 300 Рк, МПа
Рис. 3. Изменение акустико-эмиссионной информационной энтропии в зависимости от кон
тактной нагрузки на пару трения сталь 45-сталь 45 при граничной смазке: 1 - ВМ; 2 - МС; 3 -
МС+Р; 4 - МС + Б; 5 - МС + ДФ; 6 - ВМ + ПАВ.
Особенностью результатов испытаний пар трения (табл. 3) является то,
что показания триботехнических характеристик параметров А Э определя
ются по достижении критического значения, которое для базового МС соот
ветствует моменту возникновения начальной повреждаемости на поверхнос
тях трения образца из стали 45.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 53
Г. В. Цыбанев, О. Н. Белас
Для этого случая регистрируется амплитудное распределение сигналов
А Э и, переходя к распределению плотности вероятности амплитуд сигналов
АЭ, рассчитывается значение Н аэ. В момент возникновения повреждаемости
в поверхностных слоях элементов пары трения фиксируется значение удель
ного давления в контакте, которое является критическим для данных условий
эксперимента. П осле этого рассчитывается коэффициент а с для МС. А нало
гично проводятся испытания пар трения в других смазочных средах: снима
ются показания значений Н аэ и Р ккр при возникновении повреждаемости
на поверхностях трения и рассчитывается коэффициент а с . Размерность
коэффициента а с выражается в бит/МПа, что указывает на недостаток
количества информации об исследуемой системе, отнесенного к единице кон
тактного давления в момент перехода трибосистемы от нормального трения к
повреждаемости. Чем меньше значение Н аэ, тем меньше неопределенность
системы. Следовательно, можно с больш ей достоверностью предсказать
состояние трибосистемы. Как было установлено выше, значения Н аэ = (2 ...3 )
бит соответствуют режиму нормального трения. При возникновении повреж
даемости поверхностей трения исследуемая трибосистема может с равной
вероятностью принимать лю бое состояние из числа заданных, поэтому значе
ние Н аэ увеличивается. Поскольку для проведения всех испытаний образцы
исследуемой пары трения изготовлялись из нормализованной стали 45, при
возникновении повреждаемости поверхностей трения значения Н аэ должны
приближаться к вполне определенной величине, характерной для этого мате
риала, что и подтверждается результатами исследований (табл. 3). П о-види
мому, значение Н аэ = 4 бит является для данной пары трения и условий
эксперимента той характерной величиной, которая указывает на возникно
вение повреждаемости поверхностей трения.
Анализ микрофотографий поверхностей трения, соответствующих реж и
му нормального трения и повреждаемости и полученных при испытаниях в
различных смазочных средах, показывает приблизительно равную степень
поврежденности поверхностей трения, что свидетельствует об идентичности
условий работы элементов трибосопряжений. Главная причина роста хими
ческой реакционной способности материала состоит в увеличении энтальпии
твердого тела за счет изменения его реальной структуры под действием
силового поля [6, 16]. Однако такие среды, как ВМ и МС, не содержат в
достаточном количестве активных элементов, способны х приводить поверх
ностные слои материала в равновесное устойчивое состояние. П оэтому при
сложных режимах трения быстрее возникает повреждаемость (на рис. 3
кривые 1 и 2). Анализ химического состава поверхностей трения после
испытаний в указанных смазочных средах свидетельствует о наличии кисло
рода, что вполне логично, так как наиболее активным и, пожалуй, единст
венным элементом в минеральных маслах является кислород [8, 17]. Одно из
эффективных средств управления процессами трения и изнашивания мате
риалов - добавка в масло специальных ПАВ и Х А П [6]. При смазывании
поверхностей трения минеральными маслами в качестве активных веществ
обычно используются органические соединения, содержащ ие серу, фосфор,
азот и др. В результате взаимодействия добавок с активированными поверх
ностными слоями металла образуются поверхностные структуры, обладающие
54 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
более высокой износостойкостью и лучшими противозадирными свойствами,
чем поверхностные структуры, содержащ ие кислород (на рис. 3 кривые 3 -5 ) .
При явлении структурной приспосабливаемости процессы активации и пас
сивации поверхностных слоев находятся в динамическом равновесии [6].
Каждому уровню активации трущегося материала соответствует строго опре
деленная степень пассивации поверхностей трения за счет взаимодействия с
активными элементами среды. При относительно низких значениях удельной
работы трения образуются поверхностные структуры, малонасыщенные актив
ными элементами. Поэтому удовлетворительные результаты можно получить
даже при использовании чистых минеральных масел, содержание растворен
ного кислорода в которых обеспечивает протекание нормального трения. При
увеличении значений удельной работы трения уровень активации поверхнос
тей возрастает, а пассивирующая способность среды не удовлетворяет потреб
ности - возникает повреждаемость. Добавка в смазочное масло присадок
способствует расширению диапазона нормального трения за счет повышения
пассивиру- ющей способности смазочной среды (табл. 3).
Влияния состава см азочны х сред на характеристики износостойкости
при дей стви и циклического нагруж ения. П осле определения влияния сма
зочной среды на протекание трибопроцессов и расчета коэффициента цикли
ческой прочности f i с представляет интерес исследование изменения интен
сивности изнашивания стали 45 в зависимости от условий циклического
нагружения одного из элементов трибосистемы в различных смазочных сре
дах. Ранее установлено [1], что циклическое нагружение влияет на процессы
трения и изнашивания: износ элемента трибосистемы увеличивается и во
многом зависит от величины и длительности приложения циклической
нагрузки.
Были проведены исследования при граничном трении образцов из нор
мализованной стали 45 в среде МС + Р, которая содержит химически актив
ный фосфор, с циклическим нагружением одного из элементов трибосисте
мы. Показано, что на сталях фосфорные присадки образуют фосфаты железа
[8, 17], пленки которых обладают антизадирным действием и, как следствие,
сущ ественно уменьшают износ. При действии на образец циклической на
грузки также установлено значительное повышение интенсивности изнаши
вания I ц по сравнению с таковой при испытаниях без циклической нагруз
ки I (рис. 4).
В результате влияния циклического нагружения на трибопроцессы при
использовании среды МС + Р установлено уменьшение диапазона нормального
трения приблизительно в 1,5 раза, что соответствует данным, полученным
при испытаниях в среде МС. Использование последней при испытаниях пар
трения в условиях циклического нагружения по сравнению с испытаниями
без циклического нагружения позволяет увеличить интенсивность изнашива
ния стали 45 на 10...20%. При использовании среды МС + Р степень влияния
циклического нагружения на износостойкость соответствует 15...33%.
Испытания на износ образцов из стали 45 в среде МС + Р показывают,
что уровень значений интенсивности изнашивания уменьш ается до 30% по
сравнению с испытаниями в среде МС. Результаты испытаний приведены в
табл. 4.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 4 55
Г. В. Цыбанев, О. Н. Белас
Т а б л и ц а 4
Результаты испытания пар трения в условиях граничной смазки маслами МС-20
и МС + Р при циклическом нагружении
Рк, МПа °а ■.
МПа
Н аэ,
бит
Р ,к. кр;
МПа
I ,
мкм/км
а с -102,
бит/МПа
150 0 3,95 358 0,1400 1,1034
150 0 3,95 387 0,1050 1,0207
150 350 4,05 220 0,1700 1,8409
150 350 4,05 250 0,1400 1,6200
150 400 4,00 250 0,1630 1,6000
150 400 4,03 270 0,1300 1,4926
150 450 3,98 280 0,1054 1,4244
150 450 4,02 300 0,1200 1,3400
Примечание. Над чертой приведены данные, полученные при использовании среды МС-20,
под чертой - МС + Р.
и ,
мкм
км / 2
0,2
/
0,1
О 100 200 300 Рк, МПа
Рис. 4. Изменение интенсивности изнашивания стали 45 при граничном трении в среде МС + Р:
1 - о а = 0; 2 - о а = 350 МПа.
На следующ ем этапе исследований в качестве добавки в МС выбрана
свободная сера (0,25 мас.%), которая позволяет значительно расширить диа
пазон нормального трения. Циклическое нагружение и в этом случае оказы
вает влияние на трибопроцессы. Результаты испытаний пар трения в среде
МС + Б представлены в табл. 5.
Полученные данные свидетельствуют о том, что в среде МС + Б диапа
зон нормального трения при циклическом нагружении уменьшается пример
но в 1,5 раза, а снижение износостойкости стали 45 составляет 1,07...1,3 раза,
т.е. 7...30% .
Результаты испытаний с использованием присадки комбинированного
типа ДФ -11, которая содержит несколько активных элементов одновременно,
приведены в табл. 6. Комбинированная добавка ДФ в МС способствует
улучшению как противоизносных, так и антизадирных характеристик трибо-
системы. Отрицательное влияние циклического нагружения способствовало
уменьш ению диапазона нормального трения приблизительно в 1,5 раза и
повышению интенсивности изнашивания стали 45 на 3...28%.
56 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
Т а б л и ц а 5
Результаты испытания пар трения в условиях граничной смазки МС + 8
при циклическом нагружении
Лс,
МПа МПа
Н аз,
бит
Р К. кр,
МПа
I ,
мкм/км
а с -102,
бит/МПа
150 0 4,10 405 0,120 1,0124
150 350 4,13 270 0,157 1,5296
150 400 4,12 300 0,145 1,3733
150 450 4,08 330 0,128 1,2364
Т а б л и ц а 6
Результаты испытания пар трения в условиях граничной смазки МС + ДФ
при циклическом нагружении
Р к,
МПа МПа
Н аз,
бит
Р ,к. кр
МПа
I ,
мкм/км
а с -102,
бит/МПа
150 0 4,05 405 0,115 1,0000
150 350 4,10 280 0,147 1,4643
150 400 4,08 310 0,135 1,3161
150 450 4,06 340 0,118 1,1941
Таким образом, влияние циклического нагружения на трибопроцессы
при испытаниях пар трения в различных смазочных средах приводит к
относительному уменьш ению диапазона нормального трения примерно в 1,5
раза и повышению интенсивности изнашивания стали 45 на 3...33% по
сравнению с испытаниями без циклического нагружения одного из элементов
трибо системы. В то же время анализ значений коэффициента а с (табл. 4 -6 )
свидетельствует о влиянии состава смазочной среды на триботехнические
характеристики стали 45 при циклическом нагружении одного из элементов
трибо системы.
Добавка ДФ в МС способствует формированию на поверхности трения
наиболее эффективных пленок поверхностных структур, служебные свойства
которых повышаются на 16...20%. Результаты контроля служебных свойств
поверхностных структур, образующихся на поверхности стали 45 при испыта
нии пар трения в условиях циклического нагружения, приведены в табл. 7.
Установлено, что на трибопроцессы оказывают значительное влияние как
циклическое нагружение, так и состав смазочной среды.
Представления о структурной приспосабливаемости материалов при тре
нии свидетельствуют о первостепенной роли смазочной среды в расширении
диапазона и оптимизации параметров этого явления. Одним из наиболее
эффективных методов практического использования рабочей среды для управ
ления надежностью является применение смазочных материалов. М инимиза
ция износа и обеспечение его необходимого диапазона для данной трибо-
системы при изменении внешних механических воздействий достигаются
при энергетическом равновесии процессов активации и пассивации. В резуль
0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 57
Г. В. Цыбанев, О. Н. Белас
тате нарушения этого равновесия происходит либо нежелательное повыше
ние износа трибосистемы при некотором росте диапазона нормального тре
ния, либо сужение этого диапазона и проявление недопустимых процессов
повреждаемости поверхностей трения.
Т а б л и ц а 7
Изменение свойств пленок поверхностных структур (а с 102),
образующихся при испытании пар трения в различных
по составу смазочных средах, при циклическом нагружении
Масло о а, МПа, равное а с
0 350 400 450
МС-20 1,1034 1,8409 1,6000 1,4244 —
МС+Р 1,0207 1,6200 1,4930 1,3400 ,9,3.5,
МС+Б 1,0124 1,5296 1,3733 1,2364 ,36,,6.2,
МС+ДФ 1,0000 1,4643 1,3161 1,1941 16,8...20,7
Примечание. Величина а с рассчитывается как отношение (в %) коэффициента а с, опреде
ленного для масла МС-20, к такому же коэффициенту для этого масла с добавками при
одинаковых амплитудах напряжения.
Среда, ее состав и концентрация компонентов в ПАВ и Х А П - наиболее
важные и доступные для практики факторы, позволяющие достичь необхо
димого равновесия с минимальным уровнем износа и достаточным для
конкретных условий нагружения диапазоном нормального трения.
Наиболее типичным видом поверхностных структур трансформирован
ного металла является насыщение его кислородом. Однако поскольку эффек
тивным средством управления процессом пассивации служит добавка в масло
специальных Х А П , в результате взаимодействия присадок с активированным
металлом образуются поверхностные структуры некислородного происхож
дения. В зависимости от назначения присадки могут расширять диапазон
нормального трения (противозадирные), минимизировать поверхностное раз
руш ение (противоизносные) либо воздействовать комплексно (многофункци
ональные). Результаты испытаний по оценке влияния смазочной среды на
протекание процессов трения, изнашивания и усталости приведены выше.
Ниже будет рассмотрено влияние трения на процессы усталости стали 45 с
учетом состава смазочной среды.
С тепень влияния тр ения на процессы усталости с учетом состава
см азочной среды . Ранее [1] показано, что условия трения существенно
влияют на сопротивление усталости элементов трибосистемы. Проведение
дальнейших исследований позволяет установить, какая из присадок наиболее
эффективна с точки зрения положительного влияния величины контактной
нагрузки на сопротивление усталости. На рис. 5 представлены полученные
кривые N — Р к для таких сред, как МС + Р и МС + Б, в которых в МС
добавлены наиболее распространенны е химически активные компоненты,
улучшающие характеристики элементов трибосистемы.
Противоизносная эффективность поверхностных структур, образуемых
на стальных образцах присадками с активным фосфором, изучена достаточно
58 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
хорошо [8, 17, 18]. Данные многих исследований позволяют считать уста
новленными следующ ие свойства пленок, формируемых фосфорными соеди
нениями на поверхностях трения: они могут образовываться при более низ
ких температурах, чем пленки сульфидов и хлоридов. Ф осфор энергично
хемосорбируется на стали уж е при комнатной температуре, следовательно, и
на смазываемых, но не трущихся поверхностях. Видимо, поэтому значения
максимальной усталостной долговечности для среды МС + Р ниже, чем для
МС. Благодаря такой “активности” фосфора поверхности трущихся образцов
быстрее насыщаются этим элементом, вследствие чего сужается диапазон
существования поверхностных структур.
N•10,
цикл
(
А
1 і
2
10 15 20 Р.. ,МПа
Рис. 5. Изменение усталостной долговечности образцов из стали 45 в зависимости от контакт
ной нагрузки при циклическом нагружении (а а = 400 МПа) в смазочной среде: 1 - МС; 2 -
МС + Р; 3 - МС + Б.
При использовании свободной серы в качестве добавки в МС установ
лены два участка, где наблюдается повышение усталостной долговечности.
Положение первого из них позволяет говорить о практическом его совпа
дении с участком, полученным при испытаниях в среде МС. По всей вероят
ности, при данных условиях нагружения еще не происходит взаимодействия
серы с поверхностью материала образцов, поскольку, как отмечается в ряде
работ, антизадирный эффект серных присадок может проявляться только при
высоких температурах на поверхности трущихся материалов. Это подтверж
дается анализом химического состава поверхностей трения, согласно кото
рому относительная концентрация серы на трущихся поверхностях практи
чески не изменяется по глубине травления, в то время как интенсивность
пика кислорода идентична интенсивности пика кислорода, определенной для
МС. Поскольку добавки серы наиболее эффективны в условиях повышен
ных температур, становится очевидным появление второго участка, где также
имеет место увеличение усталостной долговечности.
По-видимому, при контактной нагрузке Р к = 15.. .21 МПа начинается
активное взаимодействие серы со сталью 45, в результате чего активируемые
трущиеся поверхности насыщаются еще одним пассиватором - серой. Это
приводит к изменению химического состава пленок поверхностных структур.
Дальнейшее повышение контактной нагрузки, а значит, и уровня активиро
вания материала для поддержания энергетического равновесия требует до
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 59
Г. В. Цыбанев, О. Н. Белас
полнительного насыщения трущихся поверхностей активными компонентами
среды. В се это приводит к образованию поверхностных структур, облада
ющ их большей поверхностной прочностью, однако менее пластичных. При
механических воздействиях на поверхности материала возникает сетка микро
трещин, которые являются концентраторами напряжений, а при действии
циклических нагрузок способствую т зарождению трещин усталости, чем
можно объяснить в дальнейшем резкое снижение усталостной долговечности.
Для проверки данных предположений было проведено серию испытаний
с использованием комплексной многофункциональной присадки ДФ, содер
жащей оба указанных компонента - серу и фосфор. Результаты проведенных
исследований полностью подтвердили предположения. На рис. 6 представ
лена кривая N — Р к , которую легко можно сравнить с приведенными на рис. 5.
Диапазон значений усталостной долговечности для среды МС + ДФ полно
стью перекрывает все полученные выше диапазоны. Данные анализа хими
ческого состава пленок поверхностных структур также подтверждают выше
изложенные предположения.
Рис. 6. Изменение усталостной долговечности образцов из стали 45 в зависимости от контакт
ной нагрузки при циклическом нагружении (оа = 400 МПа) в среде МС + ДФ.
Заклю чение. Из приведенных результатов следует, что путем направлен
ного легирования смазочных сред можно управлять процессами пассивации
поверхностных слоев при трении и изнашивании материалов, от которых зави
сит их сопротивление усталости. Изменяя положение и размер области сущ ест
вования поверхностных структур, можно корректировать уровень усталостной
долговечности элементов трибосистемы, значительно увеличивая ее. Это позво
ляет с большей уверенностью говорить о возможности повышения надежности
узлов трения машин, работающих в условиях циклического нагружения.
Р е з ю м е
Аналіз експериментальних даних, отриманих при випробуваннях на втому та
знос елементів трибосистеми у мастильних середовищах різного складу, пока
зує, що шляхом направленого легування цих середовищ можна керувати про
цесами пасивації поверхневих шарів при терті матеріалів, від яких залежить
опір останніх утомі та зношуванню. Зміна положення і розміру області існу
вання поверхневих структур дозволить змінювати втомну довговічність еле
ментів трибосистеми.
60 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2009, № 4
Исследование влияния состава смазочной среды
1. Ц ы б а н ев Г. В . , Б ел ас О. Н . М етодика испытаний на усталость материала
элементов трибосистемы // Пробл. прочности. - 1991. - № 8. - С. 72 - 77.
2. А. с. № 1 6 6 8 9 1 4 С С С Р . С пособ износоусталостных испытаний мате
риалов и установка для его реализации / И. Г. Носовский, О. Н. Белас,
Г. В. Цыбанев. - Опубл. 07.08.1991. Бюл. № 29.
3. А. с. № 1 5 7 3 3 9 2 С С С Р . С пособ испытания материалов на усталость при
изгибе / И. Г. Носовский, О. Н. Белас, Г. В. Цыбанев и др. - Опубл.
23.06.90. Бюл. № 23.
4. К арп ен ко Г. В. Влияние активных жидких сред на выносливость стали. -
Киев: Изд-во А Н УССР, 1955. - 207 с.
5. У эдсворт Н. Д ж . Влияние окружающей среды на усталость металлов //
Усталость и выносливость металлов. - М.: И зд-во иностр. лит., 1963. -
С. 101 - 113.
6. К ост ец ки й Б. И., Н осовски й Л . И ., Б ерш адски й Л . И. и др . Надежность и
долговечность машин. - Киев: Техніка, 1975. - 408 с.
7. У ст алост ь материалов при высокой температуре / П од ред. Р. П. Скел
тона. - М.: Металлургия, 1988. - 343 с.
8. В и н о гр а д о в Г. В ., П одольски й Ю . Д . М еханизм противоизносного и
антифрикционного действия смазочных сред при тяжелых режимах гра
ничного трения // О природе трения твердых тел. - Минск: Наука и
техника, 1971. - С. 281 - 304.
9. F u jita F. E. Fracture Solids. - N ew York; London, 1963. - 657 p.
10. Р еб и н д ер П. А . Физико-химическая механика. - М.: Сов. наука, 1958. -
64 с.
11. Л ихт м ан В. И., Щ укин Е. Д ., Р еб и н д е р П. А . Физико-химическая меха
ника металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 304 с.
12. И ван ова В. С., Т ерент ьев В. Ф. Природа усталости металлов. - М.:
Металлургия, 1975. - 455 с.
13. Л е б е д е в Т. А ., М ари н ец Т. К., Е ф р ем о в А. И . Исследование циклической
прочности металлов методом записи диаграмм усталости // Циклическая
прочность металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 1 4 1 - 146.
14. А. с. 1 4 9 7 4 9 5 С С С Р . Способ контроля служебных свойств смазывающих
масел / И. Г. Носовский, О. Н. Белас, В. Ф. Тесля и др. - Опубл. 30.07.89.
Бюл. № 28.
15. Б ел ас О. М . П ідхід до оцінки зношування пар тертя методом акустичної
ем ісії // Ф із.-хім. механіка матеріалів. - 2001. - № 1. - С. 89 - 90.
16. Х ай н и ке Г . Трибохимия. - М.: Мир, 1987. - 584 с.
17. Р о зе н б е р г Ю . А . Влияние смазочных масел на долговечность и надеж
ность машин. - М.: М ашиностроение, 1970. - 312 с.
18. А хм ат ов А. С. Молекулярная физика граничного трения. - М.: Физматгиз,
1963. - 472 с.
П оступила 09. 11. 2007
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 4 61
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48408 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T21:01:29Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Цыбанев, Г.В. Белас, О.Н. 2013-08-19T12:34:53Z 2013-08-19T12:34:53Z 2009 Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании / Г.В. Цыбанев, О.Н. Белас // Проблемы прочности. — 2009. — № 4. — С. 48-61. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48408 620.17:621.891 Анализ экспериментальных данных по усталости и износу элементов трибосистемы в смазочных средах различного состава показывает, что путем направленного легирования этих сред можно управлять процессами пассивации поверхностных слоев при трении материалов, от которых зависит сопротивление последних усталости и изнашиванию. Изменяя положение и размер области существования поверхностных структур, можно значительно изменять усталостную долговечность элементов трибосистемы. Аналіз експериментальних даних, отриманих при випробуваннях на втому та знос елементів трибосистеми у мастильних середовищах різного складу, показує, що шляхом направленого легування цих середовищ можна керувати процесами пасивації поверхневих шарів при терті матеріалів, від яких залежить опір останніх утомі та зношуванню. Зміна положення і розміру області існування поверхневих структур дозволить змінювати втомну довговічність елементів трибосистеми. Our analysis of experimental data on fatigue and wear of tribosystem components in lubricant media of various composition demonstrates that targeted alloying of these media makes it possible to control passivation processes occurring during friction of materials which imply their fatigue and wear resistance. By varying position and size of the range of existence of the surface structures, it is possible to provide change considerable variation of the fatigue life of the tribosystem components. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании Study of the effect of lubricant medium composition on the fatigue and wear processes in steel 45 for cases of their separate and joint action Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании Цыбанев, Г.В. Белас, О.Н. Научно-технический раздел |
| title | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании |
| title_alt | Study of the effect of lubricant medium composition on the fatigue and wear processes in steel 45 for cases of their separate and joint action |
| title_full | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании |
| title_fullStr | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании |
| title_full_unstemmed | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании |
| title_short | Исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании |
| title_sort | исследование влияния состава смазочной среды на процессы усталости и изнашивания стали 45 при их раздельном и совместном протекании |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48408 |
| work_keys_str_mv | AT cybanevgv issledovanievliâniâsostavasmazočnoisredynaprocessyustalostiiiznašivaniâstali45priihrazdelʹnomisovmestnomprotekanii AT belason issledovanievliâniâsostavasmazočnoisredynaprocessyustalostiiiznašivaniâstali45priihrazdelʹnomisovmestnomprotekanii AT cybanevgv studyoftheeffectoflubricantmediumcompositiononthefatigueandwearprocessesinsteel45forcasesoftheirseparateandjointaction AT belason studyoftheeffectoflubricantmediumcompositiononthefatigueandwearprocessesinsteel45forcasesoftheirseparateandjointaction |