Методы исследования поверхностных слоев при трении

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, С.А. Герасимов
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
ПРИ ТРЕНИИ
Рекомендовано УМО высших учебных заведений РФ
по образованию в области материаловедения, технологии
материалов и покрытий в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки магистров 150600
«Материаловедение и технология новых материалов»
и специалистов 150500 «Материаловедение, технологии
материалов и покрытий», по специальности 150501
«Материаловедение в машиностроении»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 539.375.6(075.8)
ББК 30.82
К89
Рецензенты: И.В. Гадолина, В.Ф. Пичугин
К89
Куксенова Л.И.
Методы исследования поверхностных слоев при трении :
учеб. пособие / Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, С.А. Герасимов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 73, [3] с. :
ил.
ISBN 978-5-7038-3330-8
Рассмотрены положения науки о трении, износе и смазке машин,
новые направления и проблемы износостойкости конструкционных
материалов. Описаны характеристики экспериментальной базы для
оценки трибологических свойств конструкционных и смазочных материалов. Представлены методы контроля микрогеометрии поверхности, оценки механических свойств поверхностных слоев, методология исследования структурного состояния зоны поверхностной
пластической деформации при трении. Проанализированы критерии
оценки триботехнических свойств. Дан пример экспериментального
подхода к оценке макро- и микроскопических характеристик качества
антифрикционных покрытий, полученных методом триботехнологии.
Для студентов, специализирующихся по направлениям материаловедения, технологии материалов и покрытий, оборудования и технологий повышения износостойкости материалов, а также для аспирантов, преподавателей вузов, научных и инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.
УДК 539.375.6(075.8)
ББК 30.82
ISBN 978-5-7038-3330-8
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ
Изучению основ трения были посвящены работы многих ученых, среди которых М.В. Ломоносов, И. Ньютон, Леонардо да
Винчи, Ш. Кулон, Л. Эйлер, Г. Амонтон, В. Гарди, Н.П. Петров,
Н.Е. Жуковский, А.Ю. Ишлинский, Б.В. Дерягин, П.А. Ребиндер,
И.В. Крагельский, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Г. Томлинскон, В.Э. Рыжов, Н.Б. Демкин, Ю.Н. Дроздов, А.В. Чичинадзе, А.Г. Суслов,
В.И. Колесников и многие другие.
В настоящее время триботехника и трибология развиваются
стремительными темпами, которые определяются требованиями
создания надежных, долговечных и экономичных машин, приборов, инструментов, технологического оборудования. Неслучайно
известный ученый в области надежности машин А.С. Проников
назвал трибологию опорой проблемы надежности и качества машин [1].
При изготовлении узлов трения их надежность обеспечивается
в результате применения современных конструкционных и смазочных материалов, методов обработки, контроля, управления ходом
технологического процесса изготовления, качества сборки, применения современных методов испытаний, доводки и других средств
обеспечения современного технологического уровня. При эксплуатации узлов трения реализуется их потенциальная надежность,
которая зависит от методов эксплуатации, принятой системы ремонта, технического обслуживания, режимов работы и других эксплуатационных факторов.
Изучение основ трибологии наряду с общепрофессиональными
дисциплинами позволит обеспечить преемственность знаний при
переходе от общенаучных к профилирующим учебным дисциплинам. В современных условиях знание основ трибологии и ее практического приложения — триботехники — необходимо для каждого
3

инженера; оно позволит правильно рассчитать и обоснованно применить конструкцию трибосопряжения, подобрать соответствующие конструкционные и смазочные материалы для пар трения,
назначить оптимальный режим работы конструкции, выбрать наиболее эффективные технологические методы изготовления, обработки и упрочнения триботехнических материалов (включая смазочные материалы и присадки к ним) и обеспечить надлежащий
режим эксплуатации, ремонта и обслуживания машин.

1. ОСНОВЫ ТРИБОЛОГИИ И ТРИБОТЕХНИКИ
1.1. Основные термины, понятия и определения
Общие понятия
Трибология (трибоника) — наука о трении, износе, смазке и взаимодействии контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Включает следующие научные разделы: трибометрию,
трибомеханику, триботехническое материаловедение, трибофизику, трибохимию, химмотологию, триботехнику, трибоинформатику.
Триботехника — прикладной раздел трибологии, в котором рассматривается конечная стадия процесса создания трибосопряжений (узлов, деталей и элементов пар трения) с учетом основ трибоанализа, трибоматериаловедения, триботехнологий. Принципы
триботехники находят отражение в методах расчета и конструирования, изготовления, испытаний, смазки, эксплуатации, диагностирования и ремонта узлов трения.
Трибосистема — многокомпонентная система, образуемая при
взаимодействии трущихся тел, промежуточной и окружающей
сред, участвующих в процессах трения, изнашивания, теплообразования и других процессах, определяющих свойства, связи, параметры и характеристики трения и изнашивания, в этой системе
происходит преобразование энергии механического движения в
другие виды (теплоту, звук, колебания и т. д.) и ее диссипация —
передача преобразованной энергии во внешнюю среду.
Трибометрия — раздел трибологии, в котором изучаются методы проведения испытаний на трение и изнашивание, метрологические требования к этим испытаниям, оборудованию и приборам
(адгезиометрам, твердомерам, профилографам, машинам трения
5

для модельных испытаний, испытательным стендам и типовым
системам для натурных триботехнических испытаний, датчикам,
усилителям, регистрирующим приборам), а также методам оценки
погрешности экспериментов и испытаний. К трибометрии относятся оценка и анализ условий равновесия контактных напряжений,
деформационных, динамических, тепловых, адгезионных и других
процессов, формирование сил диссипативного характера.
Трибодиагностика — совокупность методов и средств контроля
и управления состоянием деталей и узлов трения. Наиболее часто
применяются акустоэмиссионные (акустоэлектрические), радиоактивные, электрофизические (по интенсивности и амплитудночастотному спектру трибоЭДС, магнитной индукции и др.), температурные, виброакустические, феррографические методы.
Трибомониторинг — раздел трибологии, включающий трибометрию и трибодиагностику. Он охватывает методы и средства измерения основных параметров фрикционного взаимодействия: сил
(моментов) трения, износа, температуры, шероховатости, волнистости, контурной и фактической площади касания, контактной деформации и сближения, электрической проводимости и др., а также все виды экспериментальных (модельных, натурных, эксплуатационных) исследований и испытаний в триботехнике, включая
компьютерные методы регистрации, обработки и прогнозирования
исследуемых параметров.
Триботехнология — раздел трибологии, в котором изучаются
триботехнические аспекты формообразований деталей пары трения, обработки материалов разрушающими и деформирующими
способами, возможности достижения требуемых свойств поверхности трения узлов и деталей за счет различных упрочняющих
методов нанесения специальных покрытий [2].
Тепловая динамика трения и изнашивания — раздел динамики, посвященный теоретическому и экспериментальному анализу
выходных и рабочих характеристик трибосопряжений, работающих в нестационарных режимах трения (по скорости скольжения,
нагрузке и температуре на дискретной поверхности трения), позволяющий связать динамику тепловых процессов с непрерывно
изменяющимися фрикционно-износными характеристиками материалов пары трения.
6

Триботехническое материаловедение — раздел трибологии,
в котором изучается поведение материалов при трении, изнашивании и смазке (изменение структурно-фазовых особенностей
поверхностных слоев металлов, сплавов, композитов, полимеров
и других материалов под воздействием силы трения, изнашивания, температуры трения, окружающей и смазочной сред и других
производных от них факторов). В этом разделе рассматриваются
принципы создания триботехнических материалов, обеспечивающих высокую надежность в эксплуатации, оценивается взаимосвязь между механо-физико-химическими закономерностями
трения и триботехническими свойствами материалов.
Интенсивность разрушения поверхностных слоев материалов
при трении, как правило, мало зависит от исходных прочностных
свойств материалов. Исходные свойства материалов рекомендуется
подбирать таким образом, чтобы в результате контактной деформации, тепловыделения и физико-химического взаимодействия с
материалом контртела и окружающей смазочной средой на поверхности трения создавался и воспроизводился рабочий слой с
оптимальными триботехническими свойствами.
Антифрикционные материалы — материалы, используемые в
узлах трения: подшипниках скольжения, направляющих, радиальных и торцовых уплотнениях и др. Принято считать, что коэффициент трения антифрикционных материалов при наличии смазочного материала составляет 0,001. . . 0,05, а без него — 0,004. . . 0,3.
Условия применения антифрикционных материалов зависят от их
состава и в первую очередь обусловлены физическими свойствами
входящих в них базовых материалов (матрицы материала или связующего) и антифрикционных наполнителей. Для этих целей используют металлические, порошковые, пористые с последующей
пропиткой, твердосплавные, полимерные, древесные, графитовые
и другие базовые материалы. Антифрикционные наполнители —
твердые кристаллические материалы со сложными решетками, легкоплавкие или пластичные материалы, фторопласты, графит, дисульфид молибдена и вольфрама и ряд других. Антифрикционные
материалы применяют в виде объемных элементов и тонких покрытий.
При выборе материалов контртела и антифрикционных материалов следует учитывать условия их совместимости.
7

Фрикционные материалы — материалы, предназначенные для
работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях,
демпферах, вариаторах и др.). Эффективность работы таких материалов в большой степени определяется значением и стабильностью коэффициента трения, а также износостойкостью материалов.
Свойства фрикционных материалов обусловлены их составом,
в первую очередь физическими свойствами базовых материалов
и наполнителей. Наиболее широкое применение нашли фрикционные полимерные материалы (пластмассы) на каучуковом, смоляном и комбинированном каучуко-смоляном связующем, а также
порошковые материалы на железной, медной и никелевой основах. В качестве контртела обычно используют фрикционные серые и легированные чугуны, а также различные стали и сплавы.
При выборе сочетания материалов в паре трения нужно учитывать
условия их совместимости. В последнее десятилетие в качестве
фрикционных материалов начали широко применять углеродистые
фрикционные композиционные материалы. Особенно успешно их
используют в многодисковых колесных тормозах самолетов.
Совместимость
— способность двух или нескольких конструкционных материалов выполнять совместно заданные функции в узлах трения. При этом не должны ухудшаться их эксплуатационные свойства (коэффициент трения и износ) и эффективность
работы деталей, узла или трибосопряжения в целом в процессе
эксплуатации и при хранении. Совместимость антифрикционных
и фрикционных материалов проявляется в способности работать
без схватывания и оценивается по предельно допустимым значения нагрузки, скорости и температуры в зоне трения, превышение
которых приводит к схватыванию, большому износу и нестабильности коэффициента трения.
Основные термины, понятия и определения в области трения,
изнашивания и смазки регламентируются ГОСТ 27674–88 «Трение,
изнашивание и смазка. Термины и определения».
Внешнее трение — явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое
диссипацией (рассеиванием) энергии.
8