13_Brikov.doc О проблемных терминах трибологии Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 1 94 Брыков М.Н.,* Ефременко В.Г.** *Запорожский национальный технический университет **Приазовский государственный технический университет E-mail: О ПРОБЛЕМНЫХ ТЕРМИНАХ ТРИБОЛОГИИ УДК 621.891 Изложено и обосновано мнение о потенциальных проблемах, связанных с применением терминов «изнашивание», «износ», «износостойкость» в том виде, в котором они сформулированы в ГОСТ 27674-88 и ДСТУ 2823-94. Предложены новые варианты определения данных терминов. Ключевые слова: процесс изнашивания, износ, сопротивление износу, корректная формулировка. Трибология, как и любая другая система знаний, опирается на ряд фундаментальных положений, среди которых наиболее важны термины и определения. Ошибки в формулировках всегда приводят к нежелательным последствиям, но для трибологии некорректные определения наиболее опасны. В связи с этим авторы настоящей работы считают необходимым изложить свое мнение о некоторых широко ис- пользуемых терминах в области трения и изнашивания, которые, как показывает исследовательская практика, не всегда корректно отражают существо происходящих явлений и определяемых величин. Общие рассуждения об изнашивании и износе Пусть два тела находятся в контакте под нагрузкой Р (рис. 1). Рис. 1 – Схема трения двух тел: исходное состояние В результате относительного перемещения тел на расстояние l некоторый объем V на поверхно- сти тел будет разрушен и отделится от тел в виде мелких частиц (рис. 2). Рис. 2 – Схема трения двух тел: перемещение тел на расстояние l Объем частиц разрушенного (изношенного) материала составляет: kPlV = , (1) где коэффициент k есть постоянная величина для постоянных условий трения. Его можно рас- сматривать как вероятность того, что разрушение некоторого микрообъема материала произойдет при PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com mailto: http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О проблемных терминах трибологии Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 1 95 единичном взаимодействии микровыступов поверхностей. Как правило, значения коэффициента k нахо- дятся в диапазоне от 10-2 до 10-8 [1]. В 1953 г. Архард [2] привел следующее обоснование выражения (1). Рассмотрим две поверхности, находящиеся в скользящем контакте под нагрузкой P. Допустим, микровыступы поверхностей пластически деформируются в процессе взаимодействия, и для каждого случая взаимодействия существует некоторая вероятность того, что частица износа будет отделена. До- пустим также, что микровыступы имеют радиус а (рис. 3). Рис. 3 – Гипотетическая модель образования полусферической частицы износа в случае скользящего контакта поверхностей [1] Условие пластической деформации микровыступа материала под нагрузкой P: HaP 2π= , (2) где Н – среднее контактное напряжение в условиях полной пластичности или твердость наиме- нее твердого материала. В результате взаимодействия микровыступов частица износа объемом dV может появиться с некоторой вероятностью. Размеры частицы будут пропорциональны размерам области контакта. Части- цы имеют примерно одинаковые размеры во всех трех направлениях, поэтому dV пропорционален 3a . В предположении, что частица износа имеет полусферическую форму с радиусом, равным радиусу кон- такта, получаем: 3 3 2 adV π= . (3) Предполагается, что контакт существует до перемещения тел на расстояние: adl 2= , (4) после чего он разрывается, и нагрузка воспринимается другим контактом. Из выражений (2), (3), (4) следует, что: H P dl dV 3 1 = . Отсюда: dl H P dV 3 1 = . Отделение частицы износа за каждый акт взаимодействия микровыступов происходит с некото- рой вероятностью z, поэтому с учетом: H zk 3 1 = приходим к выражению (1), т.е. к объему V, изношенному на расстоянии l. Из выражения (1) следуют важные выводы, а именно, если условия трения остаются постоянны- ми, то: - износ V не зависит от формы контакта; - износ V прямо пропорционален нагрузке P; - износ V постоянен, если постоянен путь трения l, и не зависит от скорости скольжения. Таким образом, если условия трения и путь трения остаются постоянными, изношенный объем также остается постоянным. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О проблемных терминах трибологии Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 1 96 С точки зрения локализации процессов разрушение можно подразделить на объемное и поверх- ностное. Поэтому изнашивание является частным случаем разрушения, т.к. отделение частиц износа с поверхности трения есть поверхностное разрушение. Поскольку разрушение может сопровождаться деформацией, необходимо определить, является ли деформация частным случаем разрушения, или это самостоятельное явление. Данная задача только кажется тривиальной. «Твердое тело под действием внешних усилий в большей или меньшей степени меняет свои раз- меры и форму, т.е. деформируется… Если действующие на твердое тело усилия достаточно велики, то, пройдя некоторую стадию деформирования, тело разрушается, т.е. теряет свою целостность – распадает- ся на отдельные части. Свойство твердого тела оказывать сопротивление деформированию называется его жесткостью, а разрушению – прочностью» [3]. Аналогичные по смыслу определения приведены в [4]: «Деформация (от лат. deformatio – искажение) – изменение формы или размеров тела (или части тела под действием внешних сил…». «Разрушение материала – макроскопическое нарушение сплошности материала в результате тех или иных воздействий на него. Р. часто развивается одновременно с упругой и пластической деформаци- ей…». Таким образом, анализ определений приводит к утверждению, что разрушение и деформация есть различные явления. Поэтому процессы деформации нельзя относить к разрушению. Анализ стандартизованных терминов В государствах стран СНГ термины и определения в области трения и изнашивания стандарти- зованы ГОСТ 27674-88. В Украине действует практически аналогичный ДСТУ 2823-94. Рассмотрим не- которые термины, определенные этими документами, на примере ГОСТ 27674-88. Изнашивание – процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. В соответствии с определением изнашивание – это процесс, результатом которого является износ. Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Примечание. Значе- ние износа может выражаться в единицах длины, объема, массы и др. Приведенные определения относят процесс деформации поверхности тела к изнашиванию. Но если изнашивание есть частный случай разрушения, то деформацию к изнашиванию относить нельзя. Поэтому изнашиванием фактически является только процесс отделения материала от поверхности твер- дого тела, а процесс поверхностной деформации лишь сопутствует изнашиванию. В соответствии с (1) результатом изнашивания (разрушения поверхности) является потеря объе- ма материала. Естественно, что определить величину изношенного объема можно лишь по потере массы или изменению размеров тела. Причем, в некоторых случаях определение износа по изменению линей- ных размеров тела приводит к столь существенным погрешностям, что исчезает возможность проводить исследования [5]. Только определение изношенного объема по потере массы тела позволяет свести по- грешности до приемлемого уровня [6]. Учитывая, что результатом изнашивания является именно потеря объема тела, а деформацию нельзя относить к изнашиванию, корректные, на наш взгляд, определения формулируются так: изнашивание – процесс отделения материала с поверхности твердого тела в условиях трения, проявляющийся в постепенном изменении объема тела; износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Примечание. Значе- ние износа определяют в единицах объема путем измерения потери массы или изменения линейных раз- меров тела. Далее рассмотрим термины, характеризующие процесс изнашивания. Этими терминами в ГОСТ 27674-88 являются скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Скорость изнашивания – отношение значения износа к интервалу времени, на котором он возник. Интенсивность изнашивания – отношение значения износа к обусловленному пути, на кото- ром он возник, или объему выполненной работы. Необходимо отметить отличие формулировки последнего термина в ДСТУ 2823-94: інтенсивність зношування – відношення величини зносу до шляху тертя, вдовж якого відбува- лося зношування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О проблемных терминах трибологии Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 1 97 Мы рассматриваем только ту часть определения термина интенсивность изнашивания, кото- рая является общей для обоих стандартов. Вопрос о том, почему в определении ДСТУ 2823-94 не упоми- нается объем выполненной работы, здесь не обсуждается. Пусть износ одного материала на фиксированном пути трения (l = 30 м) при постоянных услови- ях трения (с и Р) составил 1 мм3, а износ второго материала в тех же условиях трения – 2 мм3. Отсюда: . м30 мм2 яизнашивани стьИнтенсивно . м30 мм1 яизнашивани стьИнтенсивно 3 2 3 1 = = Способность материала сопротивляться изнашиванию характеризует износостойкость. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определен- ных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности из- нашивания. В соответствии с определением износостойкость может быть выражена как через интенсивность изнашивания, так и через скорость изнашивания. Если выражать износостойкость как величину, обрат- ную интенсивности изнашивания, то для примера, рассмотренного выше, получим: . мм м 15 мм2 м30 костьИзносостой . мм м 30 мм1 м30 костьИзносостой 332 331 == == Теперь рассмотрим скорость изнашивания. Очевидно, что скорость изнашивания некоторого ма- териала даже в постоянных условиях трения может быть различной при различной скорости относитель- ного перемещения тел, поскольку в соответствии с (1) износ данного материала зависит от пути трения, а не от скорости скольжения. Известно, что существуют диапазоны скоростей скольжения в трибосисте- мах, когда условия трения (коэффициент k, см. 1) остаются неизменными. Допустим, что материал 1 из приведенного выше примера изнашивается на пути трения 30 м при различной скорости скольжения (при условии сохранения постоянства коэффициента k). В первом случае скорость скольжения составляет 1 м/с, а во втором – 2 м/с. Поскольку условия трения приняты постоянными, то в обоих случаях на постоянном пути трения 30 м износ материала составит, как уже указывали, 1 мм3. Какова же будет износостойкость материала, если, согласно ГОСТ 27674-88, выражать ее как величину, обратную скорости изнашивания? Определим сначала скорость изнашивания: . с мм 15 1 15с 1мм яизнашивани Скорость . с мм 30 1 с30 мм1 яизнашиавни Скорость 33 2 1 33 1 1 == == Тогда износостойкость материала 1 для разной скорости изнашивания: . мм с 15костьИзносостой . мм с 30костьИзносостой 3 2 1 3 1 1 = = Мы получили результат, согласно которому износостойкость одного и того же материала в од- них и тех же условиях трения различна при различной скорости относительного перемещения тел. Этого не может быть, поскольку справедливо выражение (1), т.е. износ материала постоянен при постоянстве условий и пути трения. Следовательно, должна быть постоянна и износостойкость материала. Таким образом, анализ определений, предлагаемых ГОСТ 27674-88 и ДСТУ 2823-94, показыва- ет, что пользоваться ими нужно осмотрительно. Конечно, при постоянной скорости относительного пе- ремещения тел, износостойкость материала можно выражать как величину, обратную скорости изнаши- вания, т.е. в с/мм3 (или производных единицах). Это может быть полезно в случаях, когда путь трения невозможно точно зафиксировать, например, при полевых испытаниях рабочих органов сельскохозяйст- венных машин. Однако в этом случае необходимо поддерживать строго постоянную скорость скольже- ния во избежание путаницы с числами износостойкости. Тем не менее, в принципе износостойкость ма- териала следует выражать как величину, обратную интенсивности изнашивания, т.е. в м/мм3 или про- изводных единицах. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О проблемных терминах трибологии Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 1 98 Выводы Анализ существующих представлений об изнашивании и износе приводит к выводу о некоторой некорректности стандартизованных определений терминов изнашивание, износ, износостойкость (ГОСТ 27674-88, ДСТУ 2823-94). Применение существующих определений этих терминов может при- вести к проблемам в проведении трибологических исследований. Предлагаются следующие варианты определений: изнашивание – процесс отделения материала с поверхности твердого тела в условиях трения, проявляющийся в постепенном изменении объема тела; износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Примечание. Значе- ние износа определяют в единицах объема путем измерения потери массы или изменения линейных раз- меров тела; износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определен- ных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной интенсивности изнашивания. Литература 1. Bhushan B. Introduction to tribology / Bhushan B. - New York : John Whiley & Sons, 2002. - 732 p. 2. Archard J.F. Contact and Rubbing of flat surfaces // J. Appl. Phys. – 24. – P.981-988. 3. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие: В 4 т. / Под общей ред. Пана- сюка В. В. – Киев : Наук. думка, 1988. – Т. 1 : Основы механики разрушения / Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Партон В. З. – 1988. – 488 с. 4. Политехнический словарь / Редкол.: А. Ю. Ишлинский (гл.ред) и др. - 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Советская энциклопедия, 1989. - 656 с. 5. Кроха В.А., Планида В.Е. Оценка точности стандартных испытаний на абразивную износо- стойкость // Трение и износ. - 1988. - Т.9. - N6. - C.1128-1133. 6. Брыков М. Н. Повышение точности определения величины износа при испытаниях на машине Х4-Б / М. Н. Брыков // Problems of Tribology. - 1996. - № 2. - C. 7-11. Поступила в редакцію 22.01.2013 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О проблемных терминах трибологии Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 1 99 Brykov M.N., Efremenko V.G. On problematic wordings in tribology. Widely used tribological terms “wear process”, “wear”, “wear resistance” are analyzed in wording applied in GOST 27674-88 and DSTU 2823-94. It is shown, that term “wear process” combines such processes as destruction and de- formation. Although deformation frequently precedes destruction, they are quite different phenomena and it is not correct to associate both of them with “wear process” term. It is highlighted that “wear” term should be distinguished only as a result of “wear process” evaluated by material volume loss. Therefore the volume unit is the only could be applied to “wear” term, which may be determined via mass loss or linear dimensions change. According to GOST 27674-88 and DSTU 2823-94 the “wear resistance” is determined to be inversely proportional to wear rate or wear intensity. As it is shown in article, the wear resistance can be correct calculated only as а value inversely proportional to wear intensity. Key words: wear process, wear, wear resistance, correct wording. Reference 1. Bhushan B. Introduction to tribology, New York, John Whiley & Sons, 2002, 732 p. 2. Archard J.F. Contact and Rubbing of flat surfaces, J. Appl. Phys. No 24, pp.981-988. 3. Panasjuk V. V., Andrejkiv A. E., Parton V. Mehanika razrushenija i prochnost' materialov, Sprav. posobie: V 4 t , Kiev, Nauk. dumka, 1988. T. 1 : Osnovy mehaniki razrushenija, 488 p. 4. Ishlinskij A. J. Politehnicheskij slovar', M., Sovetskaja jenciklopedija, 1989, 656 p. 5. Kroha V.A., Planida V.E. Ocenka tochnosti standartnyh ispytanij na abrazivnuju iznosostojkost', Trenie i iznos, 1988. T.9. No 6, pp.1128-1133. 6. Brykov M. N. Povyshenie tochnosti opredelenija velichiny iznosa pri ispytanijah na mashine Kh4- B. Problems of Tribology, 1996, No 2, pp. 7-11. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com