МЕХАНИЗМЫ И ОСОБЕННОСТИ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ



Фрикционный контакт узла трения любой машины имеет неоднородность распределения сжимающих и растягивающих усилий,

разные скорости относительного скольжения и контакт с окружающей средой (газами, дымами, парами, смазочными материалами и т.п.). Под действием сил выделяется тепло, образуются области с высокими градиентами температур и напряжений, материал деформируется, осуществляется движение дефектов и дислокаций, создаются благоприятные условия для протекания физических и химических процессов (электризация, диффузные, окислительные, восстановительные и сорбционные процессы), а также связанных с ними явлений. В реальном фрикционном контакте, как правило, одновременно протекают все эти процессы. Однако среди них для конкретных условий можно выделить наиболее характерный процесс, а в связи с этим охарактеризовать характерный для него механизм разрушения и вид изнашивания (рис.7.1).

Принято различать следующие механизмы разрушения:

1) механический, в основе которого рассматривается действие только механических сил;

2) молекулярно-механический, в основе которого действуют силы физической природы;

3) коррозионно-механический, в основе которого действуют силы химической и электрохимической природы.

Каждому из этих механизмов соответствуют и характерные для них виды изнашивания. Поэтому в зависимости от механизмов разрушения различают износ деталей машин на виды изнашивания.

7.1. Механические виды изнашивания

Абразивное изнашивание реализуется в условиях, когда в зону трения тел попадают (или образуются там) твердые частицы. Они могут разрушать как более мягкое тело, а также шаржируясь в нем, осуществлять разрушение и другого более твердого трущегося  тела. Для абразивного изнашивания характерным является наличие


 


дискретного контакта с очень высокой степенью концентрации напряжения в месте контакта частица - трущееся тело. Принято считать, что когда отношение глубины внедрения h частицы абразива в трущееся тело к ее радиусу закругления R бывает меньше выражения

,

где t - касательное напряжение деформируемого материала; sТ  - предел текучести,

то частица перекатывается по поверхности трения и результатом ее воздействия является пластическое передеформирование поверхностного слоя. Такой вид разрушения твердой поверхности осуществляется, например, при полировке. В том же случае, когда это равенство не выполняется, частица абразива осуществляет микрорезание трущегося тела. В реальных условиях частицы абразива, попадающие в зону трения твердых тел. являются полидисперсными, по-разному ориентированными и имеют разное углубление в поверхности трения твердых тел, а поэтому и воздействие абразива на степень изнашивания твердых тел представляет  собой сложную картину. Характерным при этом является то, что такая комплексная характеристика, как относительная износостойкость материалов (представляющая собой отношение некоторого эталонного материала к испытуемым), при абразивном изнашивании бывает линейно связанной с твердостью материалов (рис. 7.2).

Эрозионное изнашивание- связано с воздействием на твердые тела потоков жидкости или газа, не засоренных абразивом Локальные потоки жидкости и газа бывают способными пластические и другие виды воздействия на твердые тела, а также их разрушение.

 Газоабразивное изнашивание- представляет собой комплексное воздействие на твердое тело газовой струи и абразивных частиц.Гидроабразивное изнашивание реализуется при воздействии на твердое тело потока жидкости и абразива.

 

    

 

 

Рис. 7.2. Зависимость относительной износостойкости при трении об

     абразивную поверхность от микротвердости технически чистых

металлов и сталей в термически обработанном состоянии

Кавитационное изнашивание- возникает в потоке жидкости, быстро движущейся с переменной скоростью, например, при обтекании препятствий, когда возникают разрывы сплошности жидкости с образованием каверн, заполненных паром. Затем каверны захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с очень большой скоростью ударяется о стенку. При многократном повторении этих процессов происходит разрушение поверхности твердых тел. Примерами этого вида изнашивания являются повреждения лопаток гидравлических турбин и насосов, подшипников скольжения, внешней поверхности цилиндров водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания и др.

Усталостное изнашивание возникает в результате многочисленного и упругого оттеснения материала. Этот процесс имеет скрытый латентный период, вследствие которого происходит накопление повреждений внутри металла. Поскольку твердые тела, в том числе и металлы, неоднородны, трещины возникают на несовершенствах структуры кристалла. При этом бывает некоторый инкубационный период развития субмикроскопических трещин до уровня микротрещин, период развития микротрещин до уровня макротрещин, а затем - период развития макротрещин. И.В.Крагельский предложил оценивать этот вид износа в виде уравнения

,

где  k  - множитель, определяемый геометрической конфигурацией и расположением по высоте единичных неровностей на поверхностях (обычно близок к 0,2); Ра - давление на номинальной площади Аа; Рr - давление на фактической площади Аr; h- глубина внедрения; R - радиус единичной неровности; n - число циклов, приводящих к разрушению деформируемого объема; a - коэффициент перекрытия

.

      7.2. Молекулярно-механические виды изнашивания

Изнашивание при заедании характеризуется результатом молекулярного взаимодействия между выступами твердых тел в зоне фрикционного контакта. В тех случаях, когда свободная поверхностная энергия контактирующих тел очень велика и образуется прочная адгезионная связь, превышающая когезионные силы, под действием внешних сил, создающих тангенциальные напряжения, происходит схватывание и значительный вырыв материала из менее прочного тела фрикционной пары. Согласно утверждению И.В.Крагельского  этот вид разрушения реализуется в условиях, когда в зоне трения наблюдается отрицательный градиент сдвиговых напряжений, т.е.

,

где t  - сдвиговая прочность; у – координата по нормали к поверхности, направленной вглубь материала.

В тех же случаях, когда при трении в контактирующих телах образуется положительный градиент напряжений, т.е.

,

сдвиговая прочность в более глубоких слоях оказывается больше по сравнению со сдвиговой прочностью в слоях, расположенных ближе к поверхности трущихся тел. Важным условием реализации изнашивания при заедании является чистота рабочих поверхностей трущихся тел от пленок загрязнений, адсорбционных, окисных и дисперсных слоев, препятствующих сближению поверхностей на расстояние действия поверхностных сил.

Изнашивание при фреттинге - механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микроперемещении. В отличие от фреттинг-коррозии окислительные процессы не играют здесь ведущей роли. В этом случае основную роль играют усталостные и адгезионные процессы.

Водородное изнашивание- это процесс разрушения металла рабочих элементов пары трения вследствие поглощения металлом водорода. Водород выделяется при трении как результат разложения водородсодержащих материалов (например, из пластмасс, из которых изготовлены ответные трущиеся тела; окружающей среды, смазочных материалов, воды, топлива и т.д.). Выделяющийся водород адсорбируется на поверхностях трения, затем диффундирует в деформируемый слой стали. Скорость диффузии определяется градиентом температур и напряжений и поскольку водород в сталях и чугунах концентрируется в наиболее нагретых местах, он скапливается в поверхностном и подповерхностном слоях металла, так как эти слои наиболее разогреты и деформируемы, а также попадает в пространственные дефекты металла. Водород, концентрируясь в этих слоях, вызывает их охрупчивание. Водород также может проникнуть в металлы в процессе технологической обработки, что может быть предотвращено специальными приемами удаления технологического водорода.

Для водородного изнашивания характерен особый вид разрушения поверхностей трения - мгновенное образование мелкодисперсного порошка металла. Причиной этого являются одновременное развитие зародышей трещин по всей глубине деформированной зоны и эффект накопления водорода в трещинах, что приводит при деформациях, уменьшающих объем этих трещин, к развитию в них высоких давлений и вследствие этого расклинивающего действия - микротрещины сливаются, и происходит разрушение поверхностных слоев. При этом хрупкое разрушение поверхностных слоев закаленных или слаболегированных сталей наблюдается даже при ничтожно малом количестве поглощенного водорода.

Одна из разновидностей водородного изнашивания - так называемое “водородное изнашивание разрушением” - проявляется в намазывании стали и чугуна на ответные, более мягкие материалы, из которых изготовлены трущиеся детали. Так, в керосиновых насосах стальные закаленные роторы изнашиваются на глубину до 0,03 мм, и изношенный материал намазывается на поверхность бронзового золотника, в тормозных устройствах чугун с диска намазывается на ответную пластмассовую колодку, сталь с поверхности коленчатого вала переносится на мягкий баббитовый подшипник.

Борьба с водородным изнашиванием проводится в направлении уменьшения наводораживания при трении. Проникновение в сталь водорода можно ограничить, легируя ее хромом, титаном и ванадием. В смазочные материалы вводят специальные присадки, уменьшающие возможность наводораживания. Такой эффект обеспечивает введение в масло дибензилсульфоксида, который при сильно отрицательных потенциалах катодов восстанавливается до дибензилдисульфида и адсорбируется на поверхностях трения. Органические соединения, содержащие хлор, также вызывают связывание водорода в безвредные химические соединения. Другим путем затруднения проникновения водорода в поверхностные слои металла является создание положительного электрического потенциала по отношению к наводораживаемой детали. Снижение температур во фрикционном контакте до 50...60°С также защищает металл от проникновения водорода.

Впервые водородное изнашивание было описано, а также и были найдены пути борьбы с ним в трудах отечественных ученых Д.Н.Гаркунова и А.А.Полякова.

7.3. Коррозионно-механические виды изнашивания

Окислительное изнашивание. Металлическое состояние металлов термодинамически является неустойчивым, и поэтому металлы постепенно переходят в более устойчивую аморфную (ионную) форму. Этот процесс получил широко распространенное название коррозия. Самопроизвольное разрушение металлических материалов происходит вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой (жидкой, газовой и твердой). По механизму окисления принято различать, прежде всего, два его типа: химический и электрохимический.

Химический тип характеризуется взаимодействием металла в твердом состоянии с адсорбированными на нем молекулами газа (например, кислорода). При наличии сродства между металлом и газом происходит химическое взаимодействие. При этом окислитель отнимает у металла валентные электроны и на поверхности металла образуется новый материал с присущими ему свойствами (рис. 7.3). В газовой среде этот процесс происходит за доли секунды. В жидкой - гораздо медленнее.

Электрохимический тип окисления обуславливается переносом в электропроводящей среде ионов металла под действием электрического поля (это могут быть как внешние источники тока, так и контактная разность потенциалов). Основой для электропроводящей среды могут стать как адсорбированная на поверхности влага, так и влага  в капельном состоянии. Окружающая нас среда (воздух) почти всегда несет в себе мельчайшие твердые частицы, в том числе и соли. Вместе с влагой они образуют необходимый для протекания этого процесса электролит. В тех случаях, когда на поверхности металла образуется оксидный материал с плотностью, близкой к металлу,  оксидный слой бывает сплошным и диффузия молекул кислорода через него существенно затрудняется. Поэтому скорость роста толщины оксидного слоя на таких металлах быстро замедляется, и на поверхности металла образуются тонкие и прозрачные пленки оксида. Этот механизм окисления характерен для инертных металлов (золота, платины и серебра). Оксидные пленки на черных и цветных металлах часто отличаются по плотности от основного металла. Благодаря этому оксидные пленки, образующиеся на металле, имеют разрывы или пучности, внутрь которых попадает кислород, и процесс окисления металлов продолжается. Для металла таких типов характерными являются более толстые слои оксидов, которые в процессе трения могут легко разрушаться и образовывать мелкие частицы износа абразива.

Окислительные процессы на металлах могут играть важную роль и в ускорении химических изменений смазки, которые часто приводят к образованию пленки полимеризованного материала на самих металлических поверхностях. Такие пленки могут быть вредными, вызывая, например, пригорание поршневых колец в двигателе внутреннего сгорания. Однако, полимеризационная пленка может служить и защитным слоем при абразивном износе.

 

 

Рис. 7.3. Твердость металлов и оксидов по шкале Мооса

 

При сухом трении обычно образуются более толстые и насыщенные пленки оксидов, близких по составу и свойствам к известным оксидам металла. Так, в зависимости от условий трения и, прежде всего, от температуры на железе образуются пленки, содержащие  FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Следует иметь в виду, что поскольку окисление поверхностей активируется их пластическим деформированием при трении, увеличение твердости рабочих элементов трущихся тел препятствует окислительному изнашиванию.

Фреттинг-коррозия - это изнашивание плотно контактирующих тел при их колебательном относительном перемещении в условиях воздействия коррозионной среды. Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при малых колебательных перемещениях. Это особая форма изнашивания, по условиям возникновения и характеру проявления заметно отличающаяся от обычного коррозионно-механического изнашивания при однонаправленном движении. Вследствие малой амплитуды колебаний продукты износа полностью не удаляются из зоны трения и оказывают определенное абразивное воздействие на основной металл, что может привести к заклиниванию сопряжений. При этом повреждения локализуются на участках действительного контакта. Эти повреждения имеют вид натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных продуктами коррозии со специфической окраской и имеющих вид окрашенных пятен, участков локального износа в виде полос или канавок, а также поверхностных микротрещин, Специфический характер изнашивания при фреттинг-коррозии проявляется также в том, что окислительная среда интенсифицирует процесс изнашивания, окисление при этом протекает интенсивно и продукты изнашивания в основном представляют собой диспергированные оксиды трущихся металлов. Такой характер окислительного процесса, при котором интенсивное окисление не приводит, однако, к образованию защитных пленок Б.И.Костецкий связывает с динамическим характером нагружения узла трения и называет динамическим окислением.

Фреттинг-коррозия приводит к значительному ухудшению качества поверхностей и в 3...6 раз снижает усталостную прочность деталей вследствие образования концентраторов напряжений, а также снижает размерную точность сопряжений.

Фреттинг-коррозия обычно развивается при прессовых посадках на вращающихся валах в местах посадки лопаток турбин, в шпоночных, шлицевых, болтовых и заклепочных соединениях, подверженных вибрации, в подшипниках качения, передающих нагрузку в условиях отсутствия качения и т.д., т.е. в тех случаях, когда имеют место микроколебания и окислительная среда. Согласно исследованиям Р.Б.Уотерхауза, для развития фреттинг-коррозии достаточно, чтобы амплитуда колебаний достигала долей микрометров. Увеличение амплитуды приводит к росту объемного изнашивания. При достижении амплитуды 2...5 мм и более изнашивание приобретает характер обычного окислительного при однонаправленном скольжении. Зависимость износа от удельной нагрузки имеет экстремальный характер. Левая ветвь зависимости отражает обычные для фреттинг-коррозии коррозионно-усталостные процессы, когда поступление кислорода воздуха в контакт не затруднен. В правой части кривой износ снижается, поскольку характер изнашивания меняется, в частности, интенсифицируются адгезионные процессы, в этих условиях не приводящие к значительному износу. Увеличение частоты колебаний снижает износ при фреттинг-коррозии до определенной установившейся величины, после чего износ стабилизируется. В атмосфере азота износ от частоты колебаний не зависит.

Защита от фреттинг-коррозии - применение коррозионно-стойких материалов в узлах трения, подвергаемых этому виду изнашивания, введение в них смазочных материалов, прежде всего пластичных. Весьма эффективно при этом использование смазок или покрытий, содержащих графит или дисульфид молибдена, а также коррозионно-стойких покрытий, например из фторопласта. К конструктивным путям борьбы с фреттинг-коррозией относится стремление уменьшить колебательное перемещение сопряженных поверхностей путем увеличения натяга для случая прессовых посадок, использования демпфирующих устройств для уменьшения вибраций и т.д.

7.4. Переход одних видов изнашивания в другие

При анализе процесса изнашивания трущихся тел, прежде всего, необходимо выделить ведущий вид изнашивания. Однако с уверенностью основной вид изнашивания можно установить лишь для стационарно нагруженных узлов трения. В случае, если условия изнашивания изменяются, то при монотонном изменении удельной нагрузки на узел трения или скорости относительного перемещения элементов этого узла трения в определенных критических точках наблюдается скачкообразное изменение интенсивности изнашивания (рис. 7.4). Это объясняется переходом к другому виду из- нашивания. Впервые такой эффект в 1936 г. был обнаружен Келем и Зибелем. При достижении некоторого критического значения скорости относительного перемещения трущихся тел наблюдалось снижение интенсивности изнашивания в 500...600 раз. Позднее наличие критических точек на зависимостях интенсивности изнашивания было установлено К.Дисом в 1943 г., а сами точки тщательно исследованы Б.И.Костецким и его школой (рис. 7.5).

Рис. 7.4. Зависимость интенсивности изнашивания при сухом трении сталей от скорости относительного перемещения V (пo Келю и Зибелю)

Повышение нагрузок в контакте приводит к росту интенсивности изнашивания. Когда это приводит к разрушению оксидных пленок, препятствующих непосредственному металлическому контакту

Рис. 7.5. Зависимость интенсивности изнашивания при сухом трении сталей от нагрузки N по Велшу (скорость относительного скольжения 2,6 м/с)

трущихся тел, интенсивность изнашивания резко увеличивается (первая критическая точка). Затем изнашивание происходит в условиях заедания до тех пор, пока на поверхностях трения в новых условиях вновь не образуются оксидные пленки, так что изнашивание при заедании сменяется окислительным изнашиванием, происходящим главным образом в условиях упругого деформирования. Дальнейшее увеличение давления или скорости приводит к разрушению оксидных пленок (т.е. скорость разрушения оксидных пленок будет превышать скорость их образования), и вновь происходит переход к изнашиванию при заедании. Таким образом, изменение факторов нагружения узла трения приводит к изменению механизма изнашивания. Следовательно, распространение механизма изнашивания твердых тел на измененные условия нагружения возможно далеко не во всех случаях.

7.5. Адсорбционное понижение прочности трущихся тел

Эффект Ребиндера. За счет адсорбирования и попадания в микропоры трущихся тел поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит интенсивное развитие подповерхностных трещин и разупрочнение поверхностного слоя (преимущественно по межкристаллическим поверхностям). В качестве ПАВ выступают полярные и неполярные молекулы, а в ряде случаев и металлы в жидком состоянии по отношению к другим металлам.

Например, ртуть по отношению к цинку, жидкая медь - к стали, висмут - к меди и т.д. При большом количестве ПАВ микротрещины могут проникнуть внутрь металла и, в конечном счете, привести к разрушению деталей узла трения.

Физически адсорбированные молекулы приводят к уменьшению свободной поверхностной энергии трущихся тел, уменьшению молекулярной составляющей трения и сдвиговых напряжений в поверхностных слоях. В конечном счете, это может привести и к уменьшению интенсивности изнашивания пар трения.

Температурное воздействие. Выделяющаяся в результате трения энергия в своей основе реализуется в виде тепла, сконцентрированного в зоне трения. Нагрев в замкнутом объеме поверхностных слоев до температуры 200...500 °С приводит к изменению их прочности (для многих материалов с повышением температуры она уменьшается) и других механических параметров, изменению геометрических форм, площади фактического контактирования и  дополнительным термоциклическим напряжениям в поверхностном слое.

Нагрев твердых тел при трении одновременно приводит к резкому повышению их химической активности, изменению характера взаимодействия тел не только друг с другом, но и с окружающей средой. Высокие градиенты температур, возникающие в поверхностных слоях, сильно ускоряют диффузионные процессы, приводящие порой к весьма значительному изменению атомарного состава в поверхностном слое трущихся тел, а, следовательно, и к изменению ряда свойств поверхностей трения, в том числе, и свободной поверхностной энергии. Изменения, происходящие в поверхностных слоях, обусловленные диффузионными процессами, получили название трибомутации. Умело используя этот процесс, можно существенно сокращать период приработки трущихся тел (при сокращении затрат энергии), уменьшать износ изделия при обкатке узла трения и, благодаря этому, значительно увеличить срок его эксплуатации.

Температурные воздействия на поверхности трущихся тел в ряде случаев приводят к фазовым превращениям в трущемся материале и соответствующим изменениям его физико-механических характеристик и влияют на интенсивность износа трущихся тел. Имеются материалы, которые сами в процессе трения изменяют свою структуру и тем самым существенно увеличивают износостойкость узла трения.

Наклеп поверхностей трения. Высокие удельные давления и температурные поля способствуют образованию новых, движению, выходу и закрытию дислокаций, закрытию микротрещин и уплотнению поверхностного слоя. В конечном случае, это чаще всего приводит к упрочнению поверхностного слоя и повышению износостойкости, прежде всего, при абразивном изнашивании. При весьма значительных деформациях (при осадке материала кристаллической решетки более чем на 20...30%) может происходить развитие микротрещин и трущийся материал может существенно потерять свои механические свойства и быстро разрушиться.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 359; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ