УСТАЛОСТЬ ПРИ ИЗНАШИВАНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Впервые на усталостную природу изнашивания при трении скольжения указал Д.В. Конвисаров. Причины усталости поверхностного слоя деталей он усматривал в повторных или знакопеременных движениях деталей машин. Однократное задирание поверхностей, царапание их различными твердыми остриями не относятся к процессам изнашивания в полном смысле этого понятия. Он пришел к выводу, что изнашивание твердых тел при трении сходно с разрушением их от усталости. Пятно контакта испытывает многократное воздействие (тепловое, механическое) других пятен контакта. В результате в материале образуется трещина, и происходит его разрушение.
Усталостная теория изнашивания базируется на молекулярно-механической теории трения.
Изнашивание - отделение частиц материала размером от долей микрона до микрона и более из-за многократного воздействия нагрузок и температуры на единичные неровности. Накапливаются необратимые изменения, появляются трещины и отделяются частицы.
Изнашивание - это результат нарушения фрикционных связей, оно зависит от отношения глубины внедрения к радиусу единичной неровности 
и от отношения тангенциальной прочности молекулярной связи τ к пределу текучести материала основы 
(физико-механическая характеристика).
По Н.В. Крагельскому, существует 5 видов нарушения фрикционной связи (табл.1):
Упругое оттеснение - если напряжение в контакте меньше σт (износ из- за усталости).
|
|
|
Пластическое оттеснение - когда σн = σт - металл обтекает контртело (малоцикловый износ, пластическое деформирование).
Микрорезание - σн > σт.
Адгезионное нарушение фрикционной связи - разрушение пленок: не приводит к разрушению, но влияет на величину контактных напряжений, когда пленка менее прочна, чем основа (прочность с глубиной растет).
Когезионный отрыв - прочность пленки (фрикц. связи) выше прочности основы (прочность с глубиной падает - глубинное вырывание).
Таблица 1 - Виды нарушения фрикционной связи
МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ И РЕЗИНЫ
При контакте металла с эластичным материалом шероховатость поверхности металла не оказывает сильного влияния на трение, т.к. при отсутствии пластической деформации на перемещение затрачивается меньшая работа (либо механическая, либо молекулярная). Для уменьшения трения и снижения износа полимерного материала в него добавляют различные активные вещества, которые в процессе трения взаимодействуют с рабочими поверхностями пары трения. Значительное влияние смазочного материала на коэффициент трения можно объяснить различием физико-химических
|
|
|
ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ
Различают следующие виды изнашивания:
водородное изнашивание;
абразивное изнашивание;
окислительное изнашивание;
изнашивание вследствие пластической деформации;
изнашивание вследствие диспергирования (измельчения) участков контакта;
выкрашивание вновь образуемых структур;
коррозионное, кавитационное, эрозионное изнашивание;
коррозионно-механическое изнашивание в сопряжениях;
изнашивание при схватывании и заедании поверхностей;
изнашивание при фреттинг-коррозии;
трещинообразное на поверхностях трения;
избирательный перенос.
Водородное изнашивание
Водородное изнашивание открыто 15-20 лет назад Д.Н. Гаркуновым и А.А. Поляковым. Сравнимо с абразивным изнашиванием.
Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей.
Водородное изнашивание обусловлено следующими процессами, происходящими в зоне трения:
интенсивным выделением водорода при трении в результате разрушения водородосодержащих материалов, создающего источник непрерывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна;
адсорбцией водорода на поверхностях трения;
диффузией водорода в деформируемый слой стали, скорость которой определяется градиентами температур и напряжений, что создает эффект накопления водорода в процессе трения;
|
|
|
особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования. Характерным для разрушения является мгновенное образование мелкодисперсного порошка материала.
Область проявления водородного изнашивания
Область проявления водородного изнашивания весьма обширна. Практически все поверхности трения стальных и чугунных деталей содержат повышенное количество водорода и, следовательно, подвержены повышенному изнашиванию. Наличие в воздухе паров воды создает благоприятные условия для водородного изнашивания, не говоря уже о разложении в зоне контакта смазочного материала, топлива или пластмассы. Водород образуется при трении, а также может образовываться при различных технологических процессах.
Виды водородного изнашивания
Имеются два основных вида изнашивания поверхностей стальных и чугунных деталей под воздействием водорода: изнашивание диспергированием и изнашивание разрушением.
Водородное изнашивание диспергированием (ВИДИС). При этом виде изнашивания каких-либо изменений в поверхностном слое деталей вследствие обычного износа при диспергировании не наблюдается. Водород усиливает (в зависимости от его количества в поверхностном слое) диспергирование стали или чугуна. На поверхностях трения нет вырывов, задиров, заметного переноса материала с одной поверхности трения на другую; они могут иметь блеск и очень мелкие царапины, которые не видны невооруженным глазом и расположены в направлении движения.
|
|
|
Водородное изнашивание разрушением (ВИРАЗ). Имеет специфическую особенность: поверхностный слой стальной или чугунной детали разрушается мгновенно на глубину 1.2 мкм. Это происходит, когда поверхностный слой накапливает большое количество водорода. Ранее отмечалось, что процесс трения создает условия высокой концентрации водорода в поверхностных слоях стали. Трение воздействует на смазочный материал, и водород получает возможность занять большее число адсорбционных центров на поверхности.
Методы предупреждения и уменьшения водородного изнашивания
Рассмотрим рекомендации по снижению водородного изнашивания трущихся деталей машин.
При выборе материалов для узлов трения необходимо учитывать степень их наводороживания и охрупчивания. Введение в сталь хрома, титана, ванадия снижает проникновение в нее водорода. Наклеп стали может увеличивать поглощение водорода. Холоднодеформированная сталь может поглотить в 1 000 раз больше водорода, чем отожженная.
Необходимо, где возможно, исключать из узлов трения полимеры, способные к быстрому разложению и выделению водорода. Введение в тормозные материалы на основе полимеров измельченной на куски латунной проволоки улучшает фрикционные характеристики.
Полезно применять для узлов трения, если имеется вероятность водородного изнашивания, смазочные материалы, которые мало подвержены гидрогенизации.
В качестве присадок к смазочным жидкостям и фрикционным полимерным материалам могут быть введены кремний и органические соединения (силаны), содержащие несколько атомов хлора, которые легко соединяются с выделившимся водородом. С уменьшением числа атомов хлора эффективность присадки снижается.
Обезвоживание смазок (вода в масле разлагается на водород и кислород, водород внедряется в металл и приводит к разрушению-износу) производится введением присадок. Добавка 0,1% изопропиланинэтанола нейтрализует вредное влияние 1 % воды.
В парах трения «сталь - медный сплав» необходимо исключать из последнего примеси сурьмы, соединения мышьяка, серы и др., способствующие выделению водорода.
Коррозию в узлах трения можно уменьшать путем изменения режимов работы: снижением температуры, скорости скольжения и давлений. Так, для пары трения «бронза-сталь» при работе в глицерине или в спиртоглицериновой смеси основным фактором наводороживания является температура. При 65...70°С наводороживание происходит в несколько раз интенсивнее, чем при температуре 60°С.
Проникновение водорода можно существенно снизить, если из зоны наводороживания удалить (при их наличии) вещества, способствующие проникновению водорода: сероводород, фосфорводород, соединения мышьяка, селена, сурьмы, теллура.
Чтобы избежать водородного изнашивания, достаточно в пластмассу ввести небольшое количество другой электроотрицательной пластмассы, например ПТФЭ. В этом случае стальная деталь будет заряжена положительно, а пластмассовая - отрицательно. Водород не будет проникать в стальную деталь.
Между прокатными валками и прокатываемым материалом или только между валками образуется электрический потенциал, и в соответствии с условиями прокатки в рабочем зазоре выделяется повышенное количество водорода, образующегося за счет использования водородосодержащих смазочных материалов. Затруднить проникновение водорода в поверхности трения можно путем создания положительного электрического потенциала по отношению к наводороживаемой детали. На основании этого в ФРГ, например, предложено приспособление для предотвращения износа валков при холодной прокатке с использованием водородосодержащих смазочных материалов.
В целях снижения отрицательного действия водорода при создании новых фрикционных материалов для автомобилей во фрикционную пластмассу вводят закись меди или другие добавки, которые соединялись с водородом. Износостойкость фрикционного материала и сопряженного контртела при этом повышается в несколько раз, а главное, исчезает один из недостатков фрикционного материала - намазывание на него стали или чугуна.
В процессе технологических операций происходит усиленное наводороживание металлических деталей. При этом водород локализуется в приповерхностном слое, где концентрация его более чем в 20 раз выше, чем в сердцевине детали. Методом вакуум-плавления для ряда последовательных технологических операций получены следующие количества водорода, см /100г: токарная обработка без применения смазочно-охлаждающей жидкости - 0,4; то же с применением смазочно-охлаждающей жидкости - 5,6; закалка - 12,6; отпуск - 6,8; цементация - 15,4; отжиг - 14; закалка - 18,8; обработка холодом - 17,7; отпуск - 17,4; старение - 15,1.
Разработан метод удаления технологического водорода путем полирования поверхностного слоя детали (последняя технологическая обработка). При полировании, по мере незначительного удаления поверхностного слоя детали, верхние слои металла нагреваются, и деталь подвергается своеобразной термической обработке.
Абразивное изнашивание
Общие сведения
Абразивным материалом называют материал естественного или искусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (царапания). Абразивное изнашивание - это разрушение поверхности детали в результате его взаимодействия с твердыми частицами при наличии относительной скорости.
К таким частицам относятся:
а) неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной либо под небольшим углом атаки к поверхности детали (например, шаржирование посторонними твердыми частицами мягких антифрикционных материалов);
б) незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали (например, насыпные грузы при их транспортировании соответствующими устройствами, абразивные частицы в почве при работе почвообрабатывающих машин и т.д.);
в) свободные частицы в зазоре сопряженных деталей;
г) свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.
Абразивное изнашивание вызывают почва, грунт, руда, уголь и порода, зола, пыль, попавшие на поверхность трения, металлическая стружка, окисные пленки, закрепленные на поверхности трения или разрушенные, нагар и продукты изнашивания, в особенности выкрошившиеся части твердых структурных составляющих.
Изнашивание поверхностей деталей твердыми абразивными частицами
Абразивная частица вдавливается в поверхность детали, если она обладает большей твердостью, чем металлическое тело. Внедрившаяся частица при движении относительно поверхности может процарапать риску или срезать микроскопическую стружку.
При твердости металлической поверхности, превышающей 60 % твердости абразива, износостойкость резко возрастает. Такое отношение твердостей можно назвать критическим.
Абразивное изнашивание при ударе
Процесс разрушения детали при ударном взаимодействии между деталью и абразивом называют ударно-абразивным изнашиванием. Этому разрушению подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелющих агрегатов, породоразрушающий инструмент пневмо- и гидроударников, детали гусеничного хода машин и др.
Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на поверхности трения лунок в результате локальной пластической деформации металла.
Изнашивание от абразивных частиц в зазоре пары трения
Попавшие в зазоры пар трения абразивные частицы под действием нагрузки могут, в зависимости от условий, впрессовываться в поверхности трения, дробиться на более мелкие фракции, скользить или перекатываться вдоль поверхности изнашивания, упруго и пластически деформируя ее.
Наибольшее изнашивающее воздействие оказывают частицы кварца, твердость которых достигает 11.12 ГПа. Эти частицы размером 1.30 мкм могут длительно находиться в воздухе при его движении.
Воздушные фильтры двигателей автомобилей и других машин могут задерживать только крупные частицы пыли; мелкие частицы проникают в двигатель вместе с засасываемым в цилиндры воздухом. Очищающая способность фильтров 98.99 %, т.е. 1.2 % пыли, содержащейся в воздухе, попадает в цилиндры двигателя. При эксплуатации автомобилей и тракторов запыленность воздуха обычно составляет 0,5. 1 г/м3 , при этом с каждым кубометром воздуха в цилиндры засасывается 5.20 мг пыли.
Так, двигатель автомобиля, эксплуатируемого в песчаных районах, требует капитального ремонта после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапыленного воздуха он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.
Изнашивание от абразивных частиц в потоке жидкостей или газа
При допущении, что среда неагрессивна к поверхности детали, следует различать два случая взаимодействия абразивных частиц с материалом.
Прямой удар (угол атаки а = 90°). В зависимости от массы частиц, скорости их падения, свойств абразива и физико-механических свойств материала детали возникают упругая деформация, пластическая деформация, крупное разрушение, перенаклеп с отделением материала в виде чешуек.
Косой удар (0 < а < 90°). При углах атаки не больше угла трения на характер повреждений поверхности сильно влияют касательная составляющая импульса и сопротивление материала воздействию касательных сил на поверхность.
В некоторых случаях износостойкость резины в несколько раз выше, чем закаленной стали, в других случаях (при нулевом угле атаки) износостойкость резины ниже, чем стали, в связи с фрикционной природой усталостного повреждения поверхности.
Влияние влажности и агрессивности среды на абразивное изнашивание
Влажность увеличивает интенсивность абразивного изнашивания, так же, как и агрессивность среды.
Абразивное изнашивание в коррозионно-активных средах
Содержание водорода в поверхностном слое закаленной стали увеличивается в процессе трения в присутствии пресной и морской воды в 3.3,6 раза, у незакаленной стали - в 2,4.2,8 раза, а при трении в среде сока растения в 3,8 и 3,2 раза для закаленной и незакаленной стали соответственно.
Влияние мелких абразивных частей на износ
Экспериментально установлено, что если размер частиц не превышает 5 мкм, то они, имея большую развитую поверхность, абсорбируют на себе продукты окисления масла, что может снизить интенсивность изнашивания детали.
Многие исследования показывают, что частицы с размерами менее 5 мкм уменьшают износ частицы, размером более 5 мкм - увеличивают износ.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 396; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!