книги / Трение и износ деталей машин

Окислительное изнашивание - это процесс разрушения поверхност­ ных структур, образующихся на металлических поверхностях при трении в присутствии атмосферного кислорода. Оно происходит, в отличие от дру­ гих видов коррозионно-механического изнашивания, при отсутствии аг­ рессивной среды и характеризуется малой шероховатостью изнашиваемых поверхностей, на которых образуются пленки окислов. Эти пленки разру­ шаются при длительном трении и образуются вновь, а продукты износа со­ стоят из окислов.

Водородное изнашивание связано с присутствием водорода в по­ верхностном слое металлических деталей узлов трения.

Этот вид изнашивания зависит от концентрации водорода в поверх­ ностных слоях трущихся деталей. Водород выделяется из материалов де­ талей пары трения или из окружающей среды (смазочный материал, рабо­ чая жидкость - топливо, вода) и ускоряет изнашивание. Водородное изна­ шивание вызывается следующими процессами, происходящими в зоне трения:

-интенсивным выделением водорода при трении в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, создающей источник непре­ рывного поступления водорода в поверхностный слой детали;

-адсорбцией водорода на поверхностях трения;

-диффузией водорода в деформируемый слой металла, скорость ко­ торой определяется градиентами температур и напряжений, что приводит к накоплению водорода в процессе трения;

-особым видом разрушения поверхности, связанным с одновремен­ ным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформи­ рования и эффектом накопления водорода, характерным для мгновенного разрушения образования мелкодисперсного порошка изнашиваемого мате­ риала.

Вагрессивных средах разрушение поверхности твердого тела проис­ ходит под влиянием коррозионно-механического изнашивания, а точ­ нее, под влиянем двух одновременно протекающих процессов: коррозии (в результате химического и электрохимического взаимодействия материала со средой) и механического изнашивания. Химическое взаимодействие реализуется при контакте материалов с сухими газами или неэлектропро­ водными агрессивными жидкостями, электрохимическое - при контакте металлов с электролитами (водные растворы кислот, щелочей, солей). При этом наблюдаются два процесса: анодный (непосредственный переход атомов металла в раствор в виде ионов) и катодный (ассимиляция избы­ точных электронов атомами или ионами раствора). В результате в зоне трения возникает электрический ток.

На обнажающихся при трении поверхностях формируются пленки, обладающие свойствами, отличными от свойств пленок, образующихся при

Усталостным называется механическое изнашивание, происходя­ щее при повторном деформировании микрообъемов материала поверхно­ стного слоя и приводящее к усталостному разрушению. Оно появляется как при трении качения, так и при трении скольжения.

В процессе трения на рабочей поверхности деталей возникают мак­ симальные напряжения сжатия, а по глубине материала распространяются направленные касательные напряжения, максимум которых концентриру­ ется на некотором расстоянии от точки контакта (рис. 25).

Интенсивность усталостного изнашивания определяется рядом фак­ торов: наличием остаточных напряжений и поверхностных концентрато­ ров напряжений (окислы, дислокации); качеством поверхности (микро­ профиль, загрязнения, вмятины, задиры, риски); распределением нагрузки в сопряжении (упругие деформации, перекос деталей, зазор); видом трения (качения, скольжения или качения с проскальзыванием); наличием и типом смазочного материала.

Рис. 25. Схема распределения каса­ тельных напряжений, возникающих при качении цилиндра по плоскости

При механическом взаимодействии деталей в поверхностных слоях материала возникает сложное напряженное состояние: перед выступом шероховатости образуется зона сжатия материала, а за выступом - зона растяжения (рис. 26). В результате такого знакопеременного циклового воздействия в микрообъемах материала накапливаются повреждения, сни­ жающие его прочность. Накопление усталостных микроповреждений ведет к разрушению поверхностных слоев материала в зоне трения.

Процесс катастрофического усталостного изнашивания протекает следующим образом (рис. 27, а). Первоначально на трущейся поверхности 1 образуются усталостные микротрещины 2. Смазочный материал, попадая в микротрещины, способствует их расклиниванию 3 и выкрашиванию час­ тиц 4 металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие оспины (питгинг). Число этих оспин и их размеры увеличиваются до тех

пор, пока возрастающие контактные напряжения на рабочих поверхностях не приведут к пластической деформации и интенсивному изнашиванию детали. Толщина разрушенного слоя металла примерно соответствует глу­ бине распространения под поверхностью максимальных касательных на­ пряжений.

Рис. 26. Схема напряженно-деформированного состояния: 1 - зона упругопластических деформаций; 2 - зона упругих де­ формаций

б

Рис. 27. Схема усталостного изнашивания поверхности: а - возникновение первичной микротрещины на поверхности; б - возникновение микротрещины в подповерхностном слое

Иногда первичная микротрещина может зародиться в подповерхно­ стном слое. Механизм разрушения протекает в этом случае следующим образом (рис. 27, б): 1 - зарождение подповерхностной дислокации; 2 - идет процесс накопления дислокаций; 3 - образуются полости; 4 - слияние полостей приводит к образованию микротрещин, параллельных поверхно­

сти трения; 5 - при достижении микротрещиной некоторой критической длины отделяется частица износа.

Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверх­ ность.

Заедание (схватывание) - наиболее опасное явление при контакте трущихся поверхностей. В результате образуются глубокие борозды, вырывы, оплавление. Заедание может иметь лавинный, катастрофический ха­ рактер и полностью вывести узел трения из строя. Обязательным условием заедания является разрушение промежуточных смазочных слоев и взаимо­ действие чистых (ювенильных) поверхностей. Разрушение защитных сма­ зочных слоев наступает из-за пластической деформации или повышения температуры в зоне контакта, а также из-за срабатывания смазки или не­ достаточного ее поступления. Перед заеданием разрушаются оксидные слои и адсорбированные пленки. Повышенные температуры вызывают размягчение материала, удаление поверхностных пленок, увеличение фак­ тической площади контакта.

Пластическая деформация активирует поверхности трения, возника­ ет неравновесное электронное состояние, активизируются атомы поверх­ ности. Электронный обмен приводит к образованию узлов схватывания (рис. 28), возникновению прочных химических связей. Образуются также общие зерна в местах контакта, идут диффузионные процессы. В момент возникновения схватывания резко увеличивается коэффициент трения скольжения. Растет температура. При больших скоростях интенсивная пластическая деформация и теплота могут вызвать оплавление поверхно­ сти. Схватывание может происходить и при длительном неподвижном контакте деталей в окислительной среде (воздух, водяной пар). В этих ус­ ловиях происходит сращивание окисных пленок в зазоре материала на ра­ бочих поверхностях деталей сопряжения.

Рис. 28. Схема формирования узла схватывания: / - узел схва­ тывания; 2 - линия разрыва материала

f

я

Рис. 29. С хема формирования равновесной ш ерохо­ ватости в процессе приработки: А - зона схватыва­

ния при малой (0 ,5 -1 ,5 м км ) начальной ш ерохова­ тости; />’ - зона равновесной шероховатости; В - зо­

на микрорезания при большой (3 - 5 м км ) начальной шероховатости

В процессе приработки при малой исходной шероховатости поверх­ ностей (Rz —0 ,5. ..2 мкм) высоты неровностей преимущественно увеличи­ ваются вследствие молекулярного взаимодействия. В результате схватыва­ ния рабочих поверхностей деталей, возникающего под действием сил мо­ лекулярного притяжения, происходит разрушение материала, появляются новые неровности, и, таким образом, формируется шероховатость, отлич­ ная от исходной (рис. 29).

8.3. Избирательный перенос

Избирательный перенос - это вид контактного взаимодействия дета­ лей при трении, который возникает в результате протекания на поверхно­ сти комплекса механофизико-химических процессов, приводящих к сни­ жению трения и автокомпенсации износа.

В условиях избирательного переноса сопротивление относительному перемещению поверхностей обусловлено в основном молекулярной со­ ставляющей силы трения. При таком переносе в зоне контактирования по­ верхностей образуется защитная, так называемая сервовитная, пленка, в которой реализуется диффузионно-вакансионный механизм деформации, без накопления дефектов, характерных для усталостных процессов.

Сервовитная пленка образуется в зоне трения в результате электро­ химических процессов, возникающих при трении в системе сталь - сма­ зочный материал - медный сплав, которую можно рассматривать как галь­ ванический элемент. Электрохимические процессы приводят к резкому изменению структуры поверхностных слоев материала. Под их влиянием в

поверхностном слое меди зарождается большое число вакансий и дислока­ ций, которые приводят к образованию в зоне контакта рыхлой медной сус­ пензии, обладающей хорошей пластичностью и малыми сдвиговыми со­ противлениями. Силами молекулярного взаимодействия и схватывания в процессе трения сервовитная пленка переносится на стальную поверх­ ность, способствует сглаживанию ее шероховатости и, заполняя впадины микронеровностей, образует защитный слой. При этом фактическая пло­ щадь контакта возрастает в 1 0 0 раз и приближается к номинальной, равно­ мерно перераспределяется давление по всей рабочей поверхности.

Рыхлая структура серовитной пленки обеспечивает диффузионновакансивный механизм сдвига, при котором деформация пленки в процес­ се трения происходит без накопления остаточных напряжений и дефектов. Поэтому коэффициент трения уменьшается до значения, соответствующе­ го значению этого коэффициента при трении со смазочным материалом, а усталостные изменения структуры материала исключаются. Таким обра­ зом, при избирательном переносе реализуются условия положительного градиента механических свойств материала по нормали к поверхностям трения.

Избирательный перенос обеспечивает практически безызносную ра­ боту сопряжения вследствие эффекта автокомпенсации износа, который заключается в том, что частицы износа не уходят из зоны рения, а, взаимо­ действуя со смазочным материалом, образуют суспензию, покрывающую рабочую поверхность. В условиях избирательного переноса линейная ин-

1 Л -1 2

тенсивность изнашивания составляет 1 0 Для реализации явления избирательного переноса при трении необ­

ходимо наличие в смазочной среде поверхностно-активных веществ (ПАВ). Эти вещества вводят в смазочные материалы в виде присадок. Они характеризуются тем, что их молекулы или ионы концентрируются под действием молекулярных сил (адсорбируются) у поверхности.

9. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ИЗНАШИВАНИЯ

Износ обычно характеризуется одной из следующих характеристик: линейной интенсивностью износа.//,, весовой^ или энергетической Jw.

Линейная характеристика износа представляет собой высоту изно­ шенного слоя И, который приходится на единицу пути трения:

где L - путь трения; V - изношенный объем материала; Аа - номинальная площадь контакта.

Весовая характеристика износа представляет собой вес вещества, ко­ торый удаляется с единицы номинальной площади контакта за единицу пути трения:

где g - вес изношенного вещества.

Энергетическая интенсивность износа, определяющая объем изно­ шенного материала, приходящегося на единицу работы силы трения, вы­

где Wp - работа силы трения.

С учетом того, что в трении участвует только фактическая площадь контакта, вводится понятие удельной интенсивности изнашивания:

где d - средний диаметр пятна касания; Уд - объем материала, удаленного с площади Аг при сдвиге на пути d (в результате одного акта взаимодейст­ вия неровностей).

Линейная и удельная интенсивности изнашивания связаны между

Диапазоны линейной и удельной интенсивности и скорости изнаши­ вания весьма широки: для Jh = 1 0 13...1 0 _3, а для скорости изнашивания

у = —= 1 0 "14...1 0 "6 м/с.

ht

Внастоящее время принято десять классов износостойкости по Jh

(табл. 9) и восемь - по yh (табл. 10).

В табл. 11 указан диапазон изменения интенсивности линейного из­ нашивания различных трущихся деталей.

Сопряжения с наиболее высокой износостойкостью, для которых ве­ личина У* соответствует 12, 11 или 1 0 -му классам интенсивности Kj, рабо­ тают в условиях преимущественно упругого деформирвания контактных зон; сопряжения, соответствующие 9-му или 8 -му классам, работают в ус­ ловиях упругопластического контактного взаимодействия; соединения 7-5-го классов - в условиях пластического контакта, а сопряжения 4-3-го классов - в условиях микрорезания.