4.5 Зв’язок спрацьовування з пружно-міцностними властивостями матеріалів

В рівнянні пружно-міцностні властивості представлені комплексом . Оскільки величина σ₀ часто співпадає зі значенням σ_В, то для спрощення аналізу ці величини ототожнюються. На спрацьовування впливають не тільки модуль пружності, але і міцність на розрив.

При визначенні t , якщо число циклів визначати не по напруженню, а по роботі, затраченій на розрив. Тоді, підставляючи в рівняння замість σ_В густину енергії при розриві, яка приблизно дорівнює σ₀δ₀, то отримаємо

,

ця розрахункова залежність підтверджена експериментально.

4.6 Розрахунок зношення при пластичному контакті

Для пластичного контакту (малоциклова втомленість) кількість циклів до руйнування n пов’язано з діючим амплітудним значенням деформації співвідношенням

,

де t і e₀ – параметри кривої фрикційної втоми, по величині e₀ близьке до значення відносного подовження при розриві δ₀.

Зв’язок між деформаціями на контакті і його механічно–геометричними і фрикційними характеристиками встановлюється при розв’язанні задач пластичності про рух з тертям жорсткого індентору по ідеально пластичному напівпростору. Перехід до чисельного контакту з використанням гіпотези лінійного підсумовування пошкоджень призводить до співвідношення

,

де

r – радіус закруглення вершин нерівностей;

–середній діаметр плями контакту;

f – коефіцієнт тертя; ;

σ_Т і HB – межа текучості і твердість по Бринелю;

, – коефіцієнт.

Підставляючи у вираз , це значенняn , а також вираз для і

отримаємо розрахункове рівняння, яке пов’язує спрацьовування при пластичному контакті з механічними властивостями матеріалу, фрикційними характеристиками пари тертя і мікрогеометричними показниками поверхні.

,

де

,

Тут фізико–механічні характеристики відносяться до металу, який спрацьовується, а мікрогеометричні показники – до поверхні, яка спрацьовує.

Співставляючи розрахункові співвідношення для інтенсивності спрацьовування при пружному і пластичному контактах, можна встановити багато закономірностей.

Так, і в тому і в іншому випадку, спрацьовування пропорційне номінальному тиску в степені >1; якісно однаковий зв’язок між інтенсивністю спрацьовування і шорсткістю Δ; чим більший коефіцієнт тертя, тим вище інтенсивність спрацьовування. Фізико–механічні властивості матеріалу представлені комплексом

,

тобто, чим вище міцність і величина відносно видовження при розриві, тим вище зносостійкість. Таким чином, слід віддати перевагу матеріалам, які мають з одного боку високу твердість, а з іншого – здатність до значних деформацій без руйнування.

4.7 Експериментальна перевірка розрахункових співвідношень втомної теорії спрацьовування

З вірогідністю не менш, як 90% середнє із десяти експериментально зареєстрованих інтенсивностей спрацьовування групується навколо розрахункового значення в інтервалі

.

Приймаючи до уваги стохастичний характер спрацьовування, як втомного процесу, такі розходження можна вважати прийнятними.

4.8 Спрацьовування.

Абразивне спрацьовування.

Абразивне спрацьовування– це процес руйнування поверхні деталі внаслідок її взаємодіїї з твердими частками при наявності їх відносної швидкості.

Абразивним матеріалом називають мінерал природнього або штучного походження зерна або частки якого мають достатню твердість і мають здатність різання (дряпання).

До таких часток відносяться:

а) нерухомо закріпленні тверді зерна, які входять в контакт по дотичній або під невеликим кутом атаки до поверхні деталі (наприклад, шаржування сторонніми частками м’яких антифрикційних матеріалів);

б) незакріпленні частки, які входять у контакт з поверхнею деталі (наприклад, насипні вантажі при їх транспортуванні відповідними пристроями; абразивні частки у грунті при роботі грунтообробних машин);

в) вільні частки у зазорі спряжених деталей;

г) вільні абразивні частки, які переносяться потоком рідини або газу.

Абразивне спрацьовування спричиняє грунт, руда, вугілля і порода, зола, пил, які потрапили на поверхню тертя, металева стружка, оксидні плівки, які закріплені на поверхні тертя, нагар і продукти спрацьовування, особливо викришені частки твердих структурних складових.

Абразивні частки можуть мати різну форму і бути різним чином орієнтовані відносно спряженої поверхні. Здатність абразивного зерна втискуватись в поверхню залежить не тільки від співвідношення їх твердості, але й від геометричної форми зерна. Те, що зерно випуклою поверхнею або гострим кутом може бути вдавленим, навіть без пошкоджень, в плоску поверхню більш твердого тіла. Цим пояснюється спрацьовування металу абразивними частками з меншої твердістю.

Для більшості металів твердість оксидних плівок більше твердості самих металів. Найбільшу твердість (9) за шкалою Мооса має оксид алюмінію Al2O3,

однак твердість самого алюмінію невелика (~2). Внаслідок цього під час тертя алюмінія по сталі, оксидні плівки, а також продукти руйнування цих плівок можуть викликати сильне спрацьовування навіть самих твердих сталей. М’який оксид майже не спричиняє абразивної дії на іншу поверхню. Магній утворює дуже м’який оксид MgО, тому спрацьовування магнієм більш твердих металів невелике навіть за сприятливих умов утворення оксиду.

Таким чином, механічна дія абразивних часток на спрацьовуємий матеріал головним чином залежить від форми, степені закріплення і співвідношення механічних властивостей абразивної частки і поверхні, яка спрацьовується, діючих навантаженнь. З цієї причини і сам механізм спрацьовування може змінюватися від пружньої деформації до найбільш небезпечного мікрорізання. Ефект мікрорізання, по даним дослідженнь тільки починає істотно впливати на загальний об’єм спрацьовуваного матеріалу.

Найпростіша модель такого механізму руйнування призводить до співвідношення між інтенсивністю спрацьовування та тиском:

де

h- висота спрацьованного шару;

L-шлях тертя;

P_a-номінальний тиск;

k- коефіцієнт пропорційності:

P_T-тиск текучості;

Якщо порівняти спрацьовування зразка h і спрацьовування еталона h_э, при умові, що їх шляхи тертя і номінальний тиск однакові, то відносна зносостійкість буде пропорційна тиску текучості зразка, тобто

Були спроби пов’язати властивості матеріалів з твердістю. Істотно являє собою те, яким чином досягнута твердість. При зміні твердості шляхом загартовування і подальшого відпуску, встановили, що

,

де

ε₀ і H₀- зносостійкість та твердість сталі в стані відпалу;

Н- твердість термічно обробленої сталі;

С- коефіцієнт

Термообробка являє собою ефективний засіб боротьби з мікрорізанням. Наряду з цим, підвищення твердості шляхом деформаційного зміцнення виявилось неефективним- абразивна стійкість або залишалась такою як була, або навіть трохи зменшувалась. Цей факт трактується так: в процесі абразивного спрацьовування досягається гранична висока степінь зміцнення поверхневих шарів, тобто в сутності, спрацьовуваний матеріал характеризується не своєю початковою твердістю, а твердістю в стані граничного наклепу.

В якості другого критерія абразивноі зносостійкості використовується модуль пружності. Зіставлення (ε) з (Н) для широкого класу матеріалів показало, що

Ця закономірність не розповсюджується на термічно оброблені сталі, оскільки Е- структурно нечутлива величина.

Встановлено, що число діяння на матеріал буде тим більше, чим менше відношення діючих напружень (деформацій) до критичних, а інтенсивність спрацьовування обратно пропорційна числу цих діянь. З іншого боку, спрацьований об’єм матеріалу за одиницю шляху тертя буде тим більший, чим більша площа контакту. Приймаючи до уваги ці положення, стає очевидним, що критерій абразивної стійкості, окрім Е і Н повинен включати ще такі величини, як коефіцієнт тертя, граничне значення деформації (напружень), характеристики втоми матеріалу.

Зносостійкість визначається не тільки механічними властивостями твердих тіл, а й поведінкою самого абразива в зазорі (дослідн. М.М Тенендума).

Якщо зусилля для навантаження частинки в більш м’який матеріал менше, ніж руйнівні зусилля, то в цьому випадку зносостійкість буде визначатися умовами шаржування абразиву і властивостями більш твердого матеріалу, який буде спрацьовуватись вже закріпленим абразивом.

Однак абразив, потрапляючи в зазор, може руйнуватись. в цьому випадку абразивна дія буде залежати і від глибини занурення, при якому наступило руйнування абразива, і від характеру руйнування самого абразиву.

При крихкому руйнуванні утворюються уламки з гострими ріжучими кромками. Крім цього, по швидкості перетворення воно подібне до мікровибуху, що може бути додатковим джерелом руйнування поверхні тертя.

Дуже важливою властивістю матеріалів при терті в середовищі абразива є не тільки здібність поглинати абразивний матеріал, але й втримувати його.

Ідеальним є такий матеріал, який легко поглинає абразивні частинки і при порушенні контакту звільнюється від них. Унікальними в цьому відношенні властивостями володіють еластомери та полімери, які при однаковій твердості з металом є більш ефективними останніх при терті в присутності абразива.

Водневе спрацьовування

По ширині прояву водневе спрацьовування може порівнюватися з абразивним спрацьовуванням.

Водневе спрацьовування зумовлене наступними процесами в зоні тертя:

а) інтенсивним виділенням водню при терті в результаті трибодиструкції матеріалів, які містять водень, що є джерелом безперервного потраплення водню в поверхневий щар сталі чи чавуна;

б) адсорбцією водню на поверхнях тертя;

в) дифузією водню в деформований шар сталі, швидкість якої визначається градієнтами температур і напружень, що створює ефект накопичення водню в процесі тертя;

г) особливим видом руйнування поверхні, пов’язаного з одночасним розвитком великої кількості зародків тріщин по всій зоні деформування. Характерним для руйнування є миттєве утворення мілкодисперсного порошку матеріалу.

При важких режимах тертя максимальна температура утворюється не на поверхні деталі, а на деякій глибині. Це створює умови, при яких водень, якщо він буде адсорбований на поверхні деталі, під дією температурного градієнту дифундує в глуб поверхні, там концентрується і викликає крихкість поверхневих шарів і підсилює спрацьовування.

Джерела водню: наявність в повітрі парів води, розміщення в зоні контакту мастильних матеріалів, палива чи пластмаси, біографічний та технологічний водень (фосфатування, азотування, гальваніка).

Види водневого спрацьовування:

1. Водневе спрацьовування диспергуванням. Яких-небудь змін в поверхневому шарі не має.

2. Водневе спрацьовування руйнуванням. Поверхневий шар стальної чи чавунної деталі руйнується миттєво на глибині 1-2 мкм. При терті відбувається періодичне деформування поверхневого шару і об’єм дефектних місць (порожнин) змінюється. Водень, який надходить в порожнини, локалізується, і, не маючи можливості вийти назад при зменшенні об’єму, прагне розширити порожнини, створюючи високий тиск.

Методи попередження змін водневого спрацьовування.

1) При виборі матеріалів для вузлів тертя необхідно враховувати степінь їх наводнення і крихкості .Введення в сталь Cr, Ti, Va знижує проникливість в неї водню. Холодно деформована сталь може поглинути в 1000 разів більше водню, ніж відпалена. Воднева крихкість виявляється в більшій степені в сталях феритного класу.

Необхідно виключати з вузлів тертя полімери, здатні до швидкого розкладу і виділенню водню.

2) Корисно використовувати для вузлів тертя, якщо є ймовірність водневого спрацьовування, мастильних матеріалів, які мало піддаються гідрогенізації. В якості присадок вводять кремній і силани, в яких присутні декілька атомів Cl, що легко з’єднується з воднем, який виділився.

3) В парах тертя сталь - мідний сплав необхідно виключати з останнього домішок сурми, з’єднання миш’яку, сірки та інших, які сприяють виділенню водню.

4) Корозію в узлах тертя можна зменшити зміною режимів роботи (зниженням T, V_шв, P).

5) Проникність водню можна суттєво зменшити, якщо із зони наводнення вилучити речовини, які сприяють проникненню Н₂: H₂S, H₃P, з’єднання миш’яку, селену, сурми, телуру.

6) Змінювати знаки зарядки. Щоб запобігти водневому спрацьовуванню, в один із матеріалів вводиться невелика кількість електронегативної речовини.

7) Створення позитивного електричного потенціалу по відношенню до наводненої деталі (прокатний валок і матеріали).

8) Введення закису міді або інших добавок, які можуть з’єднуватися з воднем (фрикційна пластмаса).

9) Метод виключення технологічного водню шляхом полірування поверхневого шару.

Оксидне спрацьовування.

Спрацьовування внаслідок деформації, диспергування і викрішування

Оксидне спрацьовування трапляється в тому випадку, коли на поверхнях, що стикаються, утворюються оксидні плівки, які в процесі тертя руйнуються і знову утворюються. Від інших видів корозійно – механічного спрацьовування воно відрізняється відсутністю агресивного середовища, протікає при нормальних і підвищених температурах, при терті без змащувального матеріалу або при недостатній його кількості.

При кімнатній температурі окиснення поверхні активізується пластичною деформацією, тому одним із методів боротьби з спрацьовуванням є створення поверхонь тертя з високою твердістю. У випадку циклічного руйнування оксиду високої твердості спрацьовування буде носити характер абразивного.

Збільшення температури сприяє росту оксидних плівок, а вібраційне – їх руйнуванню.

Срацьовування внаслідок пластичної деформації.

Спрацьовування полягає в зміні розмірів чи форми деталі в результаті пластичної деформації.

Збільшенням в’язкості масла можна зменшити сили тертя та інтенсивність пластичної деформації. Взагалі, рекомендується використовувати сталі високої твердості.

Пробуксовування, тертя, удари служать причинами пластичної деформації (рейки, арматура залізничних шляхів, ум’ятини і заглиблення у підшипників кочення (бринелювання).

В антифрікційному шарі з м’яких підшипникових сплавів відбувається поступове переміщення поверхневих шарів у напрямку ковзання під дією сил тертя. Інтенсивна текучість матеріалу під дією сил тертя, виявляється, навіть, у чавуні.

Спрацьовування внаслідок диспергування.

При нормальних умовах тертя (без схоплювання, подряпин, при наявності мастил і помірних температур) руйнування поверхневого шару відбувається в результаті диспергування (подрібнювання) окремих ділянок контакту. Інтенсивність цього виду спрацьовування не висока, а шорсткість деталей мала.

Процес спрацьовування протікає так: на площадках ФПК матеріал піддається багаторазовій пружній і пластичній деформації, що призводить до втрати міцності, розрихленню на окремих ділянках структури матеріалу, що в свою чергу спричиняє відділення невеликих блоків.

Спрацьовування в результаті викришування знов утворених структур.

При тяжких умовах роботи на поверхнях тертя відбуваються фізико-хімічні зміни. Вони є результатом пластичної деформації, підвищення температури шарів металу, прилеглих до зони контакту, подальшого швидкого охолодження і хімічної дії навколишнього середовища. Фізико-хімічні перетворення змінюють вид взаємодії і характер руйнування поверхонь (білий шар В.П.Кравз-Тарнавского відрізняється високою крихкістю, структура–високодисперсна, по твердості вища за твердість мартенсита, середньовуглецевої сталі). На одній деталі можуть бути різні по структурі білі прошарки, утворені в результаті швидко протікаючих термічних або хімико–термічних процесів.

Утворюванню білого шару сприяє повітря і змащувальний матеріал (білий шар може містити N і O₂, насичений вуглецем аустеніт, і складного змісту карбід). Джерела з підвищеним вмістом вуглецю на поверхні утворюється в результаті дифузії його з більш глибоких шарів матеріалу або внаслідок розкладу мастила.

Пластична деформація стимулює дифузійну активність матеріалу (мікротріщіни, мікропори і вакансії), переміщення металу оголює поверхню.

Білий шар сприяє виникненню напружень, які разом з експлуатаційними, охрупчують матеріал (поверхні рельсів, зубів шестерні, підшипники кочення, лопатки керосинових насосів, при високошвидкому різанні, шліфовочні відпали, дію газових струменів).

В процесі тертя, в зв’язку з температурними діями, можлива коагуляція структурних складових, закалка і відпуск, що може призвести до утворення ультромікроскопічних тріщін.

Корозія

Корозієюназивають руйнування металу внаслідок хімічної чи електрохімічної взаємодії їх з корозійним середовищем.

Чиста металева поверхня легко піддається хімічній дії середовища. Однак, якщо розпочалась корозія, то ії продукти утворюють міцно, зв’язану з металом плівку, ізолюючу поверхню від корозійного середовища, то метал одержує пасивність по відношенню до неї.

Штучне утворення тонких оксидних плівок пасивірування – Fe, Ni, Cr, Al та інші.

Хімічна корозіяпротікає при взаємодії металів з сухими газами і парами і рідкими неелектролітами.

Газова корозія – окиснення металів при високих температурах за рахунок повітря, СО₂, О₂ в продуктах згорання. Окиси - напруження – окалина.

Електрохімічна корозіяпротікає при дії на метал рідких електролітів (гребний вал в морській воді при відсутності протекторного захисту) зумовлена неоднорідністю металу в контакті з електролітом.

Корозія в зазорі (пошкодження зосереджені в зазорах між поверхнями). В середовищі електроліту корозія пов’язана з різною концентрацією металічних іонів всередині і поза зазором. Малодоступні для О₂ чи електроліту ділянки поверхні металу в зазорі стають анодом по відношенню до всієї іншої поверхні цієї деталі.

Корозія не є видом спрацьовування, але може проявлятись при кавітаційному руйнуванні і фретінг – корозії, протікає паралельно з ерозією, супроводжує процес тертя, суттєво впливає на спрацьовування робочих поверхонь, продукти корозії – абразив.

Кавітацітаційне спрацьовування.

Кавітація дослівно означає порожнину, пустоту. Під кавітацією розуміють явище утворення в рухомому по поверхні твердого тіла потоку рідини в вигляді бульбашок, наповнених парами, повітрям чи газами, розчиненими в рідині і виділившимися з неї.

Суть кавітації в наступному. В рухомому з великою швидкістю потоці при його звуженні і наявності перешкод на його шляху, тиск може впасти до значення, відповідного тиску пароутворення при даній температурі. При цьому, в залежності від опору рідини розтягуючим зусиллям, може відбутися розрив, порушення суцільності потоку. Пустота, яка утворюється, заповнюється парами і газами, які виділяються з рідини. Повітря, захоплене в потік, полегшує утворення кавітації. Утворені парогазові бульбашки розмірами порядку десятих долей міліметра, переміщуючися з потоком, потрапляють в зони високих тисків. Пар конденсується, гази розчиняються і в утворені пустоти з великим прискоренням переміщуються частинки рідини і відбувається, супроводжене ударом, поновлення суцільності потоку (кавітаційна бульбашка може вирости за 0,002с до 6мм в діаметрі і зруцнуватись за 0,001с. В окремих видах кавітації на площі в 1 см2 під час 1с можуть утворитися і зруйнуватися більш, ніж 30млн. кавітаційних бульбашок).

Явище кавітації викликає вібрацію, стук, струси. Це призводить до розхитування з’єднуючих зв’язків, їх обриви, зминання різьб, фрикційної корозії стиків, порушень ущільнень і пошкоджень від втоми.

Під дією гідравлічних ударів поверхня металу починає деформуватися і зазнає наклепу; з’являються лінії зсуву і відбувається свого роду травлення з виявленням границь окремих зерен. Повторні удари викликають руйнування. Руйнується перед усім м’яка структурна складова (в сталях - феріт, у чавуну – графіт). За цим може послідувати викришування і більш міцних складових.

Корозія інтенсифікує процес кавітаційного спрацьовування.

Введення в воду емульсій знижує поверхневий натяг рідини і знижує кавітаційне спрацьовування. Найбільша інтенсивність спрацьовування спостерігається у воді з температурою t =50ºС.

Кавітаційну стійкість сталі можна підвищити збільшенням в ній С до 0,8% ( пластинчастий перліт більш стійкий, ніж зернистий ), введенням Ni і Cr, загартуванням з нагрівом ТВЧ, цементацією, поверхневим зміцненням, твердим наплавленням.

Латунь стійка до кавітаційного спрацьовування, а також гумові покриття.

Вібраційна кавітація.

Утворюється при коливаннях твердого тіла відносно рідини або навпаки. Викликають звукові або ультрозвукові коливання. Звукові хвилі прискорюють окисно–відновні реакції, викликають внутрішньомолекулярні перегрупування речовин, підсилюють диспергування, прискорюють процеси миття і обезжирення поверхонь і викликають коагуляцію мілких частинок. При вібрації не виключена кавітація в тонкому мастильному шарі між поверхнями, яка може призвести до викрішування матеріалу підшипників ковзання, зубів колеса поверхонь інших деталей.

Ерозійне спрацьовування.

Ерозія– процес поверхневого руйнування речовин під дією зовнішнього середовища. В машинобудуванні ерозія має більш вузьке поняття – руйнування поверхні матеріалів внаслідок механічної дії високошвидкісного потоку рідини, газу чи пару. Руйнування металів під дією електричних зарядів також відноситься до ерозії.

Ерозійна дія високошвидкісного потоку трапляється через його тертя, удари об поверхню. У результаті тертя відбувається розхитування і вимивання окремих об’ємів матеріалу. Взагалі, швидкість спрацьовування в цьому випадку мала. Велика роль належить динамічному потоку.

В залежності від властивостей матеріалу можливий вирив окремих об’ємів чи груп зерен з несприятливою орієнтацією в відношенні прикладених сил.

Гаряча газова ерозія пластмас і теплозахисних покриттів отримала назву абляції. Це явище проявляється, наприклад, при русі баластичного снаряду в густих шарах атмосфери чи під дією гарячих відпрацьованих газів при роботі ракетних двигунів.

Корозійно – механічне спрацьовування в спряжених деталях машин.

Корозія металу в тому чи іншому середовищі може проходити незалежно від того, є тертя чи ні, спільна дія корозії, навантаження і механічного спрацьовування підсилює інтенсивність руйнування поверхонь деталей. Буває, однак, випадок, коли корозія стає активною тільки завдяки тертю спряженої деталі.

1) Поршневе кільце і циліндричні гільзі двигунів, виготовлені з ливарних чавунів, при наявності електроліту утворюють гальванічні пари як один з одним, так і між структурними складовими чавуну – перлітом, графітом, фосфатною ефтетикою, а в середині перліту – між цементитом і ферітом. Крім того, внаслідок нерівномірності температури, утворюються анодні ділянки в зонах з більш високою температурою. Анодні ділянки з’являються в зонах з більш інтенсивним випроміненням.

Спалення в циліндрах дизелів палива з підвищеним вмістом сірки збільшує інтенсивність спрацьовування поршневих кілець і циліндричних втулок в 3 – 4 рази і більше ( нейтралізація за допомогою лужних додатків в мастило).

2) Корозійна стійкість Cu - Pb ,Pb – лужних і кадмієво – срібних сплавів у 500 – 1700 разів нижча, ніж олов’яних бабітів. ( Органічні кислоти, утворені при роботі з мастильним матеріалом, утворюють свинцеві мила, які виносяться. Різко знижуються механічні властивості підшипників ). Навантажені вкладиші руйнуються значно сильніше.

Проблема захисту від корозії Pb, Cu – Pb і кадмієвих сплавів була вирішена при використанні антикорозійних присадок ( органічних сполук, в які входять S і P ) до масла.

3) Для захисту від корозії вали центробіжних водяних насосів облицьовують " рубашками " (бронза, сталь, чавун). Якщо матеріал захисних втулок не здатний утворювати міцних плівок, то спрацьовування буде корозійно – механічним, а спрацьовування буде визначатися в тому числі і агресивністю води, яка перекачується.

4) Жирні кислоти, утворені при переробці сировини, особливо олеїнові і стеаринові кислоти, являються поверхнево – активними речовинами - розм’якшують поверхню, полегшують пластичну течію в найтоншому поверхневому шарі, викликають зменшення міцності і розриви під дією сил тертя.

Схоплювання і заїдання поверхонь при терті.

Сутність процесу.

Схоплювання при терті– приварювання, зщеплення, місцеве з’єднання 2-х твердих тіл під дією молекулярних сил. При цьому утворюються міцні металічні зв’язки в зонах безпосереднього контакту поверхонь. В місцях схоплювання зникає границя між контактуючими тілами, відбувається зрощення одно – і різнойменних металів.

На утворенні міцних металічних зв’язків між двома заготовками основані такі технологічні процеси, як ковальське зварювання, контактне зварювання опором і нанесення покриття методом гарячої прокатки (з’єднання металів при значному тиску і при температурі вище температури рекристалізації, дифузія).

Єдиної точки зору на механізм процесу схоплювання при терті поки що немає.

Умови утворення з’єднань :

1) Відсутність на доторкуваних поверхнях різного роду плівок і забруднень.

2) Приближення поверхонь одна проти одної на міжатомну відстань при пластичній деформації.

3) З підвищенням температури процес схоплювання полегшується.

4) Наявність адгезійного схоплювання.

5) Відсутність на контактах мастильних матеріалів.

6) Якщо градієнт механічних властивостей матеріалу позитивний ( dτ/dz ) >0, то міцність поверхневих шарів менше, ніж прилеглих, і глибинного виривання при схоплюванні не буде. Якщо ( dτ/dz )<0 і міцність зв’язку вища міцності основного матеріалу, то при відносному русі поверхонь при схоплюванні відбувається глибинне виривання. Вибірковий перенос викреслив це положення.

Спрацьовування при схоплюванні.

1) Вириви матеріалу у вигляді мікроскопічних і субмікроскопічних частинок з одної поверхні і переносом їх на іншу поверхню. Площа частинок мала, маса їх може бути до г. Незалежно від частоти утворення вузлів схоплювання інтенсивність спрацьовування буде мала. Такий прояв схоплювання не може викликати катастрофічного руйнування.

2) Утворення тонкої плівки (нальоту) м’якого матеріалу на твердій спряженій поверхні, наприклад, оміднення ріжучих кромок різця при різанні міді і її сплавів, намащування бронзи на сталь (на вали, черв’яки, болти), свинцю на сталь, сталі чи алюміньового сплаву на хромове покриття полімеру, гуми на вал. Наслідки такого схоплювання такі:

а) може спостерігатись інтенсивне спрацьовування, наприклад, в випадку, коли бронзова плівка відділяється від стальної деталі, відноситься від зони тертя і утворюється знову;

б) при високій швидкості ковзання внаслідок великого тепловиділення, викликаного значною силою тертя між однойменними металами, намащування бронзи може закінчитись заїданням;

в) намащування викликає різке збільшення сили тертя, не дуже помітно впливає на спрацьовування ( наприклад, намащування поліамідів на стальний вал );

г) намащування є стадією передкатастрофічного пошкодження поверхонь тертя; найтонший шар сталі, намащений на хромовану поверхню, схоплюється з стальною поверхнею тертя;

д) слідом відбувається зворотний перенос хрому на покриття з утворенням нових більших осередків схоплювання, таким чином, виникає складний ланцюг взаємоперекриваючих явищ;

е) намащування гуми на стальну чи бронзову шийку валу, як правило, підвищує сили тертя, і пара тертя перетворюється із антифрикційної у фрикційну пару з пошкодженням гумової поверхні;

ж) утворення тонкого шару міді на стальній поверхні при вибірковому переносі не призводить до спрацьовування спряження і збільшенню сил тертя.

3) Перенос твердого металу на м’яку поверхню. Має місце дряпаюча дія перенесеного металу, який знаходиться в стані наклепу (високий тиск і температура).

4) Виривання матеріалу з утворенням глибоких борозн, уступів і впадин. Процес виривання супроводжується інтенсивним наклепом поверхневих шарів на значну глибину (підвищення швидкості спрацьовування в десятки тисяч разів, збільшення сил тертя, пошкодження поверхонь, заклинювання і поломки).

При експлуатації машин для якісної оцінки степені пошкоджень, використовують такі методи:

Натир– ділянка поверхні тертя, відмінна по кольору від прилеглих ділянок і зазнаюча найбільший тиск (світлий – згладжування мікронерівностей або утворення мілких рисок, темний – результат місцевого підвищення температури і утворення оксидних плівок ).

Задир– утворення в результаті схоплювання видної неозброєним оком борозни з відтисненням матеріалу як в сторони, так і в напрямку ковзання.

Заїдання– найбільш яскрава форма проявлення схоплювання. Утворюються широкі і глибокі борозни з нерівними краями, іноді злиті, мають великі нарости; можливе оплавлення поверхні. Може відбутись повне заклинювання.

З’єднання деталей внаслідок росту оксидів в зазорі.

Схоплювання може відбутися не тільки при взаємному переміщенні поверхонь, але й при довгочасному нерухомому контакті спряжених деталей в окислювальному середовищі (повітря, пар, тощо) внаслідок зрощування оксидних плівок в зазорі.

Для з’єднання спряжених металічних деталей, окрім наявності окислювального середовища, необхідно, щоб об’єм оксидної плівки перевищував об’єм металу, який перейшов в оксид.

Спрацьовування при фретінг-корозії

Фретінг-корозія – це процес руйнування щільноконтактуючих поверхонь пар метал-метал або метал-неметал, в мало - і неагресивному середовищі, при їх коливальних переміщеннях, Для збудження фретінг-корозії достатні переміщення поверхонь з амплітудою 0,025мкм, тобто при одночасній дії механічних і хімічних факторів. Руйнування полягає в утворенні на контактуючими поверхнях мілких язв і продуктів корозії у вигляді нальоту, плям і порошку (вуглецеві, корозійностійкі сталі в парах тертя сталь-сталь, сталь-Sn або Al, Sb, а також чавун-бакеліт або хром та інші).

Пошкодження зосереджується на невеликих площах дійсного контакту (V- мала; l0=0,025мм; ƒ=50; V_max=7,5 мм/с ; V_сер=2,5мм/с;l0=2,5мм/с- верхня межа для збудження процесу).

Фретінг-корозія являє собою руйнування металів і їх сплавів в мало- і неагресивних корозійних середовищах при одночасній дії механічних і хімічних факторів. Необхідні для протікання цього процесу відносні мікрозміщення спряжених поверхонь утворюються внаслідок деформації деталей під навантаженням і їх вібрацією, а також коливань, які проходять в цих пружних системах.

Пошкодження служить концентратором напружень і знижує межу втоми.

Механізм фретінг-корозії.

Під дією сил тертя кристалічна решітка поверхневих шарів при циклічних тангенціальних зміщеннях розхитується і руйнується. Процес руйнування являє собою диспергування поверхні без усунення продуктів спрацьовування. Частинки металу, які відірвалися, піддаються швидкому окисленню. Додатковим джерелом пошкодження поверхонь можуть бути, виникаючі місцями, схоплювання спряжених металів.

Утворення оксидних плівок на металічних поверхнях або продуктів спрацьовування в вигляді оксидів змінює характер протікання процесу, який починає визначатись не тільки фізико-хімічними властивостями матеріалів пари тертя в початковому стані, але й природою оксидів та інших утворюваних хімічних з’єднань. Окиснення металу супроводжується збільшенням об’єму.

Механізм спрацьовування при фретінг-корозії в спрощеному вигляді показаний на рис.50.

Рис.50. Механізм спрацьовування металевих поверхонь при фретінг-корозії.

1,2 - контактуючі деталі;

3 - точки контакту поверхонь;

4 - каверни, які зароджуються;

5 - загальна велика каверна;

6 - тріщини;

7 - об’єми металу, які відкололися;

8 - відколені частинки з твердою структурою.

Початковий контакт деталей відбувається в окремих точках поверхні (I). При вібрації окисні плівки в зоні фактичного контакту руйнуються, утворюються невеликі каверни, заповнені оксидними плівками (II), котрі поступово збільшуються в розмірах і зливаються в одну велику каверну (III). В ній підвищується тиск оксидних частин металу, утворюються тріщини. Деякі тріщини зливаються і відбувається відколювання окремих об’ємів металу. Частинки оксидів виробляють абразивну дію. В результаті підвищеного тиску і сил тертя частинок оксидів підвищується температура і відбувається утворення білих твердих структур, котрі не травляться, в відколених частинках і на поверхнях каверн.

Методи боротьби з фретінг-корозією.

Універсальних засобів боротьби з фретінг-корозією не має. Так як взаємне мікрозміщення поверхонь не може бути виключено внаслідок пружності матеріалу, то для боротьби з фретінг-корозією треба:

а) зменшити мікрозміщення;

б) знизити сили тертя;

в) зосередити ковзання в проміжному середовищі.

Для виконання цих вимог по перерахованим пунктам роблять наступне:

а)надання відповідної конфігурації (розвантаження), підвищення сил тертя (зменшити площу контакту, підвищити коефіцієнт тертя за рахунок збільшення шорсткості поверхні);

б) пониження тиску чи зменшення коефіцієнту тертя (дисульфід молібдену в вигляді порошку чи пасти, свинцеві білила чи їх суміші з MoS₂, фосфатування поверхні, обробка поверхонь водневою емульсією масла чи покриття парафіном).

в) Свинцеві і індієві покриття при малому опорі зсуву грають роль твердих мастильних матеріалів. Хоча сила тертя при цьому й зменшується, основне призначення покриттів перенесення процесу зміщення в середину покриття.

Хороший опір фретінг-корозії надають пари сталь-політетрафторетилен або поліаміди. Діючим засобом можуть стати гумові прокладки.

Зменшити пошкодження від фретінг-корозії можна, підвищуючи твердість однієї деталі (загартування і азотування, але не хромування). При збільшенні твердості зменшується взаємне впровадження деталей, що знижує інтенсивність спрацьовування; окрім цього, продукти спрацьовування в цьому випадку менші за розмірами і їх абразивна дія слабка.

Матеріали для деталей, які труться

Деталі, які труться, в залежності від їх призначення виготовляють із конструктивних, фрикційних, зносостійких і антифрикційних матеріалів широкої номенклатури. В багатьох випадках матеріали наносять у вигляді покриття, плівок чи накладок на кістяк із основного конструкційного матеріалу. Іноді при специфічних потребах до електропровідності (ковзаючі контакти, ламелі колекторів електродвигунів), стійкості до діяння хімічних агресивних середовищ (газів, в тому числі й гарячих, робочих рідин в системах живлення двигунів і ракет, кислот і лугів) деталі, які труться, виготовляються зі сталі та інших сплавів спеціального призначення, оксидів металів, металокерамічних і неметалічних матеріалів.

Із конструкційних сталей виготовляють деталі, котрі повинні задовольняти умовам високої міцності, жорсткості абр податності і мати на тих чи інших ділянках поверхні тертя. Це деталі типу валів, пальців, болтів шарнірів, зубчатих коліс, силових циліндрів, поршнів, плунжерів, поршневих кілець.

Чавуни широко використовують як матеріал для станин, столів, повзунів, напрямляючих.

Фрикційні матеріали– матеріали, які при контакті з металічною поверхнею мають високий коефіцієнт тертя. Використовуються в гальмах і фрикційних муфтах валів, розділяються на органічні (дерево, шкіра, пробка, войлок), металічні (чавун, сталь У6, У7, марганцева сталь тощо), азбестокаучукові, пластмасові (текстоліт, азбестотекстоліт, фібра), металокерамічні на мідній і залізній основах.

Зносостійким називають матеріал, який при терті навіть у важких умовах навантаження порівняно мало зношується (плунжерні пари, зубці ковшів екскаваторів і навантажувачів, зубці врубових машин і вугільних комбайнів, лемехі плугів і робочих органів більшості технологічних машин – скребки, ланцюги, рештаки, штампи). В якості зносостійких матеріалів використовуються конструкційні сталі, зміцнені по всьому об’єму або по працюючим поверхням, спеціальні сталі, чавуни, порошкові матеріали, гуму, пластмаси тощо.

Будь-який підшипниковий матеріал (металічний і неметалічний) з твердістю меншою ніж твердість спряженої деталі, називають антифрикційним.

Поняття антифрикційності включає в себе комплекс властивостей, якими повинен відповідати підшипниковий матеріал: достатню статичну і динамічну міцність при підвищених температурах; здатність утворювати міцний граничний шар змащувального матеріалу і швидко відновлювати його в місцях, де він зруйнований; низький коефіцієнт тертя при не достатньому змащуванні; відсутність заїдань на валу у випадку перерви в подачі змащувального матеріалу; високі теплопровідність, теплоємність, сприяти приробці, і повинен мати хорошу зносостійкість спряження; недефіцитність і високу технологічність.

Підшипникових матеріалів, які б задовольняли всім цим умовам немає.

Зносостійкість є вимогою, загальною для всіх матеріалів, також фрикційних, за виключенням покриттів, які мають властивості приробки.

Вибір матеріалів при конструюванні вузлів тертя.

Вибір матеріалів в цьому випадку є важким завданням, так як залежить від конструкції і призначення вузлів, технології виробництва, умов експлуатації, від вимог до загальної міцності деталей, строку їх служби і надійності при врахуванні вартості матеріалу і експлуатаційних затрат.

Фрикційні матеріали повинні протистояти термічній втомі.

Порошкові антифрикційні матеріали і пластмаси.

Порошкові:

Однорідні, композиції з металів, які не зміщуються в розплавах, які не утворюють розчинів, інтерметалічних з’єднань; композиційні суміші із металів і неметалів (економічно вигідно від 500 до 1000 вир.)

Керамічні:

Зпікання глин, оксидів, неорганічних з’єднань (вогнеупори, ізолятори, напівпровідники).

Недоліки: крихкість, яка призводить до поломок деталей при динамічних навантаженнях і висока твердість, яка заважає механічній обробці.

Матеріали для підшипників ковзання:

АЧС (пластинчастий графіт);

АЧВ (високоміцний з глобулярним графітом);

АЧК (ковкий з лапастевидним графітом);

Сплави з кольорових металів:

Бронзи:

Бр. ОФ (з 0,5%- відливають, менше 0,5%- штампують), свинець вводять для приробки, знижує твердість й зростає пластичність (НВ 50-60 після відпалу)

Бр.ОЦС-4-4-17- холоднокатані стрічки для тонкостінних втулок.

Бр.АЖН (підвищена твердість) для підвищених температур (НВ 70-100)

Sn, Pb, Cd, Sb, Zn, характеризується наявністю твердих структурних складових в пластичній матриці і називаються бабітами (підігріті вкладиші до 250ºС, заливка при 450-480ºС (HRC 25-35).

Недоліки: малі опори втомі, в особливості при температурах більше 100ºС. (δ_min заливки =0,25-0,4мм; δ_нор. =1-3мм)

Сплави на Al-основі:

Литі (Al+Si )-Al 2, Al 4, Al 5).

HB-65-70 (Al+Mg)-Al 8)

(Al+Cu )-Al 10B, Al 18B

(Al+Ni, Sn, Sb, Si-антифрикційні).

Сплави на Zn-основі: ЦАМ9-1-5

НВ-85-90 ЦАМ 10-5

В цих сплавах присутні: 9-12% Al, 1-5,5%Cu, 0,03% Mg

Пористі антифрикційні матеріали (порошки бронзи; заліза; графіту, які спікаються).

Найбільш розповсюджена бронза: 83-85% Cu; 9,5-10,5% Sn; 4-10% Pb; 1,5-2% графіту

Пористість: 25-35% – для роботи на великих швидкостях і невеликих навантаженнях; 18-25% – для нормальних умов роботи; 10-18% – для невеликих швидкостей, середніх та високих навантаженнях.

Матеріали для підшипників кочення

Сталі:

ШХ-15; ШХ 15СГ

Пластмаси - (безшумна робота, ударні навантаження)

Змащування мінеральними мастилами, емульсіями, водою і без змащування.

Поліаміди, поліетилен (низька міцність), вініпласт (невеликі навантаження), фторопласт (невеликі швидкості, токсичний, коефіцієнт тертя ƒ=0,04)

Епоксидні смоли ЕД-5 і ЕД-6 (адгезія до металів; наповнювачі: графіт, Al-пудра, склотканина, мілка чавунна стружка, Pl-порошок, дисульфід молібдену). Використання: підшипники компресорів (без змащування), підшипниках циркуляційних насосів, сільськогосподарські машини і магнітні пускачі.

Лаки (де змащування ускладнене)- акрилові, епоксидні і фенол-формальдегідні смоли.

Металофторопластові стрічкові антифрикційні матеріали.

ДУ і ДХ. ДУ- композиція політетрафторетилену, Pb і зпечена Sn-бронза.

Підшипники можуть працювати без мастильного матеріалу в широкому діапазоні температур (-200+280ºС), забезпечуючи достатню довговічність і малий коефіцієнт тертя.

ДХ- має в собі сополімер ацетальної смоли. Потребує невеликого змащування.

Матеріали для вузлів тертя, працюючих при високій температурі, в умовах високого вакууму.

Матеріали пар тертя, працюючих при високій температурі, повинні мати хороші показники жароміцності, теплопровідності, корозійної стійкості і опору термічної втоми, а при роботі без мастильного матеріалу на їх поверхні повинна утворюватися тонка і міцна захисна плівка, яка зберігає поверхню тертя від схоплювання.

Для роботи при високих температурах використовують тугоплавкі матеріали, спеціальні і тверді сплави, керамічні матеріали.

Мастильні матеріали: дисульфід молібдену, графіт, тонкі покриття із м’яких матеріалів (Сu, Ag), оксиди (PbO, B₂O₃), з’єднання вольфраму, молібдена і фтору; скловолокно і галогеновмісні сполуки.

З підвищенням температури коефіцієнт тертя спадає плавно або скачкоподібно. Границю його зміни 0,016-1,2. Пари однойменних матеріалів непрацездатні.

Численні критерії працездатності матеріалів в парах тертя.

Найбільш простим способом перевірки матеріалів пар тертя є розрахунки по середньому тиску.

Спосіб придатний для пар тертя, працюючих з малими швидкостями при невисоких температурах навколишнього середовища, і має мету забезпечити спряження від можливого заїдання. Для шарнірно-болтових з’єднань граничні значення питомих навантажень (МПа) можуть бути прийняті:

загартованої сталі по сталі- до 15;

загартованої сталі по бабіту- 9;

загартованої сталі по бронзі- 8;

загартованої сталі по чавуну- 6;

незагартованої сталі по бабіту- 6;

незагартованої сталі по бронзі- 5.

Якщо режим тертя пари визначається не тільки тиском, але й швидкістю ковзання V, то ведуть розрахунок по величині pV.

Уявлення про властивості матеріалів в парі тертя в зразках чи в деталях дає побудована по результатам випробувань pV – діаграма, на якій граничне значення p і V нанесені з відповідністю до найбільш лімітних умов роботи (механічна міцність, теплостійкість неметалічних матеріалів, порушення міцності масляної плівки, перехід від гідродинамічного змащування до полурідинного).

Деякі правила сполучення матеріалів.

Підбір найбільш підходящих матеріалів для пар тертя- ковзання можна в кожному окремому випадку зробити тільки на основі старанного вивчення умов роботи деталей, які труться, початкових властивостей матеріалів і тих змін, які вони терплять на поверхнях тертя, а також при вираховуванні інших обставин.

Деякі правила підбору матеріалів:

1. Сполучати твердий матеріал з м’яким ,який має температуру рекристалізації нище середньої температури поверхні тертя при роботі (проти заїдання, висока міцність). Пари: хром-гума (змащування: мінеральні масла і вода); хром-бронза (змащування: пластичні мастила)

2. Сполучати твердий метал з твердим (поєднування пар із азотованою, хромовою і загартованою сталями)- висока зносостійкість. Нанесення приробних покриттів підвищує надійність пар під час приробки. Обмежуються швидкостями ковзання

3. Уникати поєднання м’якого матеріалу з м’яким, а також пар з одноіменних матеріалів низька зносостійкість і ненадійність в роботі.

4. Використовувати в важкодоступних для змазки конструкціях, пористі, порошкові матеріали і антифрикційні сплави.

5. Використовувати в якості фрикційних і антифрикційних матеріалів пластмаси (підвищена надійність і термін використання вузла тертя, знижують масу конструкцій і втрати дефіцитних кольорових металів, зменшують вібрації і покращують акустичні властивості машин.

6. Прагнути шляхом підбору матеріалів пари тертя, змащувальних матеріалів і присадок до них, створювати при роботі пари умови реалізації режиму вибіркового переносу.

7. Враховувати можливість при експлуатації насичення воднем поверхонь тертя, що різко знижує зносостійкість і надійність роботи вузла тертя. Використовувати матеріали, які важко піддаються насиченню воднем.

8. Стальні деталі вузлів тертя при кінцевій доводці їх поверхні піддавати фінішній антифрикційній безабразивній обробці (ФАБО).

Конструкційні способи підвищення зносостійкості деталі.

Для пари, яка утворилася поверхнями тертя, які мають різні твердість і розміри, можна виділити дві умови:

1) H₁ > H₂; S₁ < S₂;

2) H₁ < H₂; S₁ < S₂;

Зворотні та прямі пари.

де, H₁; H₂- твердість поверхні тертя; S₁; S₂-відповідні площі нерівностей.

Пару, яка задовольняє першу умову назвемо прямою парою тертя, а ту, яка задовольняє другу умову - зворотньою парою. Недостатня надійність пари тертя в зв’язку з непідходящим підбором матеріалів може виявитися в схоплюванні і заїданні. Досвід експлуатації машин, стендові випробування деталей, які труться і лабораторні дослідження, показують, що зворотні пари тертя більш стійкі до заїдання, а при наявності заїдання мають менші пошкодження поверхонь.

Конструктивні засоби підвищення зносостійкості деталей можна розбити на такі групи:

1. Жорсткість, піддатливість і спеціальна конфігурація деталей.

2. Принцип взаємного доповнення якості (поверхнева термохімічна обробка; облицювання поверхонь, використання накладок і вставок; біметалізація)

3. Плаваючі деталі.

4. Заміна зовнішнього тертя внутрішнім тертям пружного елемента.

5. Заміна тертя ковзання на тертя кочення.

6. Способи встановлення вузлів, які зменшують монтажні і експлуатаційні напруження.

7. Врахування температурних деформацій деталей при терті.

8. Зазори в спряженнях.

9. Розвантаження робочих поверхонь.

10. Захист робочих поверхонь пар тертя від забруднення.