4.13 Трещинообразование на поверхности трения

4.13.1 Усталостное изнашивание

Возникает в деталях, подвергающихся длительному нагружению переменными по направлению и величине усилиям. Усталостные трещины берут начало на поверхности трения и входят, сужаясь, в глубь слоя. Развиваясь по длине, мелкие трещины образуют сетку на отдельных ограниченных или больших участках поверхности. Раскрытие трещин происходит под действием пульсирующего давления смазочного масла. На более поздней фазе трещина, достигнув основания антифрикционного слоя, изменяет свое направление, распространяясь по стыку между слоем и основанием, в результате отдельные участки поверхностного слоя обособляются от остального слоя, а затем выкрашиваются. Большую роль в отделении частиц, вероятно, играет смазочный материал, который, проникнув в трещину, как бы подрывает металл над ней. Иногда трещина не доходит до стыка и продвигается вблизи него и параллельно ему. Выкрашивание крупных кусков слоя может сопровождаться поверхностными язвинами.

Усталостное разрушение можно разделить на четыре стадии:

1. инкубационная. В отдельных зернах развиваются после некоторого числа циклов нагружения полосы скольжения, и в локальных объемах накапливаются искажения кристаллической решетки, что приводит к повышению микротвердости и предела жесткости при снижении модуля упругости. На некотором этапе этой стадии микротвердость начнет снижаться, оставаясь все же выше исходной.

2. разрыхление. В некоторых зернах, расположенных в наиболее напряженных объемах, в результате сдвигов появляются широкие полосы скольжения, в которых зарождаются поры и субмикроскопление трещин, развивающихся до микроскопических размеров.

3. распространение полое скольжение за пределы зерен и рост микротрещин вследствие концентрации напряжений из их концов до критического размера (макротрещин).

4. окончательное разрушение в результате самопроизвольного распространения макротрещин в образцах малого размера или из хрупких материалов.

Если усталостное разрушение происходит по границам зерен, то оно может завершиться еще до развития широких полос скольжения.

Субмикроскольжение трещины как дефект структуры существуют в исходном материале или образуются уже при малых статических или циклических нагрузках. Под действием переменных нагрузок, превышающих некоторый предельный диапазон, в наиболее напряженной зоне поверхностного слоя образуются трещины, дальнейшее изменение которой определяется общими условиями контакта.

Усталостное изнашивание зависит от режима работы и конструкции деталей, физических свойств материала и покрытия и др.

4.13.2 Трещинообразование термического происхождения

Растрескивание поверхностей трения в результате термического воздействия наблюдаются на поверхностях железнодорожных колес и тормозных колодок. При торможении происходит интенсивный нагрев колес и колодок, с затем их остывание. При этом на поверхности колес и колодок образуются трещины и подплавление металла. Образование трещины повышает износ поверхностей трения. При этом плоская кольцевая поверхность колес переформируется в волнообразную и на поверхности появляются темные полосы, чередующиеся со светлыми. Темные полосы на выступах- следы перегрева, светлые полосы- впадины.

Трещины на рабочих поверхностях признаются неизбежными и на некоторых стадиях развития не снижают надежности торможения, поэтому существуют допуски на трещины.

Тормозные колодки бракуют, когда трещины достигают глубины более 5 мм.

Мерой борьбы с терморастрескиванием является выбор материала. Чем выше теплопроводность материала, тем меньше температурное расширение, чем пластичнее металл, тем меньше вероятность образования в нем трещин.

Склонны к терморастрескиванию хрупкие и обладающие малой теплопроводностью материалы- стекло, керамика, твердые сплавы, закаленные стали, а также сплавы с большим содержанием никеля или с висмутом, которые обладают низкой теплопроводностью.

Высокая точность обработки поверхностей трения и тщательная их приработка- дополнительное средство борьбы с растрескиванием.

Трещинообразование от перенаклепа встречается в условия трения качения, когда твердость поверхности не настолько низка, чтобы произошла заметная пластическая деформация, и не настолько высока, чтобы предупредить микропластическую деформацию в пределах всей рабочей поверхности.