книги / Трибология

в) резание микростружек абразивной частицы; г) контактная усталость;

д) выплавление микрообъемов высокой локальной температуры.

Окислительное изнашивание наблюдается при трении металлов и сплавов без смазочного материала или при недостаточном его количестве и повышенных температурах окружающей среды.

Окислительное изнашивание – это процесс разрушения поверхностных структур, образующихся на металлических поверхностях при трении в присутствии атмосферного кислорода. В отличие от других видов коррозионно-механического изнашивания оно происходит при отсутствии агрессивной среды и характеризуется малой шероховатостью изнашиваемых поверхностей, на которых образуются пленки окислов. Эти пленки разрушаются при длительном трении и образуются вновь, а продукты износа состоят из окислов.

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

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей. Водород выделяется из материалов деталей пары трения или из окружающей среды (смазочный материал, рабочая жидкость – топливо, вода) и ускоряет изнашивание. Водородное изнашивание вызывается следующими процессами, происходящими в зоне трения:

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

адсорбцией водорода на поверхностях трения;

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

91

особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования и эффектом накопления водорода, характерным для мгновенного разрушения образования мелкодисперсного порошка изнашиваемого материала.

Коррозионно-механическое изнашивание. В агрессивных средах разрушение поверхности твердого тела происходит под влиянием 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 неэлектропроводными агрессивными жидкостями; электрохимическая коррозия – при контакте металлов с электролитами (водные растворы кислот, щелочей, солей). При этом наблюдается два процесса: анодный (непосредственный переход атомов металла в раствор в виде ионов) и катодный (ассимиляция избыточных электронов атомами или ионами раствора). В результате в зоне трения возникает электрический ток.

На обнажающихся при трении поверхностях образуются пленки, обладающие свойствами, отличными от свойств пленок, образующихся при трении вне агрессивной среды при обычном окислительном изнашивании. Если образующаяся пленка легко удаляется,может возникнутьсхватываниеиповреждениеповерхностей.

Изнашивание при фреттинг-коррозии. Фреттинг-корро-

зией называют процесс разрушения плотно контактирующих поверхностей в результате малых колебательных относительных перемещений. Для возбуждения фреттинг-коррозии достаточно перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разрушение материала проявляется в образовании на соприкасающихся поверхностях мелких язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка.

Продукты износа не могут выйти из зоны контакта, в результате чего возникает высокое контактное давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.

92

Фреттинг-коррозия в виде язвин и продуктов коррозии наблюдается на сопряженных поверхностях валов и напрессованных на них дисков, колес, муфт и колец подшипников каче-

ния (рис. 6.5).

аб

Рис. 6.5. Повреждение в результате фреттинг-коррозии фланца корпуса компрессора (а), шестерни (б)

Эрозионное изнашивание – разрушение поверхности материалов вследствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара в чистом виде слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала.

Из-за динамического действия потока или струи возможен вырыв отдельных объемов или групп зерен. В пластичных материалах, обладающих способностью наклепываться, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпывается, эти участки разрушаются, вымываются.

Жидкость, внедряющаяся при ударах в образовавшиеся микротрещины, ведет себя подобно клину, раздвигая боковые стенки.

Эрозия в начальный период на гладкой поверхности развивается весьма медленно, но после появления пораженных мест усиливается (рис. 6.6).

93

Рис. 6.6. Поверхность поршневого кольца авиационного двигателя, пораженная эрозией

Кавитационное изнашивание. Под кавитацией понимают явление образования в движущейся по поверхности твердого тела жидкости пустот в виде пузырей, полос и мешков, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препятствий на его пути давление может упасть до давления, соответствующего давлению парообразования при данной температуре.

При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром

игазами, выделившимися из жидкости. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар концентрируется, газы растворяются, и в образовавшиеся пустоты с громадным ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока. У поверхности детали возникают микроскопические гидравлические удары. Под воздействием ударов поверхность металла начинает деформироваться

инаклепываться на малую глубину; появляются линии сдвига,

ипроисходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен. Многократно повторяющиеся удары вызывают возникновение очагов разрушения в виде трещин

(рис. 6.7).

94

Рис. 6.7. Гильза дизеля, изношенная кавитацией

Усталостное изнашивание. Усталостным называется механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Оно возникает как при трении качения, так и при трении скольжения.

В процессе трения на рабочей поверхности деталей возникают максимальные напряжения сжатия, а по глубине материала распространяются направленные касательные напряжения, максимум которых концентрируется на некотором расстоянии от точки контакта (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Схема распределения касательных напряжений, возникающих при качении цилиндра по плоскости

Интенсивность усталостного изнашивания определяется рядом факторов: наличием остаточных напряжений и поверхностных концентраторов напряжений (окислов, дислокаций); ка-

95

чеством поверхности (микропрофиль, 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.

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. 6.9). В результате такого знакопеременного циклового воздействия в микрообъемах материала накапливаются повреждения, снижающие его прочность. Накопление усталостных микроповреждений ведет к разрушению поверхностных слоев материала в зоне трения.

Рис. 6.9. Схема напряженно-деформированного состояния: 1 – зона упругопластических деформаций; 2 – зона упругих деформаций

Процесс катастрофического усталостного изнашивания протекает следующим образом (рис. 6.10, а). Первоначально на трущейся поверхности 1 образуются усталостные микротрещины 2. Смазочный материал, попадая в микротрещины, способствует их расклиниванию 3 и выкрашиванию частиц 4 металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие оспины (питтинг). Число этих оспин и одновременно их размеры увеличиваются до тех пор, пока увеличивающиеся контактные

96

напряжения на рабочих поверхностях не приведут к пластической деформации и интенсивному изнашиванию детали. Толщина разрушенного слоя металла примерно соответствует глубине распространения под поверхностью максимальных касательных напряжений.

Рис. 6.10. Схема усталостного изнашивания поверхности:

а– возникновение первичной микротрещины на поверхности;

б– возникновение микротрещины в подповерхностном слое

Взависимости от соотношения нормальной и тангенциальной составляющих сил в контакте, а также от структуры материала

иего физико-механических свойств первичная микротрещина может зародиться в подповерхностном слое. Механизм разрушения протекает в этом случае следующим образом (рис. 6.10, б): 1 – зарождение подповерхностной дислокации; 2 – процесс накопления дислокаций; 3 – образование полостей; 4 – слияние полостей, что приводит к образованию микротрещин, параллельных поверхности 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 поверхность.

Заедание – наиболее опасное разрушение трущихся поверхностей, возникающее при схватывании. В результате обра-

97

зуются глубокие борозды, вырывы, оплавление. Заедание может иметь лавинный, катастрофический характер и полностью вывести узел трения из строя. Обязательным условием заеда-

ния является разрушение промежуточных смазочных	слоев
и взаимодействие чистых (ювенильных) поверхностей.	Разру-

шение защитных смазочных слоев наступает при пластической деформации или при повышении температуры в зоне контакта, а также из-за срабатывания смазки или недостаточного ее поступления. Перед заеданием разрушаются оксидные слои и адсорбированные пленки. Повышенные температуры вызывают размягчение материала, удаление поверхностных пленок, рост фактической площади контакта.

Пластическая деформация активирует поверхности трения, возникает неравновесное электронное состояние, активизируются атомы поверхности. Электронный обмен приводит к образованию узлов схватывания (рис. 6.11), образованию прочных химических связей. Образуются также общие зерна в местах контакта, идут диффузионные процессы. В момент возникновения схватывания резко увеличивается коэффициент трения скольжения. Повышается температура. При больших скоростях интенсивная пластическая деформация и теплота могут вызвать оплавление поверхности. Схватывание может происходить и при длительном неподвижном контакте деталей в окислительной среде (воздух, водяной пар). В этих условиях осуществляется сращивание окисных пленок в зазоре материала на рабочих поверхностях деталей сопряжения.

Рис. 6.11. Схема формирования узла схватывания: 1 – узел схватывания; 2 – линия разрыва материала

98

В процессе приработки при малой исходной шероховатости поверхностей (RZ = 0,5…2 мкм) высоты неровностей преимущественно увеличиваются вследствие молекулярного взаимодействия. В результате схватывания рабочих поверхностей деталей, возникающего под действием сил молекулярного притяжения, происходит разрушение материала, появляются новые неровности, и таким образом формируется шероховатость, отличная от исходной (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Схема формирования равновесной шероховатости в процессе приработки: А – зона схватывания при малой (0,5…1,5 мкм) начальной шероховатости; Б – зона равновесной шероховатости; В – зона микрорезания при большой (3…5 мкм) начальной шероховатости

Тест для самоконтроля

1. Какие стадии изнашивания наблюдаются при внешнем трении?

1)приработка, катастрофическое изнашивание

2)период установившегося режима, катастрофическое изнашивание

3)приработка, период установившегося режима, период увеличения энергетических характеристик трения, катастрофическое изнашивание

4)приработка, период установившегося режима, катастрофическое изнашивание

99

2.В результате какой стадии изнашивания происходит изменение характеристик исходной шероховатости поверхностей и образование новой, равновесной шероховатости?

1) период приработки

2) период установившегося режима

3) период увеличения энергетических характеристик трения

4) период катастрофического изнашивания

3.Накакойстадииинтенсивностьизнашиванияминимальна? 1) период приработки 2) период установившегося режима

3) период увеличения энергетических характеристик трения

4) период катастрофического изнашивания

4.На какой стадии пара трения становится неработоспо-

собной?

1) период приработки

2) период установившегося режима

3) период увеличения энергетических характеристик трения

4) период катастрофического изнашивания

5.Какие феномены (явления) происходят одновременно при изнашивании?

1) увеличение энергетических характеристик трения

2) разрушение поверхностей 3) физико-химические изменения, происходящие в по-

верхностном слое материала 4) взаимодействие поверхностей трения

6.Каким может быть взаимодействие поверхностей трения? 1) контактным 2) бесконтактным 3) молекулярным 4) механическим

100