книги / Трибология

Жидкие и пластичные смазочные материалы по исходному сырью (происхождению) подразделяют на минеральные (нефтяные), органические (животного и растительного происхождения), синтетические, полусинтетические (состоит из минеральных и синтетических элементов).

Тест для самоконтроля

1.Каково назначение смазочных материалов? 1) уменьшение сил трения 2) увеличение сил трения

3) повышение интенсивности изнашивания деталей машин

4) снижения интенсивности изнашивания деталей машин

2.К чему приводит применение смазочного материала? 1) к отводу теплоты из зоны трения 2) к защите рабочих поверхностей деталей от коррозии 3) к подводу теплоты к зоне трения

4) к более равномерному распределению давления и темпе-

ратуры

3.В каких физических состояниях могут быть смазочные материалы?

1) жидкие

2) газообразные

3) пластичные

4) твердые

4.Как классифицируют по назначению и области применения жидкие смазочные материалы?

1) моторные масла

2) трансмиссионные масла

3) индустриальные масла

4) вакуумные масла

81

5.Как называется свойство смазочного материала оказывать сопротивление деформации при внешнем воздействии?

1) совместимость смазочных материалов

2) консистенция смазочного материала

3) вязкость смазочного материала

4) смазочная способность смазочного материала

6.При какой температуре пластичный смазочный материал переходит в жидкое состояние?

1)100…200 С

2)150…250 С

3)200…300 С

4)700…800 С

7.Какие группы пластичных смазочных материалов в зависимости от назначения устанавливает ГОСТ 23258–78?

1) моторные, трансмиссионные, индустриальные

2) антифрикционные, защитные, тросовые, уплотнительные

3) антифрикционные, консервационные, канатные, уплотнительные

4) минеральные, органические, синтетические, полусинтетические

8.Как подразделяют по исходному сырью (происхождению) жидкие и пластичные смазочные материалы?

1) моторные, трансмиссионные, индустриальные

2) антифрикционные, защитные, тросовые, уплотнительные

3) антифрикционные, консервационные, канатные, уплотнительные

4) минеральные, органические, синтетические, полусинтетические

82

6. ИЗНАШИВАНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

При изнашивании происходит нарушение фрикционных связей. Эти связи возникают на поверхностях двух тел под действием нормальных и тангенциальных сил и исчезают при снятии этих сил.

На рис. 6.1 показано пять основных видов нарушения фрикционных связей. Первые три вида наблюдаются при механическом взаимодействии, последние два – при молекулярном. В зависимости от величины адгезии и относительной глубины внедрения имеет место: упругое оттеснение материала (рис. 6.1, а); пластическое оттеснение материала (рис. 6.1, б); срез внедрившегося материала (рис. 6.1, в); схватывание пленок, покрывающих поверхности твердых тел, и их разрушение (рис. 6.1, г); схватывание поверхностей, сопровождающеесяглубиннымвырываниемматериала(рис.6.1,д).

Рис. 6.1. Основные виды нарушения фрикционных связей

При внешнем трении наблюдается три стадии: приработка, период установившегося режима, катастрофическое изнашивание (рис. 6.2). Приработка – процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

В результате приработки происходит изменение характеристик исходной шероховатости поверхностей и образование

83

новой, равновесной шероховатости, которая сохраняется на протяжении всей последующей стадии процесса – установившегося режима.

Рис. 6.2. Зависимость износа от пути трения: I – приработка; II – установившийся режим; III – катастрофический износ

Процесс приработки сопровождается механическим упрочнением поверхностей (наклепом), что способствует реализации упругого фрикционного контакта, при котором интенсивность изнашивания минимальна.

После того, как в результате определенного времени работы износ сопряжений достигает предельной величины, возникает режим катастрофически быстрого изнашивания, и пара трения становится неработоспособной.

Одной из основных черт процесса изнашивания является его усталостный характер. Для того чтобы с элемента поверхности трения отделилась частица износа, необходимо его многократное воздействие с неровностями поверхности сопряженного тела. В результате этих взаимодействий в микрообъемах вещества, примыкающих к поверхности трения, происходит постепенное накопление повреждений, что в конце концов приводит к разрушению микрообъемов поверхности. Усталостный характер изнашивания проявляется при любых видах деформаций на контакте, как пластических, так и упругих.

84

6.1. Механизм изнашивания

Из-за различных напряженных состояний пятен касания при изнашивании одновременно происходят непрерывно переплетающиеся и взаимно влияющие друга на друга три феномена:

1)взаимодействие поверхностей трения;

2)физико-химические изменения, происходящие в поверхностном слое материала;

3)разрушение поверхностей.

Взаимодействие поверхностей трения может быть молекулярным и механическим. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Вследствие адгезии может потребоваться приложение касательной силы для относительного сдвига поверхностей, на которых могут образоваться вырывы материала. Известно, что только при разрушении масляной пленки и взаимном внедрении поверхностей металлических материалов может возникнуть схватывание. Оно отличается от адгезии более прочными связями. Механическое взаимодействие характеризуется взаимным внедрением и зацеплением неровностей контактирующих пятен поверхностей, находящихся под давлением.

Деформация, повышение температуры и химическое действие окружающей среды при трении в поверхностном слое вызывают изменения материала.

Многократные упругие и пластические деформации микронеровностей поверхностей скольжения приводят к разрыхлению структуры и к накоплению дефектов, а многократные упругие деформации поверхностей качения из-за несовершенства структуры материала и неровностей поверхности приводят к усталостному выкрашиванию.

Пластическое деформирование изменяет структуру металла поверхностного слоя и складывается из четырех наиболее важных элементарных процессов: скольжение по кристаллографическим плоскостям; двойникование кристаллов; отклонение

85

атомов от правильного расположения в решетке и их теплового движения; разрушение структуры.

Смещение кристаллических зерен сопровождается частичным нарушением связей, появлением различных дефектов структуры (дислокаций, вакансий), увеличением их плотности. В результате при возрастании напряжений при многократном их повторении происходит объединение дефектов, появляются микротрещины, разрыхление и разрушение структуры.

Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя – его упрочнению, при котором кристаллы сильно деформируются и поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации, т.е. в направлении скольжения. В то же время у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость у поверхности также снижается, увеличиваясь по мере удаления от поверхности и достигая максимума на некоторой глубине.

По условиям эксплуатации изделия или в результате трения температура поверхностных слоев может быть выше температуры рекристаллизации. В этих случаях поверхностный слой не наклепывается, а переходит в состояние повышенной пластичности, размягчения. В результате происходит выглаживание поверхности за счет растекания всего металла или одной легкоплавкой фазы сплава.

Высокая температура и пластическая деформация способствуют развитию диффузионных процессов; в итоге возможно обогащение поверхностного слоя некоторыми элементами (например, углеродом), коагуляция структурных составляющих, взаимное диффузионное растворение материалов деталей пар трения.

При значительном локальном повышении температуры и последующем резком охлаждении поверхности окружающей холодной массой металла на поверхности могут образовываться закалочные структуры. Высокие градиенты температур в совокупности с пластической деформацией и структурно-фазовыми превращениями создают в металлах высокие внутренние напря-

86

жения, которые могут порождать дефекты структуры и ее ослабление или разрыхление.

В условиях высоких удельных нагрузок и температур при трении возможно образование магмы-плазмы (рис. 6.3). Взаимодействие микроконтактов происходит за очень короткое время (10–7…10–8 с), в течение которого к контакту подводится большое количество энергии. Валентные электроны отрываются и образуются ионы, а состояние вещества переходит в плазменное.

Рис. 6.3. Модель магмы-плазмы:

1 – исходная структура; 2 – расплавленная структура; 3 – плазма; 4 – электроны трибоэмиссии

На пятнах контакта вещество в течение некоторого времени находится во всех четырех агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном и плазменном).

Процесс образования в зоне соударения неровностей поверхностей магмы-плазмы сопровождается эмиссией электронов.

Вследствие мгновенной локализации энергии на пятнах контакта в материале происходят такие физические и химические процессы, которые не согласуются с законами классической термодинамики.

В среде воздуха или смазочного масла на обнаруживающихся при изнашивании чистых металлических поверхностях образуются окисные пленки в результате действия кислорода,

87

содержащегося в воздухе или масле и его перекисях. Окисные пленки предохраняют поверхности от схватывания и связанного

сним глубинного вырывания.

Вразных условиях и различных парах трения после приработки всегда устанавливается одинаковая «равновесная» шероховатость. Равновесная шероховатость воспроизводится в процессе изнашивания поверхностей и остается в среднем постоянной. Исходная микрогеометрия поверхностей трения не оказывает влияния на равновесную шероховатость.

6.2. Виды разрушения рабочих поверхностей деталей машин

Виды разрушения рабочих поверхностей деталей при трении многообразны, что связано с совокупным действием механических, физико-химических, электрохимических и других процессов при контакте и с условиями окружающей среды (температуры, влажности и т.п.). Основными факторами, определяющими повреждения поверхностей и износ, являются:

пластические деформации, разрушение микронеровностей и оксидных пленок в результате внедрения отдельных участков поверхности одной детали в сопряженную поверхность другой детали и их взаимного смещения; адгезионное схватывание и перенос металла с одной детали на другую;

наводороживание и окислительные процессы;

разрушение «мостиков» схватывания и др.

Название вида изнашивания определяется доминирующей причиной, обусловливающей разрушение поверхностей.

Экспериментальные исследования и опыт эксплуатации показали, что механизм и характер разрушения рабочих поверхностей деталей пар трения при различных уровнях и природе смазки могут существенно отличаться у материалов, сопоставимых между собой по механическим или каким-либо иным свойствам.

88

Рассмотрим основные виды изнашивания, присущие рабочим поверхностям деталей при трении.

Абразивное изнашивание обусловлено наличием в зоне трения абразивной среды. Зерна абразива могут попадать на трущиеся поверхности извне, содержаться в материале трущихся пар или в продуктах износа. Сущность абразивного износа заключается в разрушении поверхностных контактирующих слоев материала трущихся пар твердыми абразивными частицами.

Взаимодействие абразива с деталью происходит в два этапа: на первом происходит внедрение абразива в тело детали, на втором – относительное перемещение детали и внедрившегося в ее поверхность абразива. Оно сопровождается деформированием, микроцарапанием, микрорезанием поверхности трения. Многократное повторение таких элементарных актов приводит к отделению объемов металла, разрушению, изменению формы и размеров детали.

Износ поверхности рабочих органов при абразивном износе выражается в виде направленных микро- и макроцарапин длиной до 50 мм и глубиной до 6 мм, а также микровырывов средней площадью до 10 мм2 при глубине от 5 до 5000 мкм.

В зависимости от состояния, состава и свойств абразива, от его взаимодействия с поверхностью рабочего органа можно выделить несколько разновидностей абразивного износа.

Изнашивание незакрепленным абразивом наблюдается при переработке сыпучего или малоуплотненного абразивного материала.

Абразивное изнашивание с ударами происходит в процессе эксплуатации, когда кроме скользящего действия абразива детали испытывают ударные нагрузки, т.е. подвергаются динамическому воздействию.

Ударно-абразивный износ характеризуется прямым динамическим внедрением абразивного зерна в поверхность изнашивания без последующего направленного движения по ней. Макрорельеф поверхности изнашивания имеет бугристый вид с хорошо различимыми лунками, разделенными перемычками.

89

Газоабразивный износ вызывается механическим воздействием твердых частиц, перемещаемых в потоке газа. Сходен с ним гидроабразивный износ, заключающийся в разрушении контактирующих поверхностей металла абразивными частицами, находящимися в жидкой среде и перемещающимися с этой средой.

Интенсивность изнашивания металлов J под действием струи абразивных частиц пропорциональна скорости частиц V:

J = Vm,

(6.1)

где – коэффициент пропорциональности, зависящей от материала детали и угла атаки; m – показатель степени, зависящий от материала детали (для стали m = 2,3; для закаленной стали m = 2,5). Пример поверхности, подвергнутой абразивному износу, представлен на рис. 6.4.

аб

Рис. 6.4. Поверхность резины после испытания на абразивное изнашивание по бетонным дорогам с грубой (а) и гладкой (б)

поверхностями

При изнашивании в струе абразивных частиц происходят следующие процессы:

а) разупрочнение поверхностного слоя детали; б) разрушение поверхности в результате высоких кон-

тактных напряжений;

90