Виды изнашивания

Дата добавления: 2014-06-18 | Просмотров: 1775

Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивности и видам элементарных актов разрушения и изменений механических и физико-механических свойств материала под воздействием таких внешних факторов, как: среда, температура, давление, вид трения, скорость относительного перемещения и т. д. Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашивания и его интенсивность.

Вид изнашивания можно установить в первом приближении по внешнему виду поверхности трения. Для точного суждения может потребоваться анализ состава, физических и механических свойств тонких поверхностных слоев.

Вид повреждений не является присущим данной паре трения, а зависит от условий её работы. Изменение их приводит к изменению вида изнашивания или разрушению рабочих поверхностей. При некоторых условиях трене детали пары могут подвергаются разным видам изнашивания.

Изнашивание непосредственно связано со следующими определениями.

Интенсивность изнашивания - отношение значения износа обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.

Скорость изнашивания - отношение значения износа к интервалу времени, в течении которого он возник.

Износостойкость оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания.

Различают:

- механическое изнашивание - изнашивание в результате механического воздействия;

- коррозионно-механическое - изнашивание в результате механического воздействия,
сопровождаемого химическим и(или) электрохимическим взаимодействием материала со средой.

Абразивное изнашивание

Под абразивным понимается механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действие твердых тел или твердых частиц.

Различают:

-абразивное изнашивание о закрепленный абразив (например, при обработке резанием);

-изнашивание в абразивной массе, т. е. о незакрепленный абразив (плуги);

-ударно-абразивное изнашивание (шаровые мельницы, камнедробилки);

-гидро - и газоабразивное изнашивание - в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа (рабочие колеса центробежных насосов, стенки трубопроводов);

-контактно-абразивные - в результате действия абразивных частиц, находящихся в зазоре сопряженных деталей.

Здесь рассматриваются только последний вид абразивного изнашивания, как наиболее распространенный в машинах. Однако процессы при других его видах являются во многом аналогичными.

Внешним проявлением абразивного изнашивания является наличие рисок (царапин) по всей поверхности трения, обычно ориентированных в направлении движения. При этом риски имеют ровную гладкую поверхность и различимы невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

Абразивные частицы могут попасть в зазор пары трения извне, например, через фильтры и

уплотнения, или же образоваться при работе машины (нагар в ДВС, частицы изнашивания). Абразивное действие могут оказывать и грубые неровности на поверхностях трения.

Попавшие в зазор частицы под действием нагрузки могут впрессовываться (шаржироваться) в поверхности трения, дробиться на более мелкие фракции, скользить или перекатываться вдоль поверхности

Вследствие разнообразия форм, размеров, механических свойств абразивных частиц возникает

широкий спектр контактных напряжений. В результате на ФПК могут протекать процессы упругого и пластичного взаимодействия (оттеснения), микро резания или их сочетаний. Адгезионное взаимодействие при абразивном изнашивании обычно мало.

Наиболее опасным является микро резание, при котором интенсивность изнашивания от

10^-3 до10^-5.

Известны следующие методы снижения абразивного изнашивания:

1. Повышение твердости обеих сопряженных поверхностей выше 60% от твердости абразива
любыми способами кроме поверхностного пластического деформирования;

2. В металлических парах трения выбор оптимальной твердости более мягкого сплава
(например, баббита), при которой абразивные частицы поглощаются и надежно удерживаются;

3. Применение пластмассовых и резиновых деталей, имеющих низкий модуль упругости и
засчет этого снижающих напряжения до уровня упругих;

4. Создание надежных уплотнительных систем и систем фильтрации смазочных материалов и
рабочих сред;

5. Снижение концентрации абразивных частиц вблизи зоны трения, например, засчет
центробежного эффекта (сепарации).

Усталостное изнашивание

Под усталостным изнашиванием понимается механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъектов материала поверхностного слоя.

Усталостное изнашивание обычно имеет место в слабо загруженных парах трения или при малых скоростях скольженияпри практическом отсутствии химического взаимодействия материалов пары трения со средой, когда прочность образующихся адгезионных связей ниже прочности более мягкого материала. Оно может происходить как при трении скольжения, так и при трении качения (качения с проскальзыванием).

К усталостному разрушению поверхностных слоев могут приводить переменные напряжения, возникающие как на ФПК, так и на КПК и на НПК. В первом случае при скольжении одного тела по поверхности другого перед микронеровностями возникают волны из деформированного материала, отдельные участки которых подвергаются сложным напряжениям растяжения - сжатия. После прохождения микронеровности те же участки находятся в растянутом состоянии, в результате на ФПК возникают переменные напряжения.

При возникновении переменных напряжений на КПК и НПК усталостное изнашивание проявляется в виде отслаивания и выкрашивания. При отслаивании трещины, приводящих к отделению материала, зарождаются в глубине, а при выкрашивании - по поверхности трущихся тел. Методы снижения усталостного изнашивания.

1. Применение смазочных материалов (с учетом выше сказанного).

2. Повышение твердости и пластичности материалов.

3. Снижение нагрузки.

Изнашивание при заедании

Изнашивание при заедании - это изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Заедание - процесс возникновения и развития повреждений поверхности трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задир - повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. Обычно рассматривается как крайняя стадия заедания.

Схватывание при трении - явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении.

Перенос материала - явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материала одного тела соединяется с другим и, отрываясь от первого, остается на поверхности другого.

Изнашивание при заедании приводит к аварийным видам разрушения поверхностей. Причинами заедания обычно считаются:

- при трении без СМ: высокие фактические давления, приводящие к чрезмерному внедрению микронеровностей и разрушению защитных пленок, например, окисных. Повышение температуры и скорости способствует заеданию засчет снижения твердости и прочности материалов.

- при трении со СМ: разрушение граничных смазочных слоев при температурах выше критических или относительная толщина смазочной пленки ниже допустимой.

Способы борьбы с заеданием:

1. Использование СМ, содержащие ПАВ и химически активные присадки.

2. Снижение нагрузки (фактического давления).

3. Снижение скорости (температуры).

4. Подбор СМ с оптимальной вязкостью.

Эрозионное изнашивание

Эрозионное изнашивание - механическое изнашивание в результате воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под воздействием электрических зарядов также относится к эрозии.

Эрозию подразделяют на газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. Могут быть сочетания отдельных видов.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. Скорость изнашивания в этом случае мала. Большая роль принадлежит динамическому действию потока или струи.

Эрозия весьма часто протекает вместе с коррозией.

Кавитационное изнашивание

Кавитационное изнашивание - это механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает высокое местное ударное давление (до 10 000 МПа) или высокую температуру.

Суть кавитационного воздействия заключается в том, что при замыкании до исчезновения парогазовых пузырей у поверхности детали она подвергается микроскопическим гидроударам.

Однако их количество и интенсивность настолько велики (в некоторых случаях на 1 см² в течение 1с могут образоваться и разрушиться более 30 млн. пузырьков), что поверхность металла начинает деформироваться и подвергаться наклепу. Многократно повторяющиеся удары вызывают перенаклеп и разупрочнение материала на отдельных участках, сопровождающиеся возникновением очагов разрушения в виде трещин. Сначала разрушаются менее прочные составляющие, затем - остальные. Предупреждать кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования. Возможно также осуществление таких конструкций и режимов работы, при которых захлопывание пузырьков происходит вне поверхности детали, в объеме жидкости (антикавитационные корабельные винты).

Изнашивание при фреттинге

Изнашивание при фреттинге - механическое изнашивание при колебательном относительном микроперемещении.

Окислительное изнашивание

Окислительное изнашивание - коррозийно-механическое изнашивание, при котором

Основное влияние оказывает химическая реакция материала с кислородом или окислительной окружающей средой.

Этот вид изнашивания происходит в том случае, когда на соприкасающихся поверхностях образуются пленки окислов, которые в процессе трения разрушаются и вновь образуются. Продукты изнашивания состоят из окислов.

Интенсивность изнашивания может быть весьма значительной, но поверхность трения сохраняет малую шероховатость, т. к. пленки химических соединений препятствуют схватыванию поверхностей.

Для окислительного изнашивания необходимо, чтобы промежуток времени между последовательными разрушениями пленки был достаточен для образования пленки относительно

большой величины. В случае разрушения окислов высокой твердости изнашивание будет носить характер абразивного.

Методы снижения окислительного изнашивания.

1. Применение СМ.

2. Повышение твердости поверхностей для снижения пластической деформации.

3. Понижение в допускаемых пределах поверхностной температуры засчет снижения
температуры окружающей среды, скорости и нагрузки. Допускаемое снижение температуры
определяется необходимой скоростью химических реакций.

Изнашивание при фреттинг-коррозии

Это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Изнашивание при фреттинг-коррозии проявляются при амплитудах от 8 * 10 ^-7 мм до 2,5 мм, при этом скорости скольжения имеют порядок 1 мм/с. При изнашивании затруднен вывод продуктов износа и протекают схватывание, микрорезание, усталостное разрушение, сопровождающееся коррозией.

Внешнее проявления:

- натиры, т. е. участки поверхности трения, отличающиеся по цвету (окрашенные пятна):

- наличие металла;

- вырывы или раковины, часто заполненные порошкообразными продуктами коррозии;

- полосы или канавки локального износа;

- поверхностные микротрещины.

Методы снижения износа при фреттинг-коррозии:

1. Увеличение натяга прессовых посадок.

2. Использование демпфирующих устройств для гашения вибраций.

3. Улучшение подвода СМ.

4. Увеличение диаметра вала.

5. Введение разгрузочных канавок.

6. Применение упругих покрытий (полимеры, резина).

7. Замена трения скольжения на трение качения.

8. Использование бесконтактных уплотнений.

9. Упрочнение поверхностей.

Помимо вошедших в классификацию видов изнашивания рассмотрим еще два, открытых в последнее десятилетия, а именно водородное изнашивание и изнашивание при избирательном переносе.

Водородное изнашивание

Водородное изнашивание - это изнашивание, приводящее к повышенному износу под влиянием водорода, взаимодействующего с материалами поверхностей трения. (Поляков А. А. , Гаркунов Д. Н. конец 60-х годов).

Водород выделяется при трибодеструкции материалов пары трения или окружающей среды (СМ, вода, топливо), затем адсорбируется на поверхности, диффундирует вглубь материала, где накапливается и ускоряется изнашивание (водородная хрупкость).

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей.

Ранее считалось, что максимальная температура при трении возникает на поверхности трущейся детали. Но в последние годы теоретически А. В. Кудимов, а затем экспериментально В. Я. Матюшенко установили, что при тяжелых режимах трения максимальная температура образуется не на поверхности детали, а на некоторой глубине. Это создает условия, при которых водород диффундирует вглубь поверхности, там концентрируется и вызывает охрупчение поверхностных слоев.

Водородное изнашивание присутствует и при трении качения. Действие его заключается в снижении контактной усталости, обусловленном присутствием воды в смазочном материале или топливе. Характерным примером является тяжелонагруженные подшипники авиационных двигателей.

Методы снижения водородного изнашивания.

1. Выборы материалов, наименее подверженных наводорожииванию и водородному
охрупчиванию: цветные металлы; стали, легированные Cr, Тi, V.

2. Применение СМ, менее подверженных гидрогенизации.

3. Применение медных сплавов с минимальным содержанием Sb, Fs, S.

4. Снижение температуры, скорости скольжения и нагрузки в узлах трения.

Введение в полимерные материалы в качестве наполнителя закиси меди, связывающей водород. 6. Применение обезводорадивающих технологических операций при обработке деталей: отжиг, полирование.

Изнашивание при избирательном переносе

Эффект избирательного переноса поясняет формулировка открытия №41, зарегистрированного в 1965 году, авторами которого является И.В.Кррагельский и Д.Н.Гаркунов:

«Обнаружено, что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения».

Существенное снижение интенсивности изнашивания за счет избирательного переноса (в несколько раз) получило название эффекта безизносности.

Из определения следует вывод, что трение и изнашивание при избирательном переносе происходит при наличии дополнительной, по сравнению с обычными условиями, разделительной пленки. Эта пленка, обычно медная, называется сервовитной - «спасающей жизнь».

Факторы, вызывающие безизносность.

1. Контактирование поверхностей происходит через мягкий слой металла (меди), основной
металл испытывает пониженные (~ в 10 раз) давления засчет увеличения ФПК.

2. Металлическая пленка в процессе деформации не упрочняется и может многократно
деформируется без разрушения.

3. Трение происходит без окисления поверхности, эффект Ребиндера реализуется в большей
степени в тонком поверхностном слое.

4. Продукты изнашивания переходят с одной поверхности на другую и обратно, удерживаясь в
зоне трения электрическими силами.

5. На поверхности сервовитной пленки образуются продукты полимеризации смазочного
материала.

6. Сервовитная пленка защищает сталь от проникновения водорода и засчет снижения нагрузок
практически исключает выделение водорода из СМ.

эффект безизносности реализован:

- в парах трения сталь-медный сплав, или композиция на основе меди, при смазывании глицерином, минеральными маслами, нефтью и т. п.

-в парах трения сталь-сталь, сталь-чугун при смазывании СМ, содержащим медный порошок (металлоплакирующие СМ).

-в парах трения сталь- фторопласт, наполненный бронзой, в т. ч. Без СМ.

Дополнительные замечания

После рассмотрения отдельных видов изнашивания необходимо сделать несколько замечаний:

1. На поверхностях трения обычно реализуется несколько видов изнашивания, один из которых
является доминирующим.

2. Данный вид изнашивания реализуется с постоянной интенсивностью только при постоянном
режиме работы (скорость - нагрузка - температура - рабочая и окружающая среда) и постоянных
условиях в контакте, определяемых свойствами и составом поверхностных слоев продуктов изнашивания.

3. При изменении режима работы или условий в контакте происходит либо изменение вида
изнашивания (т.н. критические точки), либо интенсивности изнашивания.

4. При трении деталей после технологической обработки или после изменения режима работы
протекает процесс изменения свойств поверхностных слоев, называемый приработкой. Приработка
обычно проявляется в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.