🗊Презентация Основные характеристики и виды изнашивания

Основные характеристики и виды изнашивания Относительные перемещения контактирующих поверхностей и их механические взаимодействия приводят не только к изменениям состояния и свойств материалов поверхностных слоев, но и к их разрушению. Обычно разрушение происходит в форме отделения от поверхностей трения мелких частиц материала, что приводит с течением времени к изменению размеров и формы контактирующих деталей. Это явление и называют изнашиванием. Следует иметь в виду, что изнашивание является сложным многоуровневым процессом. Основным инициатором изнашивания является деформация материала контактирующих поверхностей под действием контактных напряжений и температурные флуктуации. Их следствием является накопление дефектов структуры с концентрацией в поверхностном слое: текстурирование материала в направлении скольжения; химические реакции материала пары с активными компонентами среды; перенос вещества с поверхности трения в глубину либо обратно; обмен веществом контактирующих тел и т.д. Основные понятия, термины и определения в области изнашивания регламентированы ГОСТ 23.002-78. В частности, по этому ГОСТУ результат изнашивания определен термином износ.

Износ, интенсивность изнашивания Величину износа определяют в единицах длины, объема, массы, а износ за единицу времени - как скорость изнашивания, м/ч: где Δh - величина износа, (линейный износ) или толщина удаленного слоя, м; t - время, ч. Широко распространена другая характеристика изнашивания - интенсивность изнашивания: где h - величина износа, м, а L - путь трения, м. Представление о характере изнашивания можно получить из краткого обзора основных разновидностей изнашивания. Их описание предварим следующим замечанием. В трибологии принято за основу классификации видов изнашивания принимать отчетливо наблюдаемый или иным образом установленный преобладающий вид разрушения поверхностей трения.

Усталостное изнашивание К усталостному изнашиванию относят случаи, когда при работе узлов трения отсутствуют аномальные повреждения (схватывания, задиры, микрорезание, прижоги поверхностей и т.п.), трение протекает в нормальных условиях, имеется смазка, но тем не менее вследствие трения материал поверхностного слоя «устает» и начинает отделяться в виде частиц износа. Здесь проводится аналогия с понятием «усталостная прочность». Различают усталостное изнашивание двух видов: многоцикловое и малоцикловое. Многоцикловое изнашивание возникает при упругом контактировании. Многократное воздействие на микровыступ приводит к постепенному накоплению микродефектов, образованию микротрещин, при слиянии которых образуются поверхностные макротрещины, вызывающие разрушение материала и отделение частиц износа. При малоцикловом изнашивании совместное действие нормальной и касательной нагрузок при трении приводит к тому, что максимальное касательное напряжение возникает не на поверхности, а под пятном контакта на небольшой глубине,

где накапливаются повреждения и образуются трещины. У хрупкого материала трещина возникает на поверхности. Малоцикловое изнашивание наблюдается при пластическом деформировании поверхностей (без резания) более мягкого материала выступами более твердого. В местах такого деформирования нередко образуются боковые навалы, которые при последующих проходах тоже могут отделяться в виде продуктов износа. Особым проявлением многоциклового изнашивания является так называемый питтинг (англ. pit - углубление), возникающий на дорожках качения подшипников при пульсации нагрузки. Питтинг возникает в результате многократного деформирования поверхностей, нагружаемых телами качения. Язвы питтинга часто называют выкрашиванием. Кроме подшипников и направляющих качения, такой износ характерен для зубьев шестерен, шлицевых соединений и ряда других контактных пар.

Абразивное изнашивание Абразивные частицы производят на поверхностях трения разрушительное действие в двух основных формах. Острые абразивные частицы царапают, совершают хаотический процесс микрорезания, что наблюдается, например, при работе почвообрабатывающих или горных машин. Второй характерный механизм изнашивания - деформационное действие «тупых» абразивных частиц, которые не царапают, а выдавливают лунки или бороздки и вызывают при многократном повторении локальные усталостные разрушения. Еще одной разновидностью абразивного износа является гидроабразивный износ. Гидро- и газоабразивный износ возникает при действии на поверхность потоков газа или жидкости, содержащих частицы абразива. При отсутствии абразивных частиц в струях жидкостей или газов наблюдается эрозионный износ. К данной разновидности изнашивания близок кавитационный износ. Кавитационный износ возникает, когда жидкость обтекает края препятствий, например лопаток насосов, турбин. На краях препятствий резко изменяется скорость течения, образуются разрывы в кавитационные образования, заполненные паром, которые, захлопываясь создают ударные волны. Многократное ударное воздействие расшатывает кристаллы металлической поверхности, которые через некоторое время выкрашиваются.

Коррозионно-механическое изнашивание К такой разновидности изнашивания относят окислительный износ, фреттинг-коррозию и водородный износ. Окислительный износ связан с активацией окислительных процессов поверхностных слоев трущихся поверхностей за счет пластической деформации, повышенной температуры, действия циклических нагрузок и наличия кислорода в смазке и окружающей среде. При окислительном изнашивании вначале, когда пленки окислов тонки (порядка долей микрометра) и эластичны, они играют положительную роль и предохраняют поверхности от повреждений. Но по мере роста они становятся толстыми, хрупкими и разрушаются при нагрузках, которые вначале легко переносили. Таким образом, окислительное изнашивание - это процесс, при котором разрушается не материал изнашиваемой детали, а его вторичные структуры - оксиды, образующиеся в процессе трения. Самой агрессивной формой окислительного износа является фреттинг-коррозия (англ. Fret - разъедать). Фреттинг-коррозия наблюдается в номинально неподвижных соединениях, подверженных вибрации. Отделившиеся частицы абразивно воздействуют на поверхность. Характерные объекты подобного изнашивания - замки лопаток различных турбин, резьбовые соединения, работающие в динамически напряженных условиях.

Водородное изнашивание Водородный износ наблюдают в резьбовых соединениях, золотниковых и плунжерных парах, тормозных дисках и других узлах трения. Водород в парах трения образуется в атомарной форме при электрохимико-термическом разложении воды, смазок, пластмасс. Такой водород по микродефектам материала диффундирует в поверхностный слой. При этом металлические связи заменяются слабыми водородными, а материал охрупчивается. Водородное изнашивание впервые было открыто и исследовано российскими трибологами Гаркуновым Д.Н. и Поляковым А.А. Несмотря на большую специфику, у всех видов изнашивания имеются общие закономерности. Рассмотрим типичную характеристику износа во времени. Начальная часть кривой характеризует период приработки (tприраб). Затем изнашивание протекает с постоянной скоростью (tприраб., tкритич.). Этот участок принято называть периодом нормальной эксплуатации. При t > tкритич. износ резко возрастает, становится катастрофическим. Кривая износа

Сформировавшуюся к концу приработки шероховатость принято называть равновесной. Равновесная шероховатость связана с исходной, но еѐ параметры главным образом определяются физико-механическими свойствами материалов деталей и смазки, а также характеристиками режима трения (нагрузка, скорость, температура и т.д.). При введении в эксплуатацию узлов трения после изготовления или капитального ремонта в технической документации тщательно оговариваются режимы приработки, предельно допустимая величина износа (hmax) , определяющая ресурс всего узла трения или сменных деталей, например, вкладышей подшипников скольжения. В заключение краткого обзора форм проявления изнашивания следует отметить, что в чистом виде каждый из отмеченных механизмов изнашивания практически не встречается, чаще всего преобладает ведущий механизм изнашивания и сопутствующие формы в зависимости от особенностей конструкции и условий работы узла трения. Основным способом разрушения материала на поверхностях трения при всех видах изнашивания является образование и накопление повреждений в тонких поверхностных слоях материала. При этом наличие абразива, химических пре- вращений или явления переноса может лишь изменять интенсивность разрушения либо в сторону ускорения, либо замедления. Задача трибологии состоит в разработке средств и методов управления этими процессами.

Теория дислокаций В центре внимания этого подхода стоят проблемы структурно-энергетического толкования зарождения, размножения и динамики движения точечных дефектов и дислокаций вблизи свободной поверхности твердого тела, действия локальных контактных температур и напряжений, вызываемых трением. Общая картина выработанных представлений в этом подходе вкратце выглядит следующим образом. При трении поле внешних напряжений и температурных флуктуаций изменяет химический потенциал точечных дефектов (вакансий, межузлий) и формирует их направленные диффузионные потоки, при движении которых образуются вакансионные петли, кластеры и другие формы дефектов, а скорость их движения усиливается под действием осмотических сил. В.П. Алехин назвал этот процесс диффузионной накачкой дефектов в поверхностные слои при трении. Сама свободная поверхность при этом является областью облегченного зарождения и стока точечных дефектов и дислокаций. Вблизи свободной поверхности образуется барьерный слой с повышенной плотностью дислокаций, который назван debris - слоем (debris - англ. осколки, мусор, свалка).

Теория изнашивания И.В. Крагельского (концептуальный подход) Наибольшее распространение в России имеют расчетные методики изнашивания, предложенные И.В.Крагельским. Его концепция в лаконичной форме звучит следующим образом: износ пропорционален объему взаимного внедрения шероховатостей Vвв. В приведенной иллюстрации можно однозначно перечислить, чем определится объем взаимного внедре- ния: свойства материалов, нагрузка, параметры шероховатости, смазка. В соответствии с этой концепцией И.В. Крагельским предложено базовое уравнение изнашивания, которое пред- полагает усталостный механизм разру- шения поверхностей. Мерой воздейст- вия в его подходе является число циклов нагружения n. Вывод основного уравне- ния И.В Крагельского сводится к следующему.

Базовое уравнение изнашивания Понятие удельного износа: Здесь - объем изношенного материала при перемещении подвижной детали на расстояние, равное среднему диаметру пятна контакта d, в расчете на единицу ФПК и единицу пройденного пути. Поскольку V = h ·Ar, то i = h/d, Ar - ФПК, h - толщина изношенного слоя при указанном перемещении. При сдвиге на расстояние, равное среднему диаметру пятна, ФПК разрушается и снова восстанавливается. Поэтому на пути скольжения L площадь касания воспроизводится n раз, т.е. n = L/d. К концу пути изношенный объем составит: Поскольку интенсивность изнашивания J = ΔV/LS, то, приняв, что S - площадь трения равна контурной (Ас) или, если волнистость отсутствует, номинальной площади контакта (Аа), можно записать: Тогда соотношение J/i с учетом формул:

Кинетический подход Впервые эти модели использовались для анализа коррозионно-механических видов изнашивания, что объяснялось преимущественной ролью скорости химических реакций, протекающих на поверхности, в процессе образования частиц износа. Выражение для расчета коэффициента окислительного изнашивания: где А - константа Аррениуса; U - энергия активации; R- универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; V - скорость скольжения; d - длина контакта; ρ - плотность оксида. Первая расчетная модель в России, построенная с использованим кинетических выражений для оценки интенсивности изнашивания: где - константа изнашивания; - энергия активации разрушаемых связей; σ - напряжение; γ - постоянная, связанная со структурой материала; μ – коэффициент трения; R ·Т - энергия теплового движения.