2828.Экспертиза качества и разрушений
..pdf
Рис. 4.83. Различные виды износа при скольжении: а − пластическая деформация и образование языков, которые впоследствии обламываются; б − перенос материала с одной скользящей поверхности на другую; в − схватывание при трении и разрушении; г − износ резанием; д − абразивный износ с резанием; Тв.ф. − твердая фаза; М.ф. − мягкая фаза; О.тв.ф. − очень твердая
фаза; I − языки; II − стружка
При увеличении давления соприкосновения между поверхностями начинается выкрашивание частиц из язычков на краях зеркала. Оторвавшиеся наклепанные частицы попадают между скользящими поверхностями и, как небольшие режущие инструменты, вдавливаются и достигают более глубоко лежащих слоев. Эти частицы удерживаются в еще мягкой матрице, однако их число становится большим, они превращаются в находящиеся постоянно в движении твердые зерна, которые начинают резать изнашиваемые поверхности. Это относительно крупные частицы, являющиеся продуктами изнашивания, характеризуются металлическим блеском.
241
Унос материала продолжается до тех пор, пока скользящие поверхности находятся под давлением.
Износ при скольжении, как отмечено выше, может происходить как за счет адгезии, так и за счет расплавления. Температура повышается в некоторых соприкасающихся точках за счет тепла, выделяющегося при трении. Температура плавления при этом достигается только в некоторых соприкасающихся точках. В таких местах происходит мгновенное сваривание с последующим пластическим отрывом. Этот так называемый износ с задирами может в конечном счете привести к заеданию, схватыванию и благодаря этому к прекращению скольжения. При сильном перегреве может произойти расплавление на больших поверхностях и полный выход из строя одной из составляющих скользящей пары.
Износ при скольжении со снятием стружки (абразивный). Особенно сильный износ при скольжении происходит в случае, когда очень твердая поверхность пары скольжения движется по значительно более мягкой поверхности или когда между поверхностями попадает твердые посторонние частицы. В обоих случаях износ происходит со снятием стружки.
Рис. 4.84. Образование питтингов на боковых поверхностях зубьев шестерен: 1 − деформационные языки; 2 − ведущее зубчатое колесо; 3 − ведомое;
4 − усталостные изломы
Износ при скольжении, сопряженный с усталостным разрушени-
ем. Повторное соприкосновение двух поверхностей в паре скольжения равносильно действию переменной нагрузки. Поэтому большую роль
242
играют усталостные разрушения. Преимущественными местами, от которых начинается усталостное разрушение, являются трещинки под языками деформации, края этих языков, зоны между нагруженными и ненагруженными объемами, границы между мягкими и твердыми фазами, твердые инородные включения. Наиболее известный вид износа, сопровождающийся усталостным разрушением, – образование питтинга на поверхности в зубчатых колесах (рис. 4.84).
Выкрашивания частиц (питтинги) обусловлены усталостными разрушениями, которые имеют место на боковых поверхностях зуба и идут снаружи в глубь металла. Причинами образования питтинга являются местные перегрузки или недостаточная смазка. Только большие силы трения могут привести к образованию длинных деформационных языков, которые вызывают питтинговое разрушение боковых сторон зуба.
4.11.3. Износ при трении качения
При вращении роликовых и шариковых подшипников происходят процессы, аналогичные протекающим при трении скольжения. На поверхности образуются накаты, которые частично отламываются. Так, уже в процессе приработки происходит унос материала (рис. 4.85).
Рис. 4.85. Износ поверхности качения сферического подшипника
При качении шара постоянно меняется направление вращения и направление рисок. Переменная нагрузка на тела качения и на их дорожки качения определяет возможность возникновения усталостных изломов, которые на начальных стадиях проявляются в виде образования питтингов. В процессе воздействия на поверхность снимается тон-
243
кий слой и выступают карбиды, царапающие поверхность контакта. Таким образом может возникнуть усталостная трещина, которая направлена изнутри к поверхности.
Микротрещины возникают преимущественно на неметаллических включениях. Распространение трещин из глубины в несколько десятых миллиметра к поверхности можно обнаружить по чашечному или ракушечному выкрашиванию.
Частыми причинами выхода из строя опор качения являются усталостное выкрашивание дорожек и тел качения, заклинивание и разрыв сепараторов, абразивное изнашивание (рис. 4.86). При эксплуатации опор качения указанные повреждения в ряде случаев могут быть устранены или уменьшены при использовании металлоплакирующих смазочных материалов, содержащих 0,1–10 маc. % твердых частиц металлов, их окислов, металлоорганических соединений или твердых антифрикционных материалов.
Рис. 4.86. Усталостное выкрашивание поверхности
Долговечность пар трения с линейным контактом тел качения и колец обратно пропорциональна нагрузке на более нагруженное тело в степени 3,3. Снижение этой нагрузки на 10 % повышает долговечность подшипника на 36 %. Создание между телом качения и кольцом подшипника металлической пленки увеличивает площадь контакта и тем самым снижает максимальную нагрузку на тело качения. Сервовитная пленка толщиной 0,5–1 мкм даже при достаточно большой нагрузке может увеличить площадь контакта в 1,5–2 раза.
244
Практически все встречающиеся виды износа могут быть представлены как совокупность основных. Так, абразивный износ может быть представлен как «резание + деформация»; эрозия жидкими средами − «деформация + усталость»; кавитация − «деформация + коррозия» и износ смазываемых поверхностей − «адгезия + коррозия».
Условия перехода от одного вида износа к другому зависят от условий трения и природы материала. При интенсивном износе преобладают адгезионный и абразивный механизмы разрушения материалов, частицы износа имеют вид осколков, а на поверхности трения образуются глубокие вырывы.
4.11.4. Ударный износ
Типичным примером ударного износа является износ колец седла клапана двигателя внутреннего сгорания (рис. 4.87). Ударный износ, как и износ, обусловленный трением качения, приводит к образованию питтинга.
Рис. 4.87. Аварийный износ седла двигателя ЗМЗ
При обычном трении как без смазочного материала, так и при наличии граничной смазочной пленки детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01–0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате участки фактического контакта испытывают высокие напряжения, что приводит к их взаимному внедрению, пластической деформации и интенсификации изнашивания. При
245
повторяющихся соударениях двух деталей могут возникнуть следы ударов и насечек. Процесс близок к фреттинг-коррозии. Попадание быстролетящих капель на металлические поверхности вызывает повреждение, которое носит название капельного удара (рис. 4.88–4.90).
Рис. 4.88. Эрозия на лопатке паровой турбины, образовавшейся под воздействием ударов капель. ×110
Рис. 4.89. Эррозионно-коррозионное воздействие котловой воды на поверхность бронзового кольца. ×600
246
Рис. 4.90. Питтинги, полученные при испытании стали 16MnCr5, ×18. Трещина распространяется из глубины 0,2−0,3 мм
Большое значение эта форма износа имеет для обшивки самолетов. Решающими факторами, обусловливающими повреждение поверхности, являются повторяющаяся пластическая деформация и связанное с ней деформационное упрочнение поверхности, заканчивающееся разрушением перенаклепанных объемов. В твердых металлах после некоторого инкубационного периода возникают локальные усталостные изломы, которые приводят к выкрашиванию. Характерным повреждением мягких материалов является формирование многочисленных кратеров. Уже попадание одной капли диаметром 1,2 мм при скорости 410 м/с на поверхность чистого алюминия вызывает появление кратера такого же диаметра. В случае мягких материалов унос материала происходит не вследствие распространения трещины, а путем пластической деформации, образования тонких вытянутых перемычек и их откалывания или отслаивания.
Ударный износ может быть следствием кавитации – образования в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.
247
Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др. (рис. 4.91).
Рис. 4.91. Кавитационное повреждение гребного винта
Возникновение кавитационных разрушений не ограничивается только металлами, они могут наблюдаться в стекле и в пластмассах. Различают гидродинамическую и усталостную кавитацию. Гидродинамическая кавитация (рис. 4.92) возникает в местах повышенной скорости потока, в которых давление лавинообразно падает. Усталостная кавитация наблюдается тогда, когда колеблющаяся стенка граничит с жидкостью. Эта кавитация происходит на стенках деталей, работающих в жидких средах в диапазоне ультразвуковых частот.
Рис. 4.92. Канавки, образовавшиеся в результате кавитации в потоке жидкого топлива, идущего под давлением через трубопровод из стали Х5СrNi. ×50
248
Существует много общего между повреждениями, вызванными ударами капель, и кавитацией. Можно указать на возникновение нагрузок двух видов:
–механическое действие на металлическую поверхность микроструи, подобно быстрому потоку инородных тел;
–усталостные нагрузки, которые возникают в результате следующих друг за другом ударов струи о поверхность.
При кавитационной нагрузке мягкие материалы вначале подвергаются пластической деформации. Возникают следы скольжения и через некоторое время – экструзии и интрузии. При этом поверхность становится волнистой. При дальнейшем воздействии возникает перенаклеп
ирастрескивание с образованием большого числа микрократеров диаметром примерно от 4 до 12 мкм.
В твердых материалах, например в закаленных сталях, процессы течения не развиваются, а появляются усталостные трещины.
Осповидным называется такой износ (рис. 4.93), при котором процесс разрушения поверхностей деталей является следствием микрокопических деформаций сжатия, упрочнения поверхностных слоев, возникновения остаточно напряжений в них и явления усталости металла при повторном-переменных нагрузках. При осповидном износе разрушение характерезуется появлением микро- и микроскопических трещин, расположенных под наибольшим углом к поверхности трения
иосповидных углублений и впадин.
Рис. 4.93. Осповидный износ в подшипниках качения
Этот вид износа наблюдается при трении качения и является ведущим для подшипников качения зубьев тяжело нагруженных шестерен.
249
4.11.5. Фреттинг-коррозия
Фреттинг-коррозии подвергаются: прижатые друг другу детали, на которые воздействуют колебательные, вращательные, вибрационные напряжения с малой амплитудой. К ним можно отнести болтовые, шпоночные, заклепочные, шлицевые соединения, контактирующие части подшипников, металлический канат, соприкасающиеся движущиеся валы и мн. др. Под воздействием окружающей коррозионной среды на поверхности металла образуется оксидная пленка (продукты коррозии). При трении эта пленка механически разрушается. Поскольку при фрет- тинг-коррозии взаимодействующие поверхности не разъединяются, то разрушенные продукты коррозии так и остаются между ними (в некоторых случаях вытесняются), в дальнейшем материалы истираются быстрее, а фреттинг-коррозия протекает интенсивнее (рис. 4.94).
Рис. 4.94. Схема процессов приконтактном усталостном износе (фреттинге):
1 − адгезия металла, перенесенного с противоположной стороны; 2 − окисленные усталостные изломы; 3 − окисление металла; 4 − выкрашивание металла; 5 − языки металла; 6 − окисленные частицы металла; 7 − пластический отпечаток частиц металла; 8 − расплющенное оксидное утолщение; 9 − снятие стружки оксидными частицами; 10 − агломерат спеченных оксидных частиц; 11 − усталостный излом в основном материале; 12 − выкрашивание оксидного агломерата; 13 − след дви-
жения оксидной частицы; 14 − утолщение наконце следа
250