книги / Трение и износ деталей машин
..pdfОкислительное изнашивание - это процесс разрушения поверхност ных структур, образующихся на металлических поверхностях при трении в присутствии атмосферного кислорода. Оно происходит, в отличие от дру гих видов коррозионно-механического изнашивания, при отсутствии аг рессивной среды и характеризуется малой шероховатостью изнашиваемых поверхностей, на которых образуются пленки окислов. Эти пленки разру шаются при длительном трении и образуются вновь, а продукты износа со стоят из окислов.
Водородное изнашивание связано с присутствием водорода в по верхностном слое металлических деталей узлов трения.
Этот вид изнашивания зависит от концентрации водорода в поверх ностных слоях трущихся деталей. Водород выделяется из материалов де талей пары трения или из окружающей среды (смазочный материал, рабо чая жидкость - топливо, вода) и ускоряет изнашивание. Водородное изна шивание вызывается следующими процессами, происходящими в зоне трения:
-интенсивным выделением водорода при трении в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, создающей источник непре рывного поступления водорода в поверхностный слой детали;
-адсорбцией водорода на поверхностях трения;
-диффузией водорода в деформируемый слой металла, скорость ко торой определяется градиентами температур и напряжений, что приводит к накоплению водорода в процессе трения;
-особым видом разрушения поверхности, связанным с одновремен ным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформи рования и эффектом накопления водорода, характерным для мгновенного разрушения образования мелкодисперсного порошка изнашиваемого мате риала.
Вагрессивных средах разрушение поверхности твердого тела проис ходит под влиянием коррозионно-механического изнашивания, а точ нее, под влиянем 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 неэлектропро водными агрессивными жидкостями, электрохимическое - при контакте металлов с электролитами (водные растворы кислот, щелочей, солей). При этом наблюдаются два процесса: анодный (непосредственный переход атомов металла в раствор в виде ионов) и катодный (ассимиляция избы точных электронов атомами или ионами раствора). В результате в зоне трения возникает электрический ток.
На обнажающихся при трении поверхностях формируются пленки, обладающие свойствами, отличными от свойств пленок, образующихся при
Усталостным называется механическое изнашивание, происходя щее при повторном деформировании микрообъемов материала поверхно стного слоя и приводящее к усталостному разрушению. Оно появляется как при трении качения, так и при трении скольжения.
В процессе трения на рабочей поверхности деталей возникают мак симальные напряжения сжатия, а по глубине материала распространяются направленные касательные напряжения, максимум которых концентриру ется на некотором расстоянии от точки контакта (рис. 25).
Интенсивность усталостного изнашивания определяется рядом фак торов: наличием остаточных напряжений и поверхностных концентрато ров напряжений (окислы, дислокации); качеством поверхности (микро профиль, 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.
Рис. 25. Схема распределения каса тельных напряжений, возникающих при качении цилиндра по плоскости
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. 26). В результате такого знакопеременного циклового воздействия в микрообъемах материала накапливаются повреждения, сни жающие его прочность. Накопление усталостных микроповреждений ведет к разрушению поверхностных слоев материала в зоне трения.
Процесс катастрофического усталостного изнашивания протекает следующим образом (рис. 27, а). Первоначально на трущейся поверхности 1 образуются усталостные микротрещины 2. Смазочный материал, попадая в микротрещины, способствует их расклиниванию 3 и выкрашиванию час тиц 4 металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие оспины (питгинг). Число этих оспин и их размеры увеличиваются до тех
пор, пока возрастающие контактные напряжения на рабочих поверхностях не приведут к пластической деформации и интенсивному изнашиванию детали. Толщина разрушенного слоя металла примерно соответствует глу бине распространения под поверхностью максимальных касательных на пряжений.
Рис. 26. Схема напряженно-деформированного состояния: 1 - зона упругопластических деформаций; 2 - зона упругих де формаций
1 |
2 |
3 |
4 |
б
Рис. 27. Схема усталостного изнашивания поверхности: а - возникновение первичной микротрещины на поверхности; б - возникновение микротрещины в подповерхностном слое
Иногда первичная микротрещина может зародиться в подповерхно стном слое. Механизм разрушения протекает в этом случае следующим образом (рис. 27, б): 1 - зарождение подповерхностной дислокации; 2 - идет процесс накопления дислокаций; 3 - образуются полости; 4 - слияние полостей приводит к образованию микротрещин, параллельных поверхно
сти 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 поверх ность.
Заедание (схватывание) - наиболее опасное явление при контакте трущихся поверхностей. В результате образуются глубокие борозды, вырывы, оплавление. Заедание может иметь лавинный, катастрофический ха рактер и полностью вывести узел трения из строя. Обязательным условием заедания является разрушение промежуточных смазочных слоев и взаимо действие чистых (ювенильных) поверхностей. Разрушение защитных сма зочных слоев наступает из-за пластической деформации или повышения температуры в зоне контакта, а также из-за срабатывания смазки или не достаточного ее поступления. Перед заеданием разрушаются оксидные слои и адсорбированные пленки. Повышенные температуры вызывают размягчение материала, удаление поверхностных пленок, увеличение фак тической площади контакта.
Пластическая деформация активирует поверхности трения, возника ет неравновесное электронное состояние, активизируются атомы поверх ности. Электронный обмен приводит к образованию узлов схватывания (рис. 28), возникновению прочных химических связей. Образуются также общие зерна в местах контакта, идут диффузионные процессы. В момент возникновения схватывания резко увеличивается коэффициент трения скольжения. Растет температура. При больших скоростях интенсивная пластическая деформация и теплота могут вызвать оплавление поверхно сти. Схватывание может происходить и при длительном неподвижном контакте деталей в окислительной среде (воздух, водяной пар). В этих ус ловиях происходит сращивание окисных пленок в зазоре материала на ра бочих поверхностях деталей сопряжения.
Рис. 28. Схема формирования узла схватывания: / - узел схва тывания; 2 - линия разрыва материала
f
я
Рис. 29. С хема формирования равновесной ш ерохо ватости в процессе приработки: А - зона схватыва
ния при малой (0 ,5 -1 ,5 м км ) начальной ш ерохова тости; />’ - зона равновесной шероховатости; В - зо
на микрорезания при большой (3 - 5 м км ) начальной шероховатости
В процессе приработки при малой исходной шероховатости поверх ностей (Rz —0 ,5. ..2 мкм) высоты неровностей преимущественно увеличи ваются вследствие молекулярного взаимодействия. В результате схватыва ния рабочих поверхностей деталей, возникающего под действием сил мо лекулярного притяжения, происходит разрушение материала, появляются новые неровности, и, таким образом, формируется шероховатость, отлич ная от исходной (рис. 29).
8.3. Избирательный перенос
Избирательный перенос - это вид контактного взаимодействия дета лей при трении, который возникает в результате протекания на поверхно сти комплекса механофизико-химических процессов, приводящих к сни жению трения и автокомпенсации износа.
В условиях избирательного переноса сопротивление относительному перемещению поверхностей обусловлено в основном молекулярной со ставляющей силы трения. При таком переносе в зоне контактирования по верхностей образуется защитная, так называемая сервовитная, пленка, в которой реализуется диффузионно-вакансионный механизм деформации, без накопления дефектов, характерных для усталостных процессов.
Сервовитная пленка образуется в зоне трения в результате электро химических процессов, возникающих при трении в системе сталь - сма зочный материал - медный сплав, которую можно рассматривать как галь ванический элемент. Электрохимические процессы приводят к резкому изменению структуры поверхностных слоев материала. Под их влиянием в
поверхностном слое меди зарождается большое число вакансий и дислока ций, которые приводят к образованию в зоне контакта рыхлой медной сус пензии, обладающей хорошей пластичностью и малыми сдвиговыми со противлениями. Силами молекулярного взаимодействия и схватывания в процессе трения сервовитная пленка переносится на стальную поверх ность, способствует сглаживанию ее шероховатости и, заполняя впадины микронеровностей, образует защитный слой. При этом фактическая пло щадь контакта возрастает в 1 0 0 раз и приближается к номинальной, равно мерно перераспределяется давление по всей рабочей поверхности.
Рыхлая структура серовитной пленки обеспечивает диффузионновакансивный механизм сдвига, при котором деформация пленки в процес се трения происходит без накопления остаточных напряжений и дефектов. Поэтому коэффициент трения уменьшается до значения, соответствующе го значению этого коэффициента при трении со смазочным материалом, а усталостные изменения структуры материала исключаются. Таким обра зом, при избирательном переносе реализуются условия положительного градиента механических свойств материала по нормали к поверхностям трения.
Избирательный перенос обеспечивает практически безызносную ра боту сопряжения вследствие эффекта автокомпенсации износа, который заключается в том, что частицы износа не уходят из зоны рения, а, взаимо действуя со смазочным материалом, образуют суспензию, покрывающую рабочую поверхность. В условиях избирательного переноса линейная ин-
1 Л -1 2
тенсивность изнашивания составляет 1 0 Для реализации явления избирательного переноса при трении необ
ходимо наличие в смазочной среде поверхностно-активных веществ (ПАВ). Эти вещества вводят в смазочные материалы в виде присадок. Они характеризуются тем, что их молекулы или ионы концентрируются под действием молекулярных сил (адсорбируются) у поверхности.
9. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ИЗНАШИВАНИЯ
Износ обычно характеризуется одной из следующих характеристик: линейной интенсивностью износа.//,, весовой^ или энергетической Jw.
Линейная характеристика износа представляет собой высоту изно шенного слоя И, который приходится на единицу пути трения:
I |
h |
или |
I |
V |
п ъ |
J h = |
7 |
J h = — |
(15) |
||
|
L |
|
|
LAa |
|
где L - путь трения; V - изношенный объем материала; Аа - номинальная площадь контакта.
Весовая характеристика износа представляет собой вес вещества, ко торый удаляется с единицы номинальной площади контакта за единицу пути трения:
J g |
S |
(16) |
|
A a - L ' |
|||
|
|
где g - вес изношенного вещества.
Энергетическая интенсивность износа, определяющая объем изно шенного материала, приходящегося на единицу работы силы трения, вы
ражается следующим соотношением: |
|
J W |
(17) |
где Wp - работа силы трения.
С учетом того, что в трении участвует только фактическая площадь контакта, вводится понятие удельной интенсивности изнашивания:
УЛ |
(18) |
|
Аг •</’ |
||
|
где d - средний диаметр пятна касания; Уд - объем материала, удаленного с площади Аг при сдвиге на пути d (в результате одного акта взаимодейст вия неровностей).
Линейная и удельная интенсивности изнашивания связаны между
собой соотношением |
|
|
У/, = / • h— |
=ih — . |
(19) |
Аа |
h Pr |
|
Диапазоны линейной и удельной интенсивности и скорости изнаши вания весьма широки: для Jh = 1 0 13...1 0 _3, а для скорости изнашивания
у = —= 1 0 "14...1 0 "6 м/с.
ht
Внастоящее время принято десять классов износостойкости по Jh
(табл. 9) и восемь - по yh (табл. 10).
В табл. 11 указан диапазон изменения интенсивности линейного из нашивания различных трущихся деталей.
Сопряжения с наиболее высокой износостойкостью, для которых ве личина У* соответствует 12, 11 или 1 0 -му классам интенсивности Kj, рабо тают в условиях преимущественно упругого деформирвания контактных зон; сопряжения, соответствующие 9-му или 8 -му классам, работают в ус ловиях упругопластического контактного взаимодействия; соединения 7-5-го классов - в условиях пластического контакта, а сопряжения 4-3-го классов - в условиях микрорезания.
Таблица 9 Классы износостойкости по интенсивности изнашивания
Класс изно- |
Границы изменения |
Класс изно |
Границы изменения |
|
состойкости |
интенсивности |
состойкости |
интенсивности |
|
Kj |
изнашивания У/, |
Kj |
изнашивания У), |
|
1 2 |
ю_13<уА< ю~12 |
7 |
10'8 <УА< 10~v |
|
11 |
10_1 2 <УА< 1 0 'И |
6 |
10'7 <УА< 10^ |
|
10 |
10-11 <УА< 10-ш |
5 |
10_Ь<УА<10":> |
|
9 |
10~1и<УА< 10"* |
4 |
l ( f b<Jh < 10-4 |
|
8 |
ю_9 < уа < ю~8 |
3 |
10"4 <УЛ< 10_3 |
|
|
|
|
|
Таблица 10 |
Классы износостойкости по скорости изнашивания |
|
|||
Класс изно |
Границы изменения |
Класс изно |
Границы изменения |
|
состойкости |
скорости изнашива |
состойкости |
скорости |
|
Ку |
ния уА |
Ky |
изнашивания yh |
|
13 |
1 0 14 < уА< Ш 13 |
9 |
1 0 _1и<уА< 1 0 "У |
|
1 2 |
1 0 -1 3 <уА< 1 0 -1 2 |
8 |
1 0 _9 < уа < 1 0 _у |
|
1 1 |
1 0 ~1 2 <уА< 1 0 -1 1 |
7 |
1 0 "8 < уа< 1 0 _/ |
|
1 0 |
1 0 _ u <yA< 1 0 "1U |
6 |
V ‘о |
о VI |
В табл. 11 приведены данные об интенсивности линейного изнаши вания для различных машин и деталей, широко используемых в технике.
Таблица 11
Диапазон изменения интенсивности линейного изнашивания различных трущихся деталей
Машина (узел, установ
Деталь, элемент
ка, агрегат, инструмент)
Поршневое кольцо
Гильза цилиндра Двигатель внутреннего Шатунная шейка колен сгорания чатого вала
Коренная шейка коленча того вала
Линейная интенсив ность изнашивания 1 0 _У- 1 0 _и
1 |
N |
1 0 10 - |
1 0 12 |
Ю~10- |
1 0 " 12 |