5. Износ материалов

5.1. Современные представления о природе износа твердых тел.

Изнашивание материалов – процесс разрушения поверхностных слоев трущихся тел, который приводит к уменьшению размеров тел /износу/ в направлении, перпендикулярном к поверхности трения. Интенсивность изнашивания пар трения зависит от свойств материалов деталей, технологической подготовки поверхностей и их качества а также от условий службы – нагрузки, температуры, смазки и др.

Многообразие возникающих в контактном слое изменений приво­дит к различным видам износа. Вид износа нельзя определить одним термином, название его должно содержать несколько характеристик. Механизм разрушения поверхностного слоя различный.

По характеру промежуточной среды различают износ при трении без смазки, износ при граничном трении и при наличии абразива. По характеру деформирования поверхностного слоя различают износ при упругом контакте, пластическом контакте и при микрорезании.

Таким образом, для характеристики вида износа целесообразно применять три определения: например, усталостный износ при граничном трении при упругом контакте.

Основная трудность в познании физических закономерностей при изнашивании материалов заключается в том, что при трении поверхностные слои трущихся деталей подвержены сильному воздействий окружающей среды при одновременном механическом воздействии сопряженной поверхности. Фактически, физико-механические свойства материалов при поверхностных слоев отличаются от свойств основной массы материала. Учет физико-химических и механических факторов при рассмотрении разрушения поверхностных слоев тел при трении дает Основание рассматривать процесс изнашивания как кумулятивный, т.е суммирующий действие отдельных факторов при повторном многократном нагружении фрикционных связей до отделения частицы износа.

Этот вид изнашивания имеет место в самых разнообразных условиях в узлах трения. В том числе закрытых от попадания абразивных частиц, не подверженных сильной коррозии и защищенных от микро-схватывания. В основном только кумулятивный механизм разрушения объясняет изнашивание поверхности более твердого материала пары трения более мягким, например резиновое или пластмассовое уплотнение изнашивает стальную поверхность, алмазный режущий инструмент изнашивается при обработке мягких сплавов и др. Его разновидностью является поверхностное выкрашивание при трении качения, которое называют контактной усталостью или питтингом.

При трении структура металла активного слоя, а, следовательно, и его свойства изменяются. Это обусловлено самой природой внешней трения, при котором имеет место пластическая деформация, переход механической энергии в тепловую и пр. В результате этого может осуществляться мгновенный местный нагрев металла поверхности трения, а при выходе из контакта – охлаждение. По Б.Д. Грозину для слоя толщиной 100 мкм скорость нагрева при трении и скорость охлаждения соответственно составляют 4·10⁵ – 10⁴ °С/с и 10³ – I0⁴ °С/с.

В зависимости от сочетания процессов механического и термического воздействий и степени их интенсивности в структуре может иметь место целая гамма переходов и, в частности выпадение или растворение избыточной фазы, быстро протекающие диффузионные процессы, способствующие местному изменению химического состава, и в результате этого вторичная закалка или отпуск, процессы рекристаллизации, коагуляции и коалесценции карбидов и др. Часть этих процессов, как, например, рекристаллизация и коагуляция, приводят к снижению износостойкости металла. Из-за очень малого времени, в течение которого происходит нагрев и охлаждение при трении, могут образоваться промежуточные неравновесные структуры /"белая зона" и др./, характеризующие особо напряженное состояние. При этом происходит не только изменение структуры и свойств в отдельных микрообъемах, но и, как следствие этого, часто изменение самого процесса трения.

Таким образом, износостойкость металла определяется не только структурой металла в исходном /до трения/ состоянии, но и структурой, формирующейся в результате совокупности единичных процессов происходящих при трении [I5/.

Основные вторичные структуры, образующиеся при трении, приведены в таблице 8.

Табл. 8 – Вторичные структуры в активном слое.

Структура	Краткая характеристика
Вторичный аустенит	Образуется в процессе трения преимущественно на базе исходной мартенситной структуры и часто при наличии остаточного аустенита. Обладает более высоким параметром решётки, чем исходный, до трения, аустенит, по Б.Д. Грозину для стали У10 составляет 3,601 – 3,610А, и более высокой микро твёрдостью.
Вторичный мартенсит Белая зона	Продукт распада вторичного аустенита. Обладает более высокой травимостью, чем исходный мартенсит; микротвёрдость порядка 850-925 кгс/мм2 и выше. Структура, образующаяся при локальном импульсном силовом и тепловом воздействии. Обладает нетравимостью порядка 900-1300 ксм/мм2 и выше.
Примечание: Твердость вторичных структур зависит от типа и дисперсности исходной /до трения/ структуры, от режима и интенсивности трения и от химического состава стали /содержания углерода и легирующих элементов/.

Большое значение имеет процесс возникновения, разрушения и воспроизводства на поверхности трения вторичных образований в виде окислов.

В результате взаимодействия активных пластически деформированных /текстурированных/ поверхностных слоев металла с кислородом воздуха или смазки, адсорбирующейся на поверхности, образуются химически адсорбированные пленки, пленки твердых растворов или химические соединения металла с кислородом. Удаление их с поверхности трения протекает как стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления окисных пленок [5], при этом отделение частиц износа наступает в результате многократных повторных нагружений единичных фрикционных связей. Состав окислов, образующихся при трении, приведен в табл. 9.

Табл. 9 – Состав и температура возникновения окислов, образующихся при трении /15/

Окисел	Температу-ра образ. 0С	Микротвёр-дость кгс/мм2	Окисел	Температура образования, 0С	Микротвёр-дость, кгс/мм2
α-Fe2O3 γ-Fe2O3	200 200	- 1000	α-Fe2O3+Fe3O4 Fe3O4+FeO	400-570 500 570 300

В целом ряде случаев в зависимости от конструкции узла трения на рабочей поверхности задерживается некоторое количество продуктов трения – частиц износа. Эти частицы, с одной стороны, могут сами деформироваться, с другой влиять на ход процесса.

Иногда это влияние может оказаться довольно значительным. В табл. 10 показан примерный состав частиц продуктов износа.

Табл.10 – Фазы, обнаруженные (+) в частицах износа при трении стали 45

Условия испытания	α-Fe	α-Fe2O3	γ-Fe2O3	Fe3O4	γ-Fe2O3*H2O	Fe3C
Трение на воздухе, Т=293К Трение в вакууме Т=293К Т=77К	+ + +	+ + +	+ - -	- + -	+ - -	- + +

Примечание: α – железо обнаружено рёнтгеноструктурным методом; остальные фазы установлены методом электронной микродифракции.