5.2. Характеристика процесса изнашивания. Приработка деталей машин.

Износ – изменение размеров и формы детали в результате изнашивания. Его выражают в единицах длины, объема или массы.

Интенсивность изнашивания – отношение износа детали /или испытуемого образца/ к пути трения или объему выполненной работы. При определении интенсивности изнашивания может оказаться более целесообразным относить износ к другому показателю, общему для всех узлов и агрегатов данной машины. Так, для автомобилей в качестве такого показателя может быть принято число километров пробега, а для тракторов – число гектаров пахоты.

Скорость изнашивания – отношение износа детали к времени, в течение которого проходило изнашивание.

Износостойкость оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания.

Предельным износом детали /узла/ называют износ, при котором дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие выхода детали /узла/ из строя, неэкономичной или недопустимой ввиду снижения надежности механизма.

ГОСТ 16429-70 предусматривает следующие виды изнашивания.

1. Механическое - изнашивание в результате механических воздействий.

2. Молекулярное механическое – изнашивание в результате одновременного воздействия механических и молекулярных или атомарных сил

3. Коррозионно-механическое – изнашивание при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

4. Абразивное – механическое изнашивание материала.

5. Гидроабразивное – изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости.

6. Газоабразивное – изнашивание в результате воздействия твердых тел иди частиц, увлекаемых потоком газа.

7. Уста постное – изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

8. Эрозионное – изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа.

9. Навигационное – изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации.

10. Изнашивание при заедании – в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность.

11. Окислительное – изнашивание при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

12. Фреттинг-коррозия /коррозионно-механическое изнашивание/ – изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных перемещениях.

Изменения на поверхностях трения связаны деформации, повышение температуры и химическому действию окружающей среды.

Изменения, вызванные деформацией, заключаются в следующем.

1. Многократные упругие деформации из-за несовершенства структуры материала приводят в определенных условиях к у ста постному выкрашиванию поверхностей качения, а многократные упругие деформации микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.

2. Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя. Пластическое деформирование твердых тел складывается из четырех наиболее важных элементарных процессов: скольжения по кристаллографическим плоскостям /скольжение в отдельных зернах поликристаллического тела происходит обычно по нескольким плоскостям, число которых возрастает с повышением напряжения/; двойникования кристаллов; отклонения атомов от правильного расположения в решетке и их тепловое движение; разрушения структуры.

Разрушение структуры – это заключительный этап пластической деформации по мере увеличения силового воздействия при однократном нагружении. Смещение кристаллических зерен сопровождается частичным его разрыхлением.

5. При микроскопическом исследовании контакта деталей в условиях высоких нагрузок и температур установлена возможность образования магмы-плазмы /рис. 32/. Взаимодействие микроконтактов происходит за очень короткое время ( 10^-7...10^-8с), в течение которого к контакту подводится большая энергия. Для таких условий законы классической термодинамики не выполняются: материал тонкого поверхностного слоя преобразуется, в результате в зоне соударения неровностей образуется магма-плазма; процесс сопровождается эмиссией электронов.

Рис. 32 – модель магмы-плазмы:

1 – исходная структура; 2 – расплавленная структура;

3 – плазма; 4 – электроны, движущиеся при трибоэмиссии.

Химические действие среды заключается в следующем.

1. В среде воздуха на обнажённых при изнашивании чистых металлических поверхностях образуются, окисные пленки в результате действия кислорода газовой фазы или содержащегося в масле и его перекисях. Окисные пленки предохраняют поверхности от схватывания и связанного с ним глубинного вырывания и являются важным фактором не только при трении без смазочного материала и граничной смазки, но и при полужидкостной смазке. Опыты в вакууме, в среде азота, аргона и гелия при трении без смазочного материала и при граничной смазке когда образование окисных пленок исключалось /могло лишь только за счет кислорода в масле/ показали весьма высокую интенсивность изнашивания поверхностей трения.

2. Металлические поверхности, взаимодействуя с химически активными присадками в масле, покрываются пленками химических соединений, роль которых аналогична роли окисных пленок. Пленки эффективно защищают поверхность от изнашивания, если скорость их образования превышает скорость изнашивания.

3. Возможно насыщение поверхности углеродом в результате разложения смазочного материала при высокой температуре.

4. Агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изнашивание.

Разрушение поверхности трения, обнаруживаемое визуально или под микроскопом, происходит в виде отдельных элементарных процессов, сочетание которых зависит от материалов и условий трения. Элементарные виды разрушения поверхностей трения следующие:

МИКРОРЕЗАНИЕ. При внедрении на достаточную глубину твердая частица абразива или продукта износа может произвести микрорезание материала с образованием микростружки. Микрорезание при трении и изнашивании проявляется редко, так как глубина внедрения недостаточна для резания при назначаемых нагрузках.

ЦАРАПАНИЕ /пластическое оттеснение/. Вдавившийся участок поверхности или частица при скольжении оттесняет перед собой и в стороны и подминает под себя материал, оставляя царапину. Последняя обрывается при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического контакта, при раздроблении частицы, ее впрессовывании или уносе за пределы области трения. Повторное царапание по одной трассе е одной и той же интенсивностью в парах трения бывает редко, чаще происходит царапинке, при котором зона пластического оттеснения перекрывает ранее образовываются царапину. Поверхность трения покрывается царапинами, расположенными почти параллельно пути скольжения, а между царапинами располагается материал, претерпевший многократную пластическую деформацию, наклепанный и перенаклепанный, т.е. исчерпавший способность пластически деформироваться. При нагружении в таком участке легко образуются трещины, с развитием которых материал отделяется от основы.

Очевидно не только скользящие, но и перекатывающиеся частицы могут оставить на поверхности царапины. Внедрившаяся частица упираясь при своём движении в твёрдую составляющую материала, может отклониться в сторону, и поэтому направление царапины на поверхности не следует строго направлению перемещения детали.

ОТСЛАИВАНИЕ. Материал при пластическом течении может оттесняться в сторону от поверхности трения и после исчерпания способности к дальнейшему течению отслаиваться. В процессе течения материал наплывает на окисные пленки и теряет связь с основой. Если при линейном и точечном контакте тел напряжения по глубине слоя больше сопротивления усталости металла, то при работе образуются трещины, приводящие к чешуйчатому отделению материала. Такое явление встречается на закаленных или цементованных деталях. Дефекты металла в виде шлаковых включений, свободного цементита и т.п. и значительные растягивающие остаточные напряжения способствуют отслаиванию.

ВЫКРАШИВАНИЕ – это распространенный вид повреждения рабочих поверхностей деталей в условиях качения. Для выкрашивания характерна произвольная форма язвинок с рваными краями. Могут выкрашиваться: твердые структурные составляющие сплава после того, как износится его мягкая основа; частицы белого слоя; островки основной массы серого чугуна, окаймленные графитовыми включениями; частицы антифрикционного металлического слоя при усталостных повреждениях; твердые окисные пленки /на железоуглеродистых и алюминие­вых сплавах/; частицы металлизационного покрытия и др.

Выкрашиванию способствуют высокие растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое после обработки, трещины после цементации, закалки или старения, а также значительные термические напряжения, возникающие при трении или вследствие неудовлетворительной смазки.

Непосредственно выкрашиванию предшествует образование и развитие трещин, ограничивающих единичные малые объемы от остального материала. Таким образом, трещинообразование является составной частью процесса выкрашивания, а также отслаивания. Трещинообразование из-за термических напряжений может охватить значительную площадь и на определенной стадии развитии трещин может даже служить браковочным признаком, поэтому оно должно рассматриваться как особый вид повреждения поверхностей трения.

ГЛУБИННОЕ ВЫРЫВАНИЕ возникает при относительном движении сцепившихся тел, когда образовавшийся вследствие молекулярного взаимодействия спай прочнее одного или обоих материалов. Разрушение происходит в глубине одного из тел. Поверхности разрушения у пластичных материалов представляют собой выступающие вытянутые по направлению движения гребни и суживающиеся в глубь материала конусы. Прилегающие к местам вырывов участки пластически деформируются в большей или меньшей степени. Вырванный материал остается на сопряженной поверхности. Это одна из причин переноса материала при трении. Может наблюдаться процесс схватывания отдельных составляющих сплава, остальные составляющие уносятся в смазочный материал или уходят из зоны трения.

При постоянных условиях трения имеют место три стадии процесса изнашивания: приработка, период установившегося режима и катастрофический износ.

Процесс приработки заключается в том, что выступы на контактирующих поверхностях меняют свою форму, сам материал наклепывается и в результате этих двух процессов – наклепай и изменения микрогеометрии создаются условия, обеспечивающие упругий контакт. Реализация упругого контакта на поверхностях трения весьма существенна, потому что в этих условиях имеет место минимальный износ и устойчивое значение вилы трения.

При приработке поверхностей трения имеет место, как правило, более интенсивное изнашивание трущихся поверхностей и повышенное тепловыделение, сопровождающиеся как изменением физико-механических свойств поверхностных слоев материала, так и изменением микро геометрии поверхностей. В процессе приработки происходит интенсивное разрушение тех неровностей, которые обладают наименьшей способностью "выжить" в данных условиях трения, и образуются новые неровности, отличные от исходных по форме и размерам. Экспериментально установлено, что в различных условиях и различных парах трения всегда устанавливается после приработки поверхностей равновесная шероховатость, характерная для заданных условий трения, которая в дальнейшем не изменяется и воспроизводится в процессе трения. Исходная шероховатость при этом не оказывает влияние на равновесную шероховатость.

На основе молекулярно – механической теории трения установлена тесная связь между параметрами, характеризующими фрикционное взаимодействие, и параметрам микрогеометрии поверхности. Равновесная шероховатость поверхности твердого тела зависит от прочности связей, обусловленных молекулярным взаимодействием на контакте, упругих свойств материала тел удельной нормальной нагрузки и по этим параметрам может быть определена аналитически. После приработки поверхностей наступает период установившегося изнашивания, характеризующийся минимальной интенсивностью изнашивания для заданных условий трения. Как показывают многочисленные исследования, отделение частичек износа преимущественно происходит в результате многократный повторных нагружений единичной фрикционной связи.

Основная трудность в познании физических закономерностей при изнашивании материалов заключается в том, что при трении поверхностные слои трущихся деталей подвержены сильному воздействию окружающей среды при одновременном механическом воздействии сопряженной поверхности. Фактически, физико-механические свойства материалов приповерхностных 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 микросхватывания. 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.

Если отложить по оси абсцесс время t работы пары трения /рис.33,а/, а по оси ординат износ U, то получим кривую изнашивания детали во времени. Тангенс угла наклона L, образованного осью абсцисс и касательной к кривой в произвольной точке, определяет скорость изнашивания в данный момент времени.

На кривой изнашивания в общем случае /кривая 1/ можно выделить три участка, соответствующие трем стадиям изнашивания:

1 – начальное изнашивание, наблюдаемое при приработке поверхностей деталей; II /прямолинейный участок кривой/ – установившееся изнашивание /tgα=const/ наблюдаемое при нормальной эксплуатации сопряжения; III – процесс резкого возрастания скорости изнашивания, соответствующий стадии катастрофического изнашивания.

Детали после сборки сопрягаются по выступам неровностей поверхностей, и площадь их фактического контакта в начальный период трения мала, поэтому при нагружении пары трения действуют большие давления, результатом чего является значительная пластическая деформация; неровности поверхности частично сминаются и частично разрушаются как по выступам, так и по впадинам. Срабатывание микронеровностей и сглаживание макро неровностей и волнистости поверхностей сопровождается увеличением несущей поверхности, интенсивность изнашивания снижается. Вместе с тем "пропахивание" поверхностей взаимно внедрившимися объемами и продуктами износа в направлении относительной скорости поверхностей создает новые неровности, ориентированные вдоль направления движения и не совпадающие с направлениями обработочных рисок. Как показал П.Е. Дьяченко, по истечении определенного времени при неизменных условиях работы создается стабильная шероховатость поверхностей трения. Она может быть больше или меньше начальной шероховатости: более грубые поверхности в процессе приработки выглаживаются, а гладкие становятся более грубыми. Каждая из сопряженных поверхностей к концу приработки приобретает свойственную ей шероховатость в данных условиях трения.

Микро твердость поверхностей трения к концу приработки стабилизируется независимо от их начального состояния. За время приработки происходит переформирование поверхности и изменение ее физико-химических свойств.

Процесс установившегося изнашивания заключается в деформировании, разрушении и непрерывном воссоздании на отдельных участках поверхностного слоя со стабильными свойствами, износ деталей может существенно изменять свойства сопряжения. Увеличение зазоров в сочленениях ухудшает условия жидкостной смазки и может повысить фактор динамичности, а истирание цементованного или поверхностно-закаленного слоя открывает поверхности с пониженной износостойкостью. Изменения в макрогеометрии поверхностей /например, образование овальности и конусности шеек валов и цилиндров, местная выработка и волнистость направляющих, неравномерный износ зубьев колес по длине и т.п./ также является причинами, ухудшающими условия трения. Эти и подобные им обстоятельства могут вызвать при дальнейшей работе сопряжения увеличение интенсивности изнашивания и привести к отказу соединения.

Кривая 2 на рис. 33 а изображает скорость изнашивания. Кривая на рис. 33 б соответствует случаю, когда после окончания приработки постепенно накапливаются факторы, ускоряющие изнашивание, в силу чего отсутствует установившийся период. Кривые на рис 33 в соответствуют случаям, когда отсутствует приработка, и период нормальной эксплуатации наступает сразу с начала работы. Кривые различаются зависимостями изменения скорости от времени. Эти закономерности износа характерны для инструмента и рабочих органов машин. Им, например, "подчиняется" износ резца по задней грани или лезвия лемеха плуга по ширине задней фаски. Подобным образом могут изнашиваться и некоторые элементы машин, например цепные передачи сельскохозяйственных машин. Кривая изнашивания на рис. 33 г относится к деталям, находящимся под действием контактных напряжений, причем эти детали работают длительное время практически без истирания. Начавшееся у ста постное выкрашивание поверхностных слоев усиливается действием продуктов разрушения,

Кривая изнашивания на самом деле не может быть плавной линией. Это связано с тем, что изменение физико-механических свойств поверхности накапливается за промежуток времени, на протяжении которого непосредственному разрушению подвергается малое число участков, и лишь после того, как количество изменений достигает определенного предела, разрушением охватывается большая часть поверхности; так процесс при установившейся скорости изнашивания циклически повторяется. В таком понятии кривая изнашивания должна была бы представлять собой непрерывную совокупность криволинейных отрезков с неубывающими ординатами.

Кривая 1 на рис.  33 а построена в предположении непрерывности работы пары трения от начала приработки до полной выбраковки либо до ремонта. Подавляющее большинство пар трения работает с перерывами, хотя бы вследствие остановки машины. Скорости изнашивания в периоды выбега и разбега выше, чем при установившемся режиме. В некоторых случаях износ за один пуск машины может оказаться равнозначным износу за несколько часов ее работы на установившемся режиме. В таком случае участок кривой изнашивания после приработки поверхностей будет иметь вид, изображенный на рис. 34.

Время пуска

U

t

Рис. 34 Участок кривой изнашивания в период нормальной эксплуатации машины с перерывами в работе.

Ступенчатая ломаная может быть заменена прямой, но ее угловой коэффициент, равный средней скорости изнашивания за определенное время работы пары, будет превосходить скорость изнашивания при непрерывном установившемся режиме. Заметим, что нетрудно изобразить кривую изнашивания для работы пары на различных установившихся режимах с присущей каждому из них определенной скоростью изнашивания.

Кривые изнашивания, приведенные на рис. 33 и 34, характеризуют закономерность его во времени. Можно при надобности построит кривые изнашивания в зависимости от пути трения или другого характерного измерителя для данной машины или ее части.