1.6.2 Влияние природы материалов

Здесь и далее будем рассматривать стационарные условия изнашивания. В этом случае:

• фактическая площадь контакта сопрягаемых тел в любой момент времени постоянна;

• средняя скорость изнашивания также постоянна.

Рассмотрим процесс изнашивания с позиции деформационно-адгезионной теории.

При контакте грубых металлических поверхностей со значительной шероховатостью адгезионная составляющая силы трения мала. В этом случае при низких нагрузках происходит взаимная упругая деформация микронеровностей. Фрикционные связи образуются и разрушаются с частотой равной числу оборотов вала или кратной ему при наличии огранки или вибраций.

Циклическое упругое нагружение приповерхностных микрообъёмов металла приводит к их усталости и отделению от основного металла. Отделение частиц износа происходит по механизму многоцикловой усталости аналогичному обычной усталости материалов, но, в связи с особенностями нагружения, носящему название фрикционной или контактной усталости.

При значительных нагрузках деформация становится пластической. Холодная пластическая деформация вызывает наклёп, охрупчивающий поверхностные микрообъёмы в контактных зонах. Наклёп может повысить износостойкость поверхности трения, но перенаклёп - резко понижает контактную выносливость. Отделение частиц износа происходит по механизму близкому к малоцикловой усталости.

Таким образом, усталостное изнашивание представляет собой вид механического изнашивания в результате многократного повторного деформирования микрообъёмов материала поверхностного слоя. Этот процесс имеет скрытый (латентный) период – накопление повреждений внутри металла. Типичному усталостному изнашиванию подвергаются кольца подшипников качения.

Наконец, при ещё больших нагрузках процесс пластического оттеснения металла переходит в микрорезание – снятие микростружек в результате царапанья поверхности отдельными выступами микронеровностей. Процесс микрорезания происходит при отрицательных передних углах, а отделение удлинённых стружек – продуктов износа, облегчено всесторонним сжатием микрообъёмов контактной зоны. Характерным для изнашивания микрорезанием является отсутствие участка приработки на кривой износа.

При малой величине шероховатостей контактирующих металлических поверхностей более существенную роль при изнашивании играет адгезионная составляющая. Она способствует возникновению в микрозонах контакта значительного количества фрикционных связей, разрушающихся при движении тел. Малопрочные адгезионные связи, разрушаясь на стыке, вызывают циклические напряжения в микрообъёмах, примыкающих к этой связи. Накопление воздействий вызывает отделение частицы износа по механизму многоцикловой контактной усталости.

Более прочные адгезионные связи разрушаются не на стыке, а вырывая прилегающий микрообъём из менее прочного материала.

Самые прочные фрикционные связи адгезионной природы делают невозможной эксплуатацию узла трения, приводят к его заклиниванию. Эта катастрофическая форма изнашивания называется схватыванием.

Схватывание – прочное соединение металлических поверхностей в результате их совместного деформирования в процессе трения.

Различают схватывание I рода или холодное – возникновение локальных металлических связей в результате холодной деформации контакта; и схватывание II рода или горячее – аналогичный процесс вызванный местным повышением температуры.

Следует отметить, что не существует резкой границы, отделяющей начальную стадию пластической деформации от упругой. Кроме того, даже при трении поверхностей со значительной шероховатостью возникают адгезионные связи. То есть, процессы упругого, пластического оттеснения, микрорезания и адгезии идут параллельно. Можно говорить лишь об относительно большем вкладе того или иного механизма в суммарный процесс изнашивания.

Таким образом, рассмотренные механизмы изнашивания протекают одновременно на разных участках фактической площади контакта металлических поверхностей и разделяются условно.

Полимерные материалы и композиты представляют собой относительно малопрочные вязкоупругие среды с зависимостью свойств от времени воздействия. Это накладывает определённый отпечаток на процессы их изнашивания.

По величине модуля упругости полимерные материалы можно условно разделить на:

– жёсткие, обычно из группы реактопластов (фенолформальдегидные, эпоксидные);

– полужёсткие или средней жёсткости (полиамидные, полипропиленовые);

– мягкие или низкой жёсткости (полиэтилен, резины).

Чем ниже жёсткость полимерного материала, тем он лучше адаптируется к условиям трения: увеличивается площадь фактического контакта и снижаются контактные напряжения.

Процессы изнашивания практически всех полимерных материалов сопровождаются следующими общими особенностями.

1. Ростом теплонапряжённости узла из-за низкой теплопроводности полимера;

2. Значительной величиной термического расширения полимера;

3. Относительно сильным набуханием в различных жидких рабочих средах;

4. Увеличением зазора в связи с ползучестью полимера;

5. Адгезионным переносом полимера на поверхность металлического контртела;

6. Деструкцией полимера.

Деструкция может быть механической (механодеструкция) – механическое разрушение связей в макромолекуле; термической (термодеструкция) – разрушение макромолекул под действием высоких температур; химической (чаще всего окислительной) - окисление кислородом воздуха.

Эти три процесса могут идти параллельно.

Изнашивание жёстких полимеров протекает по механизму наиболее близкому к изнашиванию металлов. Возможно упругое и пластическое деформационное оттеснение материала, его царапанье и микрорезание при росте нагрузок. Отделение частиц износа в основном происходит по механизму многоцикловой фрикционной усталости.

Полимеры средней жёсткости также могут подвергаться пластическому оттеснению и микрорезанию. Кроме того, в связи с деформацией ползучести под нагрузкой, растёт площадь фактического контакта, и снижаются контактные напряжения. Это приводит к уменьшению деформационной составляющей усилия трения и к росту – адгезионной из-за увеличения контактной площади. Адгезионное взаимодействие может выражаться в «намазывании» (фрикционном переносе) полимера на металлическое контртело и в последующем выносе этих частиц из узла трения. Изнашивание в этом случае происходит в результате адгезионного переноса.

Маложёсткие полимеры и, в частности, эластомеры деформируются не пластически, а высокоэластически. Адгезионные связи с контртелом прочны и разрушаются только при значительном вытягивании микрообъёмов.

Жёсткие резины (автомобильные шины) подвергаются в основном усталостному изнашиванию и микрорезанию (при торможении). Мягкие резины (как, например, стирательная резинка) изнашиваются в связи с образованием частиц скатывания. Изнашивание в результате скатывания наступает при высоких коэффициентах трения, значительных деформациях, наступающих до начала скольжения, и низкой адгезии к контртелу.

Следовательно, изнашивание полимеров подчиняется тем же закономерностям, что и изнашивание металлов, но имеет ряд особенностей.