2. Классификация видов износа

Контактирующие поверхности под воздействием сил трения могут разрушаться различным образом. Ранее были рассмотрены некоторые виды разрушения поверхностей трения. Тот или иной вид разрушения зависит как от свойств трущихся тел, так и от внешних условий, нагрузки и скорости скольжения. Нагрузка, точнее относительное внедрение, обусловливает вид нарушения фрикционных связей. При скольжении - поверхностные слои нагреваются, в результате чего свойства их изменяются. В некотором интервале сближений и температур вид нарушения фрикционных связей остается неизменным, типичным для данных условий. В связи с этим оказывается возможным различать виды износа. Существует несколько классификаций видов износа.

Первая классификация была предложена Бринелем в 1921 г., который в зависимости от кинематического признака и наличия прослойки между поверхностями различал износ:

• при трении качения со смазкой;

• при трении качения без смазки;

• при трении скольжения со смазкой;

• при трении скольжения без смазки;

• между двумя твердыми телами;

• с разделением твердых тел промежуточным шлифующим порошком.

Развернутую классификацию видов износа дал в 1937 г. В. Ф. Лоренц /7/.

Детальную классификацию видов износа предложил в 1947 г. А.К. Зайцев /8/.

Burwell и Strong различают износ, происходящий вследствие:

• адгезии;

• коррозии;

• наличия абразивных частиц;

• пропахивания твердыми неровностями более мягкого контртела;

• различных причин — эрозии поверхностей, усталости и др.

Б. И. Костецкий /9/, рассматривая процессы, протекающие в поверхностных слоях металлов под воздействием сил трения, различает следующие виды износа:

• износ схватыванием первого рода;

• окислительный, связанный с поглощением кислорода воздуха поверхностным слоем металла;

• тепловой;

• абразивный;

• осповидный (усталостный).

Подробная классификация видов износа по служебным признакам предложена М. М. Хрущевым /10/.

Е.Н. Швецовой и И.В. Крагельским /11/ разработана классификация видов износа, построенная на рассмотрении трех последовательных этапов:

• взаимодействие поверхностей, происходящее при скольжении;

• их изменение;

• разрушение поверхностей.

Так как до сих пор еще четко не выявлены признаки, по которым надлежит классифицировать износ, то, естественно, не создано и единой классификации видов износа. Однако, если интересоваться видом разрушения поверхностей (классификации Барвелла, Хрущева, Швецовой — Крагельского), то, как видим, предложенные классификации примерно одинаково различают эти виды повреждений. Ранее приведены предложенные нами пять видов нарушения фрикционных связей, которые могут рассматриваться применительно к материалу основы и к измененному поверхностному слою, в частности к пленке окисла. Этими видами нарушения фрикционных связей охватываются все возможные виды износа. Наука об износе в основном была сосредоточена на изучении частных видов износа.

Длительное время одним из основных предметов научных исследований было изучение износа под воздействием твердых частиц. Этому виду износа были посвящены работы /12-18/.

Серия глубоких исследований по изучению износа в условиях сухого трения со смазкой была выполнена альдермастонской школой исследователей: Hirst и Lancaster, Archard и Hirst и др.

Менее подробно изучены другие виды износа. Например, износ при схватывании металлов изучался в основном В.А. Кисликом /19/, Г.Д. Полосаткины /20/ и В.Н. Кащеевым /21/.

Обобщенные данные по исследованию износа при схватывании можно найти в монографии В.Д. Кузнецова /22/.

Износ, как результат образования пленки оксида и ее сдирания, детально изучили Mailander и Dies, применительно к калибрам – А.Л. Честнов /23/.

Представляет интерес работа С.П. Козырева /24/, исследовавшего закономерности кавитационно-абразивного износа. В частности, отмечен, что развитие процесса во времени протекает нелинейно, т.е. имеется определенный «инкубационный период», предшествующий процессу износа. Частицы износа определяются в результате многократного деформирования. Сами частицы имеют следы деформаций в виде наслоений, вмятин и т.п.

За последние 2-3 года получила известное развитие усталостная теория износа, особенно применительно к полимерам. Следует указать на исследования по этому вопросу, выполненные в Институте машиноведения /25/, в Институте пластмасс /26/ и в НИИШПе /27/.

Одна из первых концепций, описывающих процесс износа, сформулирована Н.Н. Давиденковым, рассматривающим механический износ как два самостоятельных, протекающих одновременно процесса истирания и смятия. Под первым Давиденков понимал отрывание с последующим удалением частиц металла, под вторым – расплющивание материала под действием движущегося груза /28/. Далее он указывает, что применение истирающего материала (наждака, опилок, кварцевого песка) или шлифующих орудий существенно изменяет физическую природу износа, внося в нее элементы резания и приближения к обработке резцом.

Д.В. Конвисаров /29/ видит природу износа в трех процессах:

• хрупком скалывании частиц;

• пластическом деформировании (смятии);

• окислении.

Эта концепция не является строго сформулированной, ибо автор не указывает, каким же образом окисленный слой будет удален.

П.А. Ребиндер и его учебники /30-32/ рассматривают процесс износа как поверхностное диспергирование в результате многократной пластической деформации, приводящей к упрочнению и усталостному разрушению. Адсорбционное или адсорбционно-химическое воздействие окружающей среды интенсифицирует этот процесс, облегчая пластическое деформирование и последующее хрупкое разрушение металлов в поверхностном слое. Это, в свою очередь, облегчает приработочный (полезный) износ в условиях высоких контактных давлений. Под влиянием адсорбционно-активной смазки имеет место в дальнейшем значительное повышение гладкости поверхности, проводящее к снижению давления, и упрочнению поверхности, что, в свою очередь, приводит к резкому снижению установившегося износа. Концепция П.А. Ребиндера учитывает неоднородность реальных тел и позволяет устанавливать влияние на износ окружающей среды (смазка, воздуха и др.).

Длительное время была распространена точка зрения, согласно которой абразивный износ связывался с наличием в контакте твердых частиц, попавших извне (например, песка из почвы) или образовавшихся в процессе износа (предельно наклепанные частицы износа). Считали, что эти частицы вследствие более высокой твердости режут материала. Так, например, объясняли износ почвообрабатывающих и других машин. В лабораторных испытаниях это явление моделировалось действием абразивной шкурки, наждачной бумаги, корундового полотна на изнашиваемую поверхность.

Мерой борьбы с абразивным износом сторонники этих взглядов считали защиту поверхностей от попадания посторонних твердых частиц и повышение твердости поверхностей до значений, превышающих твердость посторонних частиц, называемых абразивными.

Практика показала, что даже при полном отсутствии твердых посторонних частиц наблюдается износ (нитепроводящие органы и фильеры на фабриках искусственного волокна, поручни, износ силовых гидросистем, где полностью исключена возможность попадания посторонних частиц, износ металлов тканью и другое). Выяснилось, что повышение твердости металлов при работе их в грунте (даже в песчаном) не приводит к желаемому повышению износостойкости. Это заставило более глубоко изучить воздействие твердых частиц (абразива) на материал, причем выяснилось, что в зависимости от формы абразива и действующих нагрузок могут иметь место все пять описанных выше видов нарушения фрикционных связей. За последнее время более детальное исследование действия твердых частиц на материал применительно к почвенным условиям выполнено В.Н. Ткачевым /33/.

Исследованию износа при действии абразива, находящегося между поверхностями трения, а также и других видов износа горных машин посвящена монография М.М. Тенненбаума /34/.

Глубокие теоретические исследования действия абразива на материал выполнены В. Н. Кащеевым /35/, который констатировал, что механизм износа материалов абразивными зернами различной степени закрепленности (свободное зерно, абразивная среда, абразивный круг) носит совершенно разный характер в силу неодинаковости схем разрушающих напряжений.

Основной вывод, к которому пришли исследователи, занимавшиеся оценкой износостойкости материалов при истирании их по жестко закрепленному абразиву, состоит в том, что износ прямо пропорционален нагрузке и обратно пропорционален твердости, что справедливо лишь для данных условий.

В общем случае износ пропорционален нагрузке в степени, большей единицы. Это подтверждают В.М. Гутерман и М.М. Теннанбаум /36/, Н.М. Серник /37/, В.Г. Колесов /38/, Д.И. Горин /39, 40/.

Д.И. Горин /39/ констатировал, что твердость не является достаточно надежным критерием износостойкости. Так, например, пальцы гусеничной цепи из стали 45, закаленные до твердости HRC 52-58, изнашиваются больше, чем такие же пальцы, имеющие твердость HRC 32-36.

В.Н. Кащеев показал, что не всякое структурное изменение может повышать износостойкость. Оказывается, что обычное упрочнение наклепом в этом отношении бесполезно. Предварительное заданный статистическим деформированием наклеп стали латуни, алюминия не изменяет их сопротивления изнашиванию в случае закрепленного т свободного абразивного зерна, а также в случае воздействия по методу взаимного шлифования (хотя твердость изменяется значительно).

Ряд экспериментов, приведенных В.Н. Ткачевым, показал, что в общем случае износостойкость зависит от твердости в степени больше единицы. Он констатирует: исследование изношенных поверхностей лемехов на различных почвах и форм частиц песка этих почв показала, что в процессе износа рабочих органов наиболее вероятным разрушением поверхности стали, является многократная деформация металла в результате образования пластически выдавленных царапин при трении абразивных частиц.

Сам термин «абразивный износ» нуждается в уточнении, так как под этим видом износа подразумеваются в настоящее время разрушения металла под воздействием твердых частиц, занесенных извне в контакт или образовавшихся в процессе износа (наклепанные частицы износа). Однако эти твердые частицы могут производить совершенно различное механическое действие, начиная от микрорезания и кончая упругим деформированием материала.

Все зависит от формы твердых мелких частиц, степени их закрепленности, действующей нагрузки. Интересно, что в самом термине «абразив» (от латинского слова abradere- соскабливать, сбивать, соскребывать) ничего не сказано о режущем действии частиц - скорее этот термин на латинском языке соответствует слову истирание.

Широко распространенная концепция Боудена и Тейбора о природе трения, в основном которой лежит представление об образовании мостиков сварки и их последующем разрушении, позволяет рассматривать износ как результат удаления с поверхности трения одного тела приварившихся выступов, разрушающихся на некоторой глубине. Эта простая на первый взгляд точка зрения не является до конца ясной. Может возникнуть несколько вопросов.

Во-первых, очевидно, что контртело, на некоторое переносится металл, рано или поздно покроется слоем перенесенного металла и, следовательно, будет происходить износ одноименных материалов. Если бы это было так, то тогда износ любого легче разрушаемого металла по любому другому металлу не зависел бы от природы контртела и был одним и тем же.

Во-вторых, остается неясным вопрос относительно собственно износа (потери веса пары трения) и образования частиц износа. Каким же образом удаляется приварившийся слой? На эти вопросы дали частичный ответ Kerridge и Lancaster в исследовании по износу металлов. Они показали, что процесс износа при наличии адгезии идет сложнее, а именно, вначале металл переносится, намазывается на более твердую поверхность в виде тонкого слоя порядка 0,5 мкм, а затем уже отделяется в виде частиц износа в результате разрушения этого перенесенного, обычно окисленного, слоя металла.

Величина износа пропорциональна нагрузке. Это кажется логичным, так как в условиях пластического контакта истинная площадь касания пропорциональна нагрузке, а износ происходит на этой площади. Можно было предполагать, что в условиях упругого контакта площадь касания будет пропорциональна нагрузке в степени, меньшей единицы, например для единичной сферы, или хотя бы близка к единицы за счет множественности упругих контактов. Однако оказалось, что износ пропорционален нагрузке в степени, значительно превышающей единицу.

Вопрос о связи износа с механическими свойствами находит отражение в ряде исследований. Например, Lancaster в тщательно проведенных экспериментах с износом графитовых материалов установил зависимость между износостойкостью и модулем упругости.

Ланкастер показал, что при трении графитовых щеток по медному коллектору величина износа с увеличением модуля упругости падает. Очевидно, это будет, когда одновременно с этим величина предела пропорциональности остается неизменной, в противном случае будет иметь место инверсия этой зависимости, что и получил Ланкастер в одном из своих экспериментов.

Е. Рабинович приводит данные для коэффициента трения (табл. 1) при различных условиях трения. Для абразивного изнашивания им полечены следующие коэффициенты: острый напильник 0,1; новая абразивная бумага 0,01; округленные абразивные частицы 0,0001

Как видно из таблицы, коэффициент износа имеет различное значение в зависимости от остроты граней абразива, т. е. в зависимости от того, имеет место резание, пластическое или упругое оттеснение материала.

В процессе трения поверхности твердых тел окисляются, в связи с этим большой интерес представляет изучение износа в условиях отделения пленки окисла материала. Первые исследования в этой области выполнил немецкий ученый Dies, который в 1943 г. опубликовал данные по влиянию химического действия окружающей среды на износ стали.

Таблица 1