- •Конструкционные материалы в Автомобилестроении
- •1. 1. Требования, предъявляемые к металлам и сплавам
- •1.2. Химический состав, механические, физические и технологические характеристики металлов и сплавов
- •2.1. Виды чугунов
- •2.2. Чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом, ковкие чугуны
- •2.3. Специальные чугуны
- •3.1.Углеродистые стали
- •3.1.1.Углеродистые стали в автомобилестроении
- •3.2.Легированные стали
- •3.3. Легированные и низколегированные стали в автомобилестроении
- •3.3. Рессорно-пружинные, высоколегированные жаростойкие и жаропрочные стали
- •3.4. Марки сталей, чугунов и цветных сплавов, применяемых при изготовлении основных деталей отечественных автомобилей
- •4.1. Цветные алюминиевые, цинковые и магниевые сплавы
- •4.2. Цветные сплавы на медной и цинковой основе
- •4.3. Припои и антифрикционные сплавы
- •5.1. Металлы и материалы, применяемые при восстановлении автомобильных деталей сваркой, наплавкой и напылением
- •5.2. Металлы и материалы, применяемые для наращивания деталей электролитическими покрытиями
- •7.Виды механического разрушения
- •9.Ползучесть. Разрыв при ползучести
- •10. Характеристики износа и виды изнашивания
- •I- окислительное изнашивание; II- схватывание I рода
- •11. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы. Жаропрочные стали и сплавы
- •12. Технологические методы повышения износостойкости деталей
- •13. Конструктивные и эксплуатационные методы повышения износостойкости деталей машин
10. Характеристики износа и виды изнашивания
Износостойкость— свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.
Изнашивание— процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называютизносом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ).
В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машин.
Изнашивание является сложным физико-химическим процессом и нередко сопровождается коррозией. Реальные поверхности имеют сложный рельеф, характеризующийся шероховатостью и волнистостью. При трении существует дискретное касание шероховатых тел и, как следствие этого, возникают отдельные фрикционные связи, определяющие процесс изнашивания. Износ может возникнуть вследствие фрикционной усталости, хрупкого и вязкого разрушения, микрорезания при начальном взаимодействии, разрушения (в том числе усталостного) оксидных пленок, глубинного вырывания металла и т. д.
Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости vh или интенсивностиJhизнашивания. Скорость и интенсивность изнашивания представляют собой отношение износа соответственно к времени или пути трения.
Интенсивность линейного изнашивания
Чем меньше значение скорости изнашивания при заданном износе Δh, тем выше ресурс работыtузла трения:
Скорость изнашивания и износ зависят от времени.
Интенсивность изнашивания Jhизменяется от 10-3до 10-13. В зависимости от величины интенсивности изнашивания введено 10 классов износостойкости от 0 до 9.
По виду контактного взаимодействия поверхностей трения классы 0—5 соответствуют упругому деформированию (Jh=10-13- 10-7); классы 6 и 7 — упруго пластическому деформированию (Jh= 10-7- 10-5); классы 8- 9 - микрорезанию (Jh=10-5- 10-3). Так, интенсивность изнашивания гильз цилиндра, поршневых колец, шатунных и коренных шеек коленчатых валов составляет 10-11— 10-12, режущего инструмента - 10-5—10-8, зубьев ковшей экскаваторов — 10-3—10-4.
Классы износостойкости позволяют применять расчетные методы определения срока службы трущейся пары.
Существуют три периода износа (рис. 1).
Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скоростей начального и установившегося изнашивания. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки. При выборе материала необходимо учитывать, что критерии его износостойкости зависят не только от свойств поверхностного слоя материала, но в сильной степени от условий его работы. Условия работы отличаются таким большим разнообразием, что не существует универсального износостойкого материала. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других. Износостойкость материала при заданных условиях трения, как правило, определяют экспериментальным путем.
Рис.26. Изменение износа Δh во времени (схема)
I — начальный, или период приработки, когда изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью; II — период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания; III - период катастрофического износа.
Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех групп факторов:
1) внутренних, определяемых свойствами материалов;
2) внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура);
3) рабочей среды и смазочного материала.
Совокупность этих факторов обусловливает различные виды изнашивания (ГОСТ 27674—88) различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (изнашивание при действии электрического тока).
К механическомуизнашиванию относят абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и изнашивание при заедании.
Абразивноеизнашивание материала происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел и (или) абразивных частиц. Эти частицы попадают между контактирующими поверхностями со смазочным материалом или из воздуха, а также могут появиться в результате развития других видов изнашивания (схватывания, выкрашивания, окисления). Абразивное изнашивание может иметь место с преобладанием процессов окисления (окисление и последующее разрушение оксидных пленок) и с преобладанием механического разрушения (внедрения абразивных частиц) и разрушения поверхности. При окислительной форме абразивного изнашивания коэффициент трения 0,05—0,30 и толщина разрушающегося слоя до 0,1 мм. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы (грунт, разбуриваемые породы и т. д.).
Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивнымизнашиванием. Оно имеет место, например, в мешалках и пропеллерах реакторов, в колесах и корпусах насосов, в шнеках и т. д.
Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (например, в дымоходах и воздуходувках), то вызываемое ими изнашивание называется газоабразивнымизнашиванием.
Под кавитационнымизнашиванием понимают изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаждению, трубопроводы.
Усталостноеизнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений и разрушений поверхности под влиянием циклических контактных нагрузок, вызывающих появление «ямок» выкрашивания. Усталостное изнашивание проявляется при трении, качении или реже качении с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным.
Так, контактную усталость можно наблюдать в тяжелонагруженных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах подвижного состава железнодорожного транспорта и т. д.
Изнашивание при фреттинг-коррозиипроисходит в болтовых и заклепочных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей, находящихся в подвижном контакте. Достаточны для образования фреттинг-коррозии даже весьма малые относительные перемещения с амплитудой 0,025 мкм.
Причиной изнашивания является непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта.
Изнашивание при заедании, при котором имеет место задир, что приводит к катастрофическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности, и трущиеся детали выходят из строя.
Электроэрозионноеизнашивание происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.
Допустимые виды изнашивания: окислительное и окислительная форма абразивного изнашивания. Недопустимые разрушения при трении: схватывание I и II рода, фреттинг-процесс, резание и царапание (механическая форма абразивного изнашивания), усталость при качении и другие виды повреждения (коррозия, кавитация, эрозия и др.).
Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т.п.), и детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т.п.).
Характерные виды изнашивания деталей первой группы — абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (например, истирание почвой), гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкости или газа), кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).
Различные виды изнашивания по закономерностям протекания весьма разнообразны.
10.1. Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа
Причина изнашивания сопряженных деталей - работа сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др.
Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникновение различных теорий внешнего трения. Наиболее полно силовое взаимодействие твердых тел объясняет молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения, которая исходит из дискретности контакта трущихся поверхностей. Из-за шероховатостей соприкосновение поверхностей возникает в отдельных пятнах касания, образующихся от взаимного внедрения микронеровностей или их пластического смятия. Взаимодействие скользящих поверхностей в этих пятнах согласно теории имеет двойственную природу — деформационную и адгезионную. Деформационное взаимодействие обусловлено многократным деформированием микрообъемов поверхностного слоя внедрившимися неровностями. Сопротивление этому деформированию называют деформационной составляющей силы трения FД. Адгезионное взаимодействие связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки Сопротивление срезу этих мостиков и формирование новых определяет адгезионную составляющую силы тренияFАДТаким образом, сила трения так же, как и другая важная фрикционная характеристика — коэффициент тренияf, по определению равный отношению силы трения к нормальной нагрузкеN: f = F/N, определяются как сумма двух составляющих:
Деформационная составляющая трения растет пропорционально относительному внедрению неровностей h/R(h— глубина внедрения,R- радиус внедрившейся неровности). Отношениеh/Rи соответственноFДиfДи растут с увеличением шероховатости поверхности, нагрузки и снижаются с повышением твердости и модуля упругости материала. Различают три вида механического взаимодействия (рис. 27,а-в):
1) упругое контактирование;
2) пластическое деформирование;
3) микрорезание.
Рис. 27. Виды взаимодействия поверхностей трения:
а - упругое контактирование; б- пластическое деформирование; в - микрорезание; г - схватывание и разрушение поверхностны;» пленок; д - схватывание и глубинное вырывание
Интенсивность износа минимальна при упругом контактировании. При пластическом деформировании она увеличивается на несколько порядков. Это обусловлено тем, что участки поверхности под влиянием пластической деформации интенсивно упрочняются и по исчерпании запаса пластичности хрупко разрушаются. Этому же способствует и усиление адгезионного взаимодействия. Микрорезание относится к недопустимым механизмам изнашивания, так как вызывает интенсивное разрушение поверхностного слоя. Микрорезание возможно не только внедрившимися неровностями, но и посторонними твердыми частицами. Такой вид разрушения поверхности называют абразивным изнашиванием.
Адгезионная составляющая трения пропорциональна безразмерному параметру τ0/НВ(τ0— прочность на срез адгезионной связи). Возможны два вида адгезионного взаимодействия (рис. 27,г,д):
1) схватывание и разрушение поверхностных пленок;
2) схватывание металлических поверхностей, сопровождающееся заеданием, т.е. глубинным вырыванием.
При первом виде взаимодействия срез адгезионных связей происходит по оксидным или адсорбированным пленкам, которыми всегда покрыты трущиеся поверхности. Скорость образования оксидных пленок обычно высока, чему способствуют высокие температуры, развивающиеся на поверхностях трения. Разрушение поверхности путем среза оксидных пленок называется окислительным изнашиванием. Это наиболее благоприятный вид изнашивания, при котором процессы разрушения локализуются в тончайших поверхностных слоях.
Схватывание металлических поверхностей возникает между чистыми от пленок (ювенильными) поверхностями трения, например, в условиях вакуума или при разрушении пленок пластической деформацией в местах контакта. В зависимости от условий трения, при которых пластическая деформация разрушает оксидные пленки, различают две разновидности схватывания: холодное (I рода) и тепловое (II рода). Различают схватывание 1 рода (холодный задир) и II рода (горячий задир). Холодный задир происходит при трении с небольшими скоростями относительного перемещения (до 0,5— 0,6 м/с) и удельными нагрузками, превышающими σTпри отсутствии смазочного материала и защитной пленки оксидов. Горячий задир, наоборот, имеет место при трении скольжения с большими скоростями (>0,6 м/с) и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500—1500 °С). При схватывании I рода коэффициент трения 0,5—4,0 и толщина разрушающегося слоя до 3—4 мм, а при схватывании II рода соответственно 0,10—1,0 и до 1,0 мм.
Разрушение поверхностей трения при схватывании (заедании) называют адгезионнымизнашиванием. Это наиболее опасный и быстротечный вид изнашивания, который служит главной причиной отказа в работе многих узлов трения.
Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала:
1) увеличение твердости трущейся поверхности;
2) снижение прочности адгезионной связи.
Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по возможности упругое деформирование участков контакта.
Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей трения жидким, твердым (иногда газовым) смазочным материалом. При использовании жидкостной смазки, когда поверхности деталей разделены несущим гидродинамическим слоем, коэффициент трения минимален (0,005 - 0,01), а износ практически отсутствует.
Твердая смазка обеспечивает более высокий коэффициент трения (0,02 -0,15). Она незаменима для узлов трения, способных работать в вакууме, при высоких температурах и других экстремальных условиях. Из твердых смазочных материалов наиболее широко применяют графит, дисульфид молибдена MoS2, имеющие слоистое строение.
Использование смазочных материалов, однако, не гарантирует от схватывания. Твердые смазочные материалы постепенно изнашиваются. Условия жидкостной смазки нарушаются из-за неблагоприятных режимов работы механизмов (периоды приработки, а также пуска и остановок машин). В этих случаях возникает граничное трение, при котором поверхности разделяются лишь тонкой масляной пленкой. Контактные напряжения и нагрев способны разрушать эту пленку и вызывать схватывание.
Рис. 28. Влияние нагрузки Р на интенсивность изнашивания Jh различных материалов (контакт из одноименных материалов) :