лекции_1 / Лекция 8_Изнашивание

Лекция 8. Виды и характеристики изнашивания

Введение.

Проблема повышения долговечности машин и оборудования является одной из актуальнейших народнохозяйственных задач. Борьба с преждевременным износом деталей оборудования и инструмента имеет большое значение во многих отраслях промышленности и особенно в добывающих и перерабатывающих минеральное сырье, теплоэнергетике, производстве огнеупоров, силикатного кирпича, кавитационном, коррозионном, эрозионном воздействии и др.

Срок службы быстроизнашивающихся деталей определяет рентабельность многих дорогостоящих машин. Частые остановки оборудования для замены вышедших из строя деталей новыми, приводят к значительному снижению производительности труда, качества продукции, нарушает ритмичность процесса производства, вызывают непроизводственные затраты металла на изготовление сменных деталей, создают необходимость в содержании специальных ремонтных бригад, существенно затрудняют, а иногда и совершенно исключают возможность механизации и автоматизации производства. Всё это является причиной колоссальных потерь, которые несет народное хозяйство.

Современные тенденции интенсификации производственных процессов, увеличение рабочих давлений, скоростей, температуры приводят к ускорению изнашивания деталей, и в сочетании с необходимостью автоматизации производства, делают проблему повышения долговечности быстроизнашиваемых узлов машин ещё более острой.

К сегодняшнему дню человек выплавил свыше 20 млрд. тонн железа. Всего мировой металлофонд в сооружениях, машинах и механизмах составляет 6 млрд. тонн. Таким образом, 14 млрд. тонн изношенных деталей и машин в целом, «съедены» в результате их износа и коррозии в процессе эксплуатации. Средняя продолжительность жизни стальных изделий, находящихся в употреблении, составляет от нескольких часов до 15 лет.

Поиски износостойких металлов и сплавов весьма широкая, специфичная и наукоёмкая область инженерной деятельности, требующая обширных знаний о процессах, происходящих в рабочей поверхности изнашиваемой детали под воздействием изнашивающих сред в условиях эксплуатации.

Только четкие представления о свойствах, контролирующих способность сталей и сплавов к сопротивлению их рабочего слоя разрушению под воздействием изнашивающих сред, дают возможность сформулировать требования к износостойким материалам и выработать конкретные меры, обеспечивающие работоспособность деталей и увеличение срока их службы.

Для изготовления быстроизнашиваемых деталей используется много различных материалов. В целях увеличения долговечности машин применяются сложные по составу сплавы, содержащие дефицитные и дорогостоящие легирующие элементы. В некоторых случаях сложнолегированные стали применяются для условий, в которых не используются все возможности, заложенные в них легированием. Объективные данные о работоспособности материалов при изнашивании могут быть получены только при комплексном исследовании как химического и структурного состава и свойств стали, так и химического и минералогического состава и свойств среды, а также внешних условий, температуры, степени агрессивности среды и давления изнашивающих тел на рабочую поверхность детали.

Применение современных теоретических положений о способности материалов к сопротивлению изнашиванию в конкретных условиях эксплуатации оборудования позволяет сформулировать основные требования, предъявляемые к износостойким материалам, в том числе и возможность упрочнения их поверхностного слоя под воздействием контактирующих с ним тел в процессе изнашивания. Выполнение этого условия позволяет использовать для деталей, работающих без нагрева, относительно мягкие в исходном состоянии материалы, допускающие некоторую деформацию при работе без образования трещин и отколов и в тоже время обладающие достаточной износостойкостью в результате упрочнения под давлением изнашивающих сред в процессе эксплуатации.

1. Термины и понятия

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела или накопление остаточной деформации, проявляющееся в изменении размеров и формы детали (ГОСТ

27674-88).

Износ – результат изнашивания, определяемый в единицах длины, объема, массы.

Скорость изнашивания γ – отношение значения износа h к интервалу времени t, в течение которого он возник.

Интенсивность изнашивания I – отношение износа h к пути L.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Существует 10 классов износостойкости: U = 103…1012, обозначаемые цифрами от 3 до 12. Относительная износостойкость - безразмерный показатель, характеризующий соотношение абсолютных величин износа двух материалов, из которых один принят за эталон.

Процесс приработки (I) характеризуется повышенным тепловыделением, изменением микрогеометрии поверхности и отделением с поверхности частиц износа. Процесс установившегося трения (II) с малой интенсивностью изнашивания продолжается до тех пор, пока геометрические размеры детали не повлияют на режим работы механизма или до наступления предела усталости материала.

Детали из одной партии могут изнашиваться по разному. Это обусловлено вероятностной природой контактирования шероховатых поверхностей, разбросом свойств конструкционных и смазочных

t

3. Теоретические основы разрушения поверхностей трения

Решение вопросов выбора направлений работ по борьбе с износом узлов трения, обеспечивающих требуемый ресурс работы механизмов, подбор конструкционных материалов невозможны без знаний теоретических основ разрушения поверхностей твердых тел при трении.

При относительном перемещении двух поверхностей происходит случайное контактирование микровыступов, а затем разрыв контактов. Вступившие в контакт микровыступы испытывают сложное воздействие, обусловленное нормальной нагрузкой и тангенциальной за счет силы трения. Напряжения в контакте микровыступов соизмеримы с пределом текучести материала ~σТ. Эти напряжения быстро уменьшаются по мере удаления от поверхности и становятся упругими. Детали в целом не деформируются.

При микроскопическом рассмотрении поверхностного слоя трущейся детали выявляется его особая структура.

I – зона пластической деформации; II - зона фрагментации;

III - зона турбулентного течения;

IV - зона вязкого течения нанокристаллического материала.

Пластическая деформация при трении

Ratcheting layer

Elastic/plastic shakedown

Elastic layer

Высокие температура и напряжение вв ппооввееррххннооссттнноомм слое вызывают специфические дееффооррммааццииоонннныыее процессы, связанные с фрагментациеейй ии ддввиижжееннииеемм трехмерных структурных элементов ((ффррааггммееннттоовв)) ппоо схеме«сдвиг+ поворот».

Ï Литая медь

Особенности формирования нанокристаллической структуры

V

P

1

P

2

V

О характере массопереноса в пограничном слое

Вблизи поверхности трения возникает деформированный слой, имеющий структуру и свойства, отличающиеся от структуры и свойств массивного материала.

Образование частиц износа в приповерхностных слоях