3. Механічне спрацювання

Механічне спрацювання — це спрацювання внаслідок механічної дії.

Механічне спрацювання, в свою чергу, можна поділити на: абра­зивне, гідроабразивне (газоабразивне), гідроерозійне (газоерозійне), внаслідок втомленості та фретингу.

Абразивне спрацювання — це механічне спрацювання матеріалу вна­слідок різальної або дряпаючої дії твердих тіл чи частинок.

Деталі лісогосподарських та лісозаготівельних машин найбільше знаходяться під дією абра­зивного спрацювання. Абразивні частинки можуть бути мінерального походження, металевими, продуктами окислення, а також твердими структурними складовими одного зі спряжених металів.

Основне джерело потрапляння абразивних частинок у спряження машин — навколишнє середовище. В 1 м³ повітря міститься 0,04...5,0 г пилу, що на 60...80 % складається з частинок мінералів. Більшість частинок мають розміри 5...120мкм, тобто співмірні із проміжками в спряженнях машин. Основні складові пилу такі: діоксид силіцію SiO₂, оксид заліза Fe₂O₃, сполуки Аl, Са, Mg, Na та інших елементів. Усі ці елементи, як правило, мають високу твердість. Так, твердість SiO₂ досягає 1078...1170Н_RA, а оксиду алюмінію — 1800...2290Н_RA, що перевищує твердість робочих поверхонь більшості деталей машин.

Якщо твердість абразивних частинок співмірна з твердістю основного металу робочої поверхні деталі, то вони сприяють руйну­ванню оксидної плівки та активізації корозійних та адгезійних процесів під дією вологи та кисню повітря.

Якщо твердість абразивної частинки перевищує в 1,5... 2 рази твердість основного металу деталі, то спостерігається пластичне відти­снення, а якщо частинка проникає в поверхню деталі гострою гран­ню, то пластичне відтиснення переходить у мікрорізання.

Швидкість абразивного спрацювання від 0,5...50 мкм/год (у разі функціонування деталей зі змащувальним матеріалом) та від 0,13...1,27 мм/год (у разі функціонування деталей без змащувального матеріала).

Різновидом абразивного є гідроабразивне (газоабразивне) спрацювання — абразивне спрацювання внаслідок дії твердих тіл або твердих частинок, що заносяться потоком рідини (газу) до поверхонь тертя.

Ерозійне спрацювання, що виникає внаслідок дії потоку рідини (газу) на поверхні деталей, називається гідроерозійним (газоерозійним) спрацюванням.

Ерозія металів — комплексний фізичний та фізико-хімічний процес, що відбувається внаслідок впливу навколишнього сере­довища, окислення, наклепу, температурних і залишкових напру­жень, крихкого руйнування та втомленості. Пошкодження від ерозії в перший період розвиваються, як правило, з малою інтен­сивністю, а потім, з підвищенням крихкості поверхневого шару, утворюються мікротріщини і процес руйнування прискорюється. На поверхні виникають локальні плями, вибоїни, кратери тощо. При­кладом ерозійного спрацювання є спрацювання розподільників паливної та гідравлічної апаратури.

Різновидом гідроерозійного спрацювання є кавітаційне.

Кавітаційне спрацювання — це механічне спрацювання, що виникає на поверхні твердого тіла внаслідок дії на нього кумулятивних струмин рідини, які заносять на поверхню бульбашки газу, створюючи місцевий високий тиск та високу температуру. Кавітація (від лат. cavitas — порожнина — це порушення суцільності рідини, тобто утворення в рідині порожнин, заповнених газом, парою — так званих кавітаційних бульбашок. Кавітація виникає через місцеве зменшення тиску нижче критичного значення (для реальної рідини воно приблизно дорівнює тиску насиченої пари цієї рідини за даної температури) і створює умови для місцевого гідравлічного удару. При цьому дія на поверхню буває настільки значною, що виникають глибокі кратери або навіть наскрізний отвір.

Спрацювання від втомленості — це механічне спрацювання внаслі­док руйнування при повторному деформуванні мікрооб'ємів матеріалу поверхневого шару. Явище спрацювання від втомленості відбувається при терті кочення і терті ковзання. У цьому разі повторні деформації мікрооб'ємів відбуваються як за рахунок механічних, так і молекулярних (адгезійних) дій.

Втомлювальні злами мають ряд характерних ознак, що дозволяє відрізнити їх від інших видів зламів. На поверхні зламу можна виділити п’ять характерних зон. Фокус зламу – мала локальна зона, що розташована близько до точки виникнення початкової макроскопічної тріщини втомлюваності. Фокус зламу розташовується, як правило, на поверхні деталі у місцях концентрації напружень чи поверхневих дефектів. Якщо у матеріалі деталей були внутрішні дефекти чи поверхні деталей зміцнювались, то фокус зламу може розташовуватись в середині деталі.

Рис.10. Схема втомлювального зламу деталей:

1 – фокус зламу і джерело руйнування; 2 – вторинні східці і рубці; 3 – лінії втомлюваності; 4 – зона прискореного розвитку тріщини; 5 – зона доламування

Джерело руйнування – невелика зона, що прилягає до фокусу зламу. При великих напруженнях може бути декілька джерел руйнувань. На поверхні зламу ця зона має найбільший блиск і гладкість. Лінії втоми на джерелі руйнування, як правило, відсутні.

Ділянка вибіркового розвитку відповідає зоні розвинутої тріщини втомлюваності. В цій зоні видно характерні лінії втомлюваності, що хвилеподібно розходяться від джерела руйнування. Форма ліній втомлюваності залежить від форми деталі і характеру навантажень. Напрямки розвитку тріщини можуть відхилятися від початкового, при цьому утворюються зародки тріщин, що розвиваються в іншому напрямку, утворюючи вторинні східці і рубці.

Ділянка прискореного розвитку тріщини являється перехідною зоною між ділянками розвитку тріщин втомлюваності і зоною доламування. Ця зона утворюється протягом декількох циклів, що передують повному зламу.

Зона доламування характеризується ознаками макрокрихкого руйнування.

Найбільший вплив на розвиток спрацювання від втомленості мають умови тертя (навантаження й температура), властивості матеріалу та застосовувані мастильні матеріали.

Механічне спрацювання дотичних тіл при малих відносних пе­реміщеннях називається спрацюванням при фретингу. Цей вид спрацювання спостерігається при терті ковзання з дуже малими зворотно-поступальними переміщеннями та динамічному (вібраційному) прикладанні навантаження. У разі фретингу спрацьовуються різні матеріали деталей у різних вузлах і спряженнях машин.

Спрацювання за умов фретингу характеризується пластичною де­формацією мікровиступів, схоплюванням між поверхнями тертя, а також виникненням і руйнуванням оксидних плівок.