9.3. Изнашивание металлов

При трении сопряженных поверхностей имеет место изнашивание, под которым по-нимают процесс отделения материала с поверхности твердого тела и увеличения его оста-точной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и фор-мы тела.

Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию оцениваемое величиной, обратно скорости изнашивания, принято называть износостойкостью. В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машины.

При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила тре-ния F, препятствующая взаимному перемещению.

Сила трения

F = P f,

где P - нормальная составляющая внешней силы, действующая на контактную поверх-ность, а f - коэффициент терния.

Обычно между трущимися поверхностями имеется тонкая пленка оксидов, которая изолирует поверхности соприкасающихся металлов. Механизм изнашивания и величина их износа зависят как от свойств материала пар трения, так и от характера их движения (трение скольжения, качения и т.д.), величины P , скорости перемещения v, и физико-химического действия среды.

При постоянных условиях трения имеет три стадии изнашивания (рис. 42):

1 - период приработки, при которой происходит интенсивное изнашивание, изменяется мик-рогеометрия поверхности и материал наклепывается;

2 - период установившегося износа, в течении которого интенсивность износа минимальная для заданных условиях трения;

3 - период катастрофического износа.

Виды изнашивания. Различают следующие виды изнашивания: механическое, корро-зионно- механическое и электроэрозийное.

К механическому изнашиванию относят абразивное, гидроабразивное, газо-абразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание материала происходит в результате режущего и царапающе-го действия твердых тел или абразивных частиц. Эти частицы попадают между контакти-рующими поверхностями со смазочным материалом или из воздуха. Абразивное изнашива-ние является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы ( грунт, разбуриваемые породы).

Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным изнашиванием. Оно имеет место, например, в мешал-ках и пропеллерах реакторов, в колесах и корпусах насосов, в шнеках и т.д.

Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (например, в дымоходах и возду-ходувках), то вызванное ими изнашивание называется газо-абразивным изнашиванием.

Под кавитационным изнашиванием понимают изнашиванием поверхности при отно-сительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаж-дению, трубопроводы.

Усталостное изнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопле-ния повреждений и разрушений поверхности под влияние циклических контактных нагрузок, вызывающих появления "ямок" выкрашивания. Усталостное изнашивание проявляется при трении, качении или реже качении с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным.

Так, контактную усталость можно наблюдать в тяжело нагруженных зубчатых и чер-вячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах подвижного состава железно-дорожного транспорта и т.д.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в болтовых и заклепочных соеди-нениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей, находящихся в подвижном контакте.

Причиной изнашивания является непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта, Коэффициент трения 0,1 - 1,0.

Изнашивание при заедании, при котором имеет место задир, что приводит к катастро-фическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности , и трущиеся детали выходят из строя.

Различают схватывание I 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  при отсутствии смазочного материала и защитной пленки оксидов. Горячий задир, имеет место при трении скольжения с большими скоростями (> 0,6 м/с) и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500- 15000С).

При схватывании I рода коэффициент трения 0,5 – 0,4 и толщина разрушающегося слоя до 3 - 4 мм, а при схватывании II соответственно 0,10 – 1,0 и до 1,0 мм.

Электроэррозийное изнашивание 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, фретинг – процесс, резание и царапанье (механическая форма абразивного изнашивания), усталость при качении и другие виды повреждения ( коррозия, эрозия и др.)

7.7. Пути повышения прочности

Увеличение прочности  и сопротивления усталости  металлов или спла-вов при сохранении достаточно высокой пластичности ), вязкости (KCU, KCT) и трещи-ностойкости (K1c) и повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход материалов на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.

Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При этом происходит изменение состава и природы фаз, образую-щих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокации и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.

Техническую прочность определяют описанные выше свойства ,  Sк, E,  и др.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разруше-нию, которые должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смешаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 - 1000 раз больше технической прочности. это связано с дефектами в кристаллическом строе-нии, и прежде всего с существованием дислокаций.

Повышение прочности достигается: созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, что требует больших затрат и повышением плотности дефектов (в том числе и дислокаций), затрудняющих движение дислокаций, что вполне реально.

Рассмотрим с этих позиций основные механизмы упрочнения: деформационное, твердо растворное, образование гетерогенных структур (дисперсное упрочнение), различного рода границ и оценим их роль в охрупчивании металлов.

Деформационное упрочнение (наклеп) приводит к увеличению плотности дислокаций, что сильно повышает предел текучести, но одновременно резко снижает сопротивление хрупкому разрушению.

При образовании твердых растворов (твердо растворное упрочнение) увеличиваются предел прочности и текучести и твердость. Повышение прочности в твердом растворе прямо пропорционально концентрации растворенного элемента ( до 10 -30 %) Величина К1с при образовании твердых растворов снижается. Основная причина охрупчивания металла в присутствии примесей внедрения - малая подвижность дислокаций.

Механические свойства сплавов твердых растворов в сильной степени зависят от ве-личины зерна, полигонизированной структуры (субструктуры) и других структурных изме-нений.

Эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница - зернограничное упрочнение. Повышение прочности при измельчении зерна не со-провождается охрупчиванием. Чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, поскольку границы зерен затрудняют переход трещины сколом из одного зерна в другое вследствие изменения ее направления движения. Измельчение зерна понижает порог хлад-ноломкости.

Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, сильно повышает предел текучести (дисперсное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможение дислокаций зонами Гинье-Престона или частицами выделений. Помимо зон ГП дисперсными частицами являются химические соединения, например, карбиды, нитриды, которые обладают высокой твердостью, но при этом хрупки.

Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высокодисперсные частицы упрочняющей фазы. И такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности , пластичности ), вязкости разрушения (K1c), вязкости (KCV, KCT) и низкой температуры вязко хрупкого перехода ( порог хладноломкости t50).

Рассмотренные механизмы упрочнения положены в основу современных технологи-ческих процессов повышения конструктивной прочности металлов и сплавов.