5.Изнашивание деталей трибосистем

В природе все макроскопические

процессы необратимы.

И. Дьермати

Все фрикционные и сопутствующие им процессы, протекающие в трибосистемах, не имеют равновесного состояния и не являются обратимыми (временная и пространственная асимметрия). Однако, при постоянных во времени внешних условиях трибосистемы эволюционируют к неравно-весному стационарному состоянию, при котором их внутренние параметры, в частности износ, становятся постоянными во времени функциями внешних параметров, например, режимов.

Поскольку практически все трибосистемы вырабатывают основную часть своего ресурса в стационарном режиме, рассмотрим процессы изнаши-вания именно для этого периода. В стационарном периоде фактическая площадь контакта сопрягаемых тел и средняя скорость изнашивания постоянны в любой момент времени.

5.1.Основные виды изнашивания

Наука–это организованное знание.

Г. Спенсер

Сложность и многофакторность процессов, происходящих на фрикционном контакте, породили значительное число попыток классификации изнашивания. Однако, и в настоящее время эти попытки не увенчались серьёзными успехами и не позволяют сформировать универсальные крите-рии расчётной оценки даже отдельных типов износа, позволяющих отказать-ся от экспериментальных исследований.

Тем не менее рассмотрим основные виды изнашивания, базируясь на принятом сегодня их описательном разграничении.

*Окислительное изнашивание - это коррозионно-механическое изна-шивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислоро-дом или окисляющей окружающей средой.

Подавляющее большинство узлов трения работает в атмосфере и кис-лород последней оказывает существенное влияние на характер изнашивания любых материалов. Генерирование тепла в узле трения, активация поверх-ностных слоёв, подвергающихся постоянному действию рабочих нагрузок, облегчает и ускоряет окисление поверхности кислородом.

Непрочная, как правило, хрупкая плёнка окислов разрушается при скольжении и выносится из узла трения. Вновь обнажившиеся ювенильные поверхности металла опять окисляются и процесс повторяется. Таким образом, изнашивание является результатом одновременного действия химических и механических факторов.

Пример успешного использования аналогов окислительного изнашива-ния – это применение для притирки поверхностей различных притирочных паст (ГОИ, алмазной и т. п.).

*Абразивное изнашивание - это механическое изнашивание материа-лов в результате режущего или царапающего действия твёрдых тел или твёрдых частиц.

Узлы сельскохозяйственных, дорожных, транспортных, строительных и других машин работают в абразивных средах. Это дорожная пыль, песок и прочие твёрдые частицы различной природы.

Изнашивание при взаимодействии поверхностей трения с абразивом бывает следующих видов:

1) изнашивание о закреплённый абразив (о шаржированную поверхность);

2) изнашивание о свободный абразив (пыль в узле);

3) изнашивание в абразивной среде (бур, плуг в земле);

4) изнашивание струёй воздуха или воды с абразивом, то есть абразивным потоком (сопла пескоструйных машин, гидроабразивная обработка). В последнем случае играет роль угол атаки абразивного потока.

*Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание - это абразивное изнашивание в результате действия твёрдых тел или твёрдых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

Кроме того, изнашивание микрорезанием может осуществляться шеро-ховатостями более твёрдого тела при его контакте с менее твёрдым.

При абразивном изнашивании механизм этого процесса определяется, в основном, пластическим оттеснением и микрорезанием; адгезионное взаимодействие мало. Дополнительно, под действием генерируемой в узле температуры могут иметь место структурные превращения в поверхностном слое. При образовании более мягких структур изнашивание увеличивается. Характерным для абразивного изнашивания является отсутствие на кривой Лоренца (износа) участка приработки .

*Кавитационное изнашивание - это механическое изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создаёт местное высокое ударное давление или высокую температуру.

Лопатки гидротурбин, гребные винты, насосы, поверхности систем водяного охлаждения и другие детали трения работают в водных или иных жидких средах, где подвергаются эрозионно-кавитационному изнашиванию.

Кавитация, от латинского cavitas, в дословном переводе означает по-лость, каверна, пустота.

Кавитационное разрушение поверхности включает следующие этапы:

- в потоке жидкости, движущейся по поверхности твёрдого тела, могут возникать разрывы – пустоты;

• эти пустоты заполняются газами, выделяющимися из жидкости, в которой они растворены, и парами этой жидкости;

• при попадании этих пузырей в зоны высоких давлений пары конденсируются, а газы растворяются в жидкости;

• в образовавшуюся пустоту устремляется с громадным ускорением жидкость, и пузырь схлопывается.

Размеры пузырьков до десятых долей миллиметра; время их разруше-ния примерно 0,001 с; на площади в 1 см² за 1 с образуется и разрушается до 30 миллионов пузырьков. Микрогидравлические удары или локальный разо-грев вызывают образование каверн и полостей на поверхности деталей.

Для борьбы с кавитационным разрушением подводной части плотин их обводам придавали специальную параболическую форму. Однако сезонные изменения скорости течения сводили на нет эффективность этого меро-приятия. Более перспективным представляется предложение (а. с. № 279443) защищать поверхности, подвергающиеся кавитации, ворсом из металлов и полимеров высотой » 5 мм и плотностью » 80 ед / мм².К сожалению, не все поверхности могут быть защищены таким образом.

Водородное изнашивание - это изнашивание металлического элемента трибосистемы вследствие поглощения им водорода.

Наблюдение за изнашиванием твёрдой рубиновой опоры хлопчатобу-мажной нитью, увеличением износа закалённой стали при трении о резину, пластмассу и другие мягкие материалы привели к открытию Д.Н. Гаркуно-вым и А.А. Поляковым водородного износа.

Оказалось, что при трении в результате значительного ускорения реак-ций дегидрогенизации углеводородов смазки, или деструкции полимеров, выделяется и адсорбируется на металлических поверхностях водород. Кроме трибодеструкции органических соединений источником водорода может быть, например, влага доменного дутья (биографический водород).

Водородная хрупкость –вредное влияние водорода на металлы –извест-на давно, но в узлах трения обнаружена сравнительно недавно (в 60-х г.).

Адсорбированный металлическими поверхностями водород диффунди-рует в подповерхностные слои, что создаёт эффект его накопления. Диффу-зия и накопление водорода обусловлены температурным градиентом (макси-мум температуры не на самой поверхности, а под ней). Диффузия водорода, например, в деформированный слой стали, вызывает одновременное развитие большого числа зародышей микротрещин, а затем мгновенное образование мелкодисперсного порошка металла. В результате происходит диспергирование контактных деформированных в процессе трения микрообъёмов металла на глубину 1 – 2 мкм.

*Изнашивание при фреттинге - это механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении.

Такие контактирующие пары трения, как корпус подшипника – станина, торец гайки – плоскость детали, поверхность кронштейна – опорная деталь и т. п., при наличии вибродинамического, воздействия вызванного работой самой машины, соседнего агрегата или транспортировкой, подверга-ются изнашиванию в результате фреттинг-процесса. Разрушение контактиру-ющих поверхностей проявляется в виде мелких каверн и продуктов кор-розии: налёта, пятен, порошка.

Этому виду изнашивания подвержены углеродистые и легированные стали, чугуны, цветные сплавы и др. Например, пары сталь–сталь, сталь–алюминиевый сплав, чугун–бакелит, работающие в среде воздуха, азота, кислорода или вакуума.

Изнашивание в результате фреттинг-процесса происходит при одновременном воздействии механических и химических факторов.

Химические факторы – это окисление контактных ювенильных поверхностей и продуктов износа. Окисление сопровождается увеличением объёма, то есть контактные давления при жёстком силовом замыкании резко возрастают. Следует учитывать, что твёрдость большинства окислов выше, чем металлов. Например, оксид превосходит по твёрдости азотированные стали.

Динамические механические факторы проявляются в воздействии на контактную зону колебаний с весьма малой амплитудой. Для возникновения фреттинг-коррозии достаточна амплитуда 0,025 мкм при относительно малых скоростях скольжения порядка мм/с.

Вследствие малости перемещений повреждения сосредоточиваются на небольших участках, продукты изнашивания не могут быть вынесены из зоны контакта и при высоких давлениях усиливается их абразивное воздействие. Одновременно значительные контактные напряжения приводят к схватыванию ювенильных поверхностей и образованию каверн в результате глубинных вырывов.

Сверхмалые перемещения препятствуют протеканию адаптационных процессов – возникновению вторичных защитных структур.

Следует отметить, что если довести амплитуду колебательного движения до 2,5 мм, то процесс изнашивания несмазанных металлических поверхностей замедлится и будет протекать, как при обычном скольжении.

Таким образом, изнашивание в результате фреттинг-процесса – это коррозионно-механическое изнашивание вследствие интенсивного окисления и схватывания.

*Изнашивание при заедании - это изнашивание в результате схваты-вания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряжённую поверхность. Этот вид изнашивания часто называют адгезионным.

В определённых условиях адгезионные связи вносят существенный вклад в процесс изнашивания. При этом прочная адгезионная связь образуется только при определённой нагрузке и температуре, разрушающих граничные слои смазки и другие поверхностные структуры. Это обнажает и активирует ювенильные поверхности, позволяя преодолеть потенциальный барьер при образовании адгезионной связи [34].

Одинаковые (полностью совместимые) материалы образуют адгезион-ные связи, достигающие предельной прочности, фактически твёрдофазные сварные соединения. Подобные связи легко возникают в вакууме, где получаются адгезионные швы даже таких разных материалов как минералокерамика и сталь.

Образуясь, адгезионные связи разрушаются не по заторможенной зоне контакта, а по несовпадающей с ней плоскости наибольших касательных напряжений. При этом, вырванная с некоторой глубины частица износа может частично налипать на ответную деталь, деформируя контактную область.

При образовании адгезионного шва между металлами разной физичес-кой природы плоскость сдвига (разрушения) смещается в менее прочный металл. Если частица износа может перемещаться внутри контактной области, то она приобретает вращательное движение и деформирует обе контактные поверхности.

Такой вид изнашивания является катастрофическим. В качестве борьбы

с адгезионным изнашиванием используют различные способы локализации пластической деформации в поверхностных слоях.

*Усталостное изнашивание - это механическое изнашивание в ре-зультате усталостного разрушения при повторном деформировании микро-объёмов материала поверхностного слоя.

Известными фрикционными особенностями контакта являются:

– дискретность, то есть контакт осуществляется на отдельных пятнах каса-ния ограниченного размера, перемещающихся по номинальной контактной поверхности;

– цикличность нагружения, то есть каждый микровыступ шероховатости сжимает своим фронтом материал перед собой и растягивает позади себя;

– адгезионно-деформационная природа образования фрикционных связей, вызывая силовой импульс при их разрушении, способствует периодическому нагружению контактных зон как при преимущественно адгезионном, так и при преобладающем деформационном взаимодействии.

Изложенное позволяет говорить о близости изнашивания процессам объемной усталости материала, близкой малоцикловой, то есть о существовании фрикционного контактного усталостного изнашивания.

Типичные усталостные процессы, в том числе и усталостные процессы изнашивания, всегда имеют скрытый период развития, в пределах которого поверхностные повреждения отсутствуют, и последующие, когда происходят циклические изменения параметров. Существует [40] целый ряд экспериментальных доказательств этих положений. Так, результаты экспериментальных исследований, представленные на рис.53, наглядно показывают, что разрушение поверхности трения происходит не сразу, а после реализации определенного количества циклов нагружения в зависи-мости от величины общей нагрузки, то есть подтверждается наличие скры-того периода развития последующих процессов усталостной природы.

Последующие циклические изменения параметров фрикционных контактных поверхностей иллюстрируются на рис.54. В результате, моделирования циклов фрикционного нагружения вдавливанием индентора доказано, что циклический характер изменения присущ основным структурным составляющим.

Рис.53. Зависимость числа циклов нагружения до разрушения

Рис.54. Зависимость микротвердости от числа воздействий индентора

Дополнительным подтверждением наличия импульсного воздействия температурно-силовых полей на трущиеся поверхности является периоди-ческий характер отделения частиц износа и их дисперсность и дискретность.

Анализ имеющегося фактического экспериментального материала позволяет сделать заключение о том, что любой процесс изнашивания включает усталостную компоненту. При схватывании прилежащие к образующимся в результате разрушения кавернам слои материала претерпевают знакопеременные нагрузки. При окислительном изнашивании циклическому нагружению подвержен поверхностный слой оксидов.

В случае абразивного воздействия при относительно малых нагрузках также имеют место усталостные процессы, так как в связи с наличием радиусов при вершинах отдельных шероховатостей и отрицательными передними углами микрорезание при низких скоростях скольжения затруднено. Наконец, при контактировании весьма твердых поверхностей с мягкими микрорезание осуществляется отдельными, наиболее выступающими микронеровностями, а остальные, более низкие микровыступы осуществляют циклическое силовое воздействие, приводящее к развитию усталостных процессов.

Пневмо- и гидроабразивные потоки также оказывают усталостное воздействие на контактные фрикционные поверхности при недостаточной для микрорезания скорости соударения частиц о поверхность.

Усталостное разрушение наблюдается и на поверхностях, подвергаемых кавитации.

Таким образом, процесс разрушения контактных поверхностей изнашиванием характеризуется комплексным воздействием. Причем в этом комплексе всегда присутствует определенная доля усталостной компоненты. Именно поэтому контактная усталость является наиболее универсальным распространенным механизмом изнашивания твердых тел, вклад которого в общую величину износа имеет место практически при всех условиях контактирования и нагружения трибосистем. Однако, следует отметить, что все рассмотренные механизмы изнашивания могут протекать одновременно на разных участках фактической контактной поверхности и разделяются условно. Поэтому, можно говорить лишь об относительно большем вкладе или о превалирующем действии того или иного механизма в суммарном процессе изнашивания.