5.3.Влияние природы контактирующих материалов

И природа должна покорится

необходимости.

В. Шекспир

Общеизвестна различная износостойкость конструкционных материа-лов при трении. Это является одним из существенных критериев выбора конкретного материала для определённого класса трибосистем.

Металлические материалы. Одним из ключевых параметров, определяющих природу и износостойкость технических металлов и сплавов, является тип их кристаллической решётки [28]. В качестве сравнительного критерия контактного разрушения металлов разного строения выбрана кри-тическая нагрузка перехода от пластического оттеснения к микрорезанию.

Таблица8. Сравнительная износостойкость

Металл	Тип кристал- лической решётки	Микро- твёрдость МПа	Критич. нагрузка, Н		Повреждаемость[4]
			Без смазки	Смазка	Без смазки	Смазка
Армко- железо	ОЦК	1100	27,4	39,2	0,125	0,160
Никель	ГЦК	1050	20,6	47,0	0,140	0,200
Кобальт	ГПУ	2690	19,6	26,4	0,036	0,062

Низкая повреждаемость кобальта объясняется его высокими прочностными свойствами, но переход к микрорезанию у него происходит при наиболее низких нагрузках. Это связано с тем, что металлы с ГПУ (гексагональной плотно упакованной) решёткой незначительно упрочняются при деформации. Повреждаемость никеля при трении наиболее высокая, а степень упрочнения ниже, чем у железа, хотя механические свойства этих металлов очень близки.

Рис.58. Зависимость интенсивности изнашивания стали от типа и количества легирующих элементов

Анализ приведённых данных показывает, что процесс изнашивания металлов существенно зависит от типа их кристаллической решётки.

Износостойкость легированных сталей зависит как от типа легирую-щего элемента, так и от его количества в сплаве [8]. Это объясняется их микроструктурой. Доказано [22], что на поверхностях разрушения (сколы, выщербины, вырывы и т.п.) содержание отдельных элементов по сравнению с их объёмным содержанием резко увеличено. Так, фосфора- до 20 раз, серы- до 120 раз, меди- до55 раз, хрома- до 20 раз, то есть имеет место сегрегация. Атомы этих элементов, скапливаясь не границах зёрен в железной матрице, вызывают межзёренное охрупчивание. Не все эти элементы имеются в объёме рассматриваемой детали. Некоторые переходят из контртела в результате диффузионных обменных процессов.

Таким образом, в процессе эксплуатации в зонах разрушений могут накапливаться примесные и легирующие элементы, а также элементы из контртела и окружающей среды.

Поскольку не существует универсального износостойкого материала, то в разных трибосистемах при различных условиях трения наибольшую

Рис.59.Влияние твёрдости на относительную износостойкость при абразивном изнашивании

износостойкость проявляют разные материалы. Так, в условиях абразивного

изнашивания, наиболее износостойким будет самый твёрдый металл [57]. Из-носостойкость чистых металлов и углеродистых сплавов железа (сталей) прямо пропорциональна их твёрдости.

Полимерные материалы. Полимерные материалы и композиты пред-ставляют собой относительно малопрочные вязкоупругие среды с зависи-мостью свойств от времени воздействия. Это накладывает определённый отпечаток на процессы их изнашивания [5,34,50].

По величине модуля упругости полимерные материалы можно условно разделить на:

– жёсткие, обычно из группы реактопластов (фенолформальдегидные, эпоксидные);

– полужёсткие или средней жёсткости (полиамидные, полипропи-леновые);

– мягкие или низкой жёсткости (полиэтилен, резины).

Чем ниже жёсткость полимерного материала, тем он лучше адаптируется к условиям трения: увеличивается площадь фактического контакта и снижаются контактные напряжения.

Процессы изнашивания практически всех полимерных материалов сопровождаются следующими общими особенностями:

1) ростом теплонапряжённости узла из-за низкой теплопроводности полимера;

2) значительной величиной термического расширения полимера;

3) относительно сильным набуханием в различных жидких рабочих средах;

4) увеличением зазора в связи с деформацией ползучестью полимера;

5) адгезионным переносом полимера на поверхность металлического контртела;

6) деструкцией полимера.

Деструкция может быть механической (механодеструкция) – механи-ческое разрушение связей в макромолекуле; термической (термодеструкция) – разрушение макромолекул под действием высоких температур; химической (чаще всего окислительной) – окисление кислородом воздуха.

Эти три процесса могут идти параллельно. При деструкции полимер-ных материалов выделяется водород, вызывающий водородное изнашивание, то есть деструкция стимулирует процессы разрушения металлов. Изнашивание жёстких полимеров протекает по механизму, наиболее близкому к изнашиванию металлов. Возможно упругое и пластическое деформационное оттеснение материала, его царапанье и микрорезание при росте нагрузок. Отделение частиц износа в основном происходит по механизму многоцикловой фрикционной усталости.

Эти материалы подвергаются абразивному изнашиванию подобно металлам. Экспериментальные результаты показывают, что скорость абразивного изнашивания в виде коэффициента износа k (мм/Н·м) пропорциональна величине 1/σε. Здесь σ - предел прочности при растяжении, а ε - соответствующая деформация.

Рис.60. Зависимость Ратнера-Ланкастера для абразивного износа: 1-полиэти-лен низкой плотности; 2-найлон 6,6; 3-фторопласт Ф-4; 4-полипропилен; 5-ацеталь; 6-полиметилметакрилат; 7-полисилоксан

Полимеры средней жёсткости также могут подвергаться пластическому оттеснению и микрорезанию. Кроме того, в связи с деформацией ползучести под нагрузкой растёт площадь фактического контакта и снижаются контактные напряжения. Это приводит к уменьшению деформационной составляющей усилия трения и к росту адгезионной из-за увеличения контактной площади.

Адгезионное взаимодействие может выражаться в «намазывании» (фрикционном переносе) полимера на металлическое контртело и в последующем выносе этих частиц из узла трения. Изнашивание в этом случае происходит в результате адгезионного переноса.

Маложёсткие полимеры и, в частности, эластомеры деформируются не пластически, а высокоэластически. Адгезионные связи с контртелом прочны и разрушаются только при значительном вытягивании микрообъёмов.

Жёсткие резины (автомобильные шины) подвергаются в основном усталостному изнашиванию и микрорезанию (при торможении).

Мягкие резины (как, например, стирательная резинка) изнашиваются в связи с образованием частиц скатывания. Изнашивание в результате скаты-вания наступает при высоких коэффициентах трения, значительных деформа-циях, наступающих до начала скольжения, и низкой адгезии к контртелу.

Следовательно, изнашивание полимеров подчиняется тем же закономерностям, что и изнашивание металлов, но имеет ряд особенностей.