7.4. Переход одних видов изнашивания в другие
При анализе процесса изнашивания трущихся тел, прежде всего, необходимо выделить ведущий вид изнашивания. Однако с уверенностью основной вид изнашивания можно установить лишь для стационарно нагруженных узлов трения. В случае, если условия изнашивания изменяются, то при монотонном изменении удельной нагрузки на узел трения или скорости относительного перемещения элементов этого узла трения в определенных критических точках наблюдается скачкообразное изменение интенсивности изнашивания (рис. 7.4). Это объясняется переходом к другому виду из- нашивания. Впервые такой эффект в 1936 г. был обнаружен Келем и Зибелем. При достижении некоторого критического значения скорости относительного перемещения трущихся тел наблюдалось снижение интенсивности изнашивания в 500...600 раз. Позднее наличие критических точек на зависимостях интенсивности изнашивания было установлено К.Дисом в 1943 г., а сами точки тщательно исследованы Б.И.Костецким и его школой (рис. 7.5).
Рис. 7.4. Зависимость интенсивности изнашивания при сухом трении сталей от скорости относительного перемещения V (пo Келю и Зибелю)
Повышение нагрузок в контакте приводит к росту интенсивности изнашивания. Когда это приводит к разрушению оксидных пленок, препятствующих непосредственному металлическому контакту
Рис. 7.5. Зависимость интенсивности изнашивания при сухом трении сталей от нагрузки N по Велшу (скорость относительного скольжения 2,6 м/с)
трущихся тел, интенсивность изнашивания резко увеличивается (первая критическая точка). Затем изнашивание происходит в условиях заедания до тех пор, пока на поверхностях трения в новых условиях вновь не образуются оксидные пленки, так что изнашивание при заедании сменяется окислительным изнашиванием, происходящим главным образом в условиях упругого деформирования. Дальнейшее увеличение давления или скорости приводит к разрушению оксидных пленок (т.е. скорость разрушения оксидных пленок будет превышать скорость их образования), и вновь происходит переход к изнашиванию при заедании. Таким образом, изменение факторов нагружения узла трения приводит к изменению механизма изнашивания. Следовательно, распространение механизма изнашивания твердых тел на измененные условия нагружения возможно далеко не во всех случаях.
7.5. Адсорбционное понижение прочности трущихся тел
Эффект Ребиндера. За счет адсорбирования и попадания в микропоры трущихся тел поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит интенсивное развитие подповерхностных трещин и разупрочнение поверхностного слоя (преимущественно по межкристаллическим поверхностям). В качестве ПАВ выступают полярные и неполярные молекулы, а в ряде случаев и металлы в жидком состоянии по отношению к другим металлам.
Например, ртуть по отношению к цинку, жидкая медь - к стали, висмут - к меди и т.д. При большом количестве ПАВ микротрещины могут проникнуть внутрь металла и, в конечном счете, привести к разрушению деталей узла трения.
Физически адсорбированные молекулы приводят к уменьшению свободной поверхностной энергии трущихся тел, уменьшению молекулярной составляющей трения и сдвиговых напряжений в поверхностных слоях. В конечном счете, это может привести и к уменьшению интенсивности изнашивания пар трения.
Температурное воздействие. Выделяющаяся в результате трения энергия в своей основе реализуется в виде тепла, сконцентрированного в зоне трения. Нагрев в замкнутом объеме поверхностных слоев до температуры 200...500 °С приводит к изменению их прочности (для многих материалов с повышением температуры она уменьшается) и других механических параметров, изменению геометрических форм, площади фактического контактирования и дополнительным термоциклическим напряжениям в поверхностном слое.
Нагрев твердых тел при трении одновременно приводит к резкому повышению их химической активности, изменению характера взаимодействия тел не только друг с другом, но и с окружающей средой. Высокие градиенты температур, возникающие в поверхностных слоях, сильно ускоряют диффузионные процессы, приводящие порой к весьма значительному изменению атомарного состава в поверхностном слое трущихся тел, а, следовательно, и к изменению ряда свойств поверхностей трения, в том числе, и свободной поверхностной энергии. Изменения, происходящие в поверхностных слоях, обусловленные диффузионными процессами, получили название трибомутации. Умело используя этот процесс, можно существенно сокращать период приработки трущихся тел (при сокращении затрат энергии), уменьшать износ изделия при обкатке узла трения и, благодаря этому, значительно увеличить срок его эксплуатации.
Температурные воздействия на поверхности трущихся тел в ряде случаев приводят к фазовым превращениям в трущемся материале и соответствующим изменениям его физико-механических характеристик и влияют на интенсивность износа трущихся тел. Имеются материалы, которые сами в процессе трения изменяют свою структуру и тем самым существенно увеличивают износостойкость узла трения.
Наклеп поверхностей трения. Высокие удельные давления и температурные поля способствуют образованию новых, движению, выходу и закрытию дислокаций, закрытию микротрещин и уплотнению поверхностного слоя. В конечном случае, это чаще всего приводит к упрочнению поверхностного слоя и повышению износостойкости, прежде всего, при абразивном изнашивании. При весьма значительных деформациях (при осадке материала кристаллической решетки более чем на 20...30%) может происходить развитие микротрещин и трущийся материал может существенно потерять свои механические свойства и быстро разрушиться.