Виды и характеристики изнашивания.

При эксплуатации машин процессы, вызывающие повреж­дения и разрушения деталей, именуют вредными. Повреж­дение детали – это частичная потеря ею служебных свойств. Разрушение – это всякий протекающий в материале или на его поверхности процесс, приводящий к невозможности вы­полнения деталью заданных функций.

К вредным процессам относятся: изнашивание рабочих поверхностей деталей вследствие трения, разрушение и по­вреждение деталей под действием различных нагрузок (пла­стическое деформирование, излом, усталость металла, теп­ловое и электроэрозионное разрушение), под действием хи­мически активных сред (химическая и электрохимическая коррозия), потеря сообщенных детали служебных свойств (размагничивание, потеря упругости) и др.

Изнашивание – это процесс постепенного изменения раз­меров и формы тела при трении, проявляющийся в отделе­нии с поверхности трения материала и в его остаточной де­формации. Результатом изнашивания является износ, кото­рый выражается обычно в единицах линейных величин, в отдельных случаях – в единицах массы.

Изнашивание деталей – одна из основных причин сни­жения срока службы машин. Изнашивание зависит от ряда факторов, в частности от условий трения.

Виды трения. Внешнее трение есть явление сопротивле­ния относительному перемещению, возникающее между дву­мя телами в зонах соприкосновения поверхностей по каса­тельным к ним. С целью упрощения терминологии внешнее трение далее именуется просто трением.

Различают трение покоя и движения. Трение покоя – это трение двух тел при предварительном смещении. Трение движения – это трение двух тел, находящихся в относи­тельном движении.

В зависимости от вида относительного движения разли­чают трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. Примерами трения качения с проскаль­зыванием являются трение между зубьями колёс в зубчатых передачах, трение шариков и роликов по поверхностям ко­лец шарико- и роликоподшипников.

В зависимости от наличия между трущимися телами смаз­ки различают трение сухое, граничное и жидкостное.

Сухое трение – это трение движения двух твёрдых тел без смазки на соприкасающихся поверхностях. Оно может быть получено в чистом виде в условиях абсолютного вакуу­ма, т.е. при отсутствии воздействия окружающей среды. В практике к условиям сухого трения несколько приближает­ся работа звеньев гусениц на песчаном сухом грунте.

Граничное трение – это трение движения двух твёрдых тел, имеющих на своих поверхностях незначительный слой смазочного материала (порядка 0,1 мкм), обладающего свой­ствами, отличающимися от объёмных свойств жидкостей при жидкостном трении.

Жидкостное трение – явление сопротивления относи­тельному перемещению, возникающее между двумя трущи­мися телами, разделёнными слоем смазочного материала, в котором проявляются его объёмные свойства.

Основной характеристикой трения является его сила, т.е. сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении.

Виды изнашивания. Изнашивание подразделяется на три основные группы: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое. Механическое изнашивание наблюдается при механическом взаимодействии материалов изделия; молекулярно-механическое изнашивание происхо­дит в результате механического взаимодействия материалов и одновременного воздействия молекулярных или атомар­ных сил; коррозионно-механическое изнашивание происхо­дит при трении материала, вступившего в химическое взаи­модействие со средой.

Рассмотрим разновидности приведённых трёх групп про­цессов изнашивания.

Механическое изнашивание подразделяют на абразивное и усталостное.

Абразивное изнашивание – это процесс, при котором трущиеся поверхности разрушаются в результате царапающего или режущего действия твёрдых тел или частиц. Абра­зивные частицы могут попасть на поверхность материалов в результате неудовлетворительной фильтрации масла либо в результате твёрдых образований разрушенных микрообъёмов, а также могут быть продуктами окисления смазочных мате­риалов. Скорость абразивного изнашивания составляет от 0,5 до 50 мкм/ч.

Разновидностью абразивного изнашивания является гидро- и газоабразивное изнашивание, когда износ происходит в результате воздействия на материал твёрдых частиц, увле­каемых, соответственно, потоком жидкости или газа. Гидро­абразивному изнашиванию подвержены плунжеры и втулки топливных насосов дизелей, отверстия в корпусах и золотни­ки гидрораспределителей, цилиндры гидросистем и др. Газо­абразивному изнашиванию подвержены, например, детали воздухоочистителей двигателей.

Разновидность механического изнашивания – кавитационное изнашивание поверхности при относительном движе­нии твёрдого тела в жидкости в условиях кавитации, т.е. при нарушении сплошности потока жидкости с образовани­ем кавитационных (воздушных) пузырей, которые уменьша­ются в объёме с большой скоростью и затем разрываются. Это приводит к гидравлическому удару жидкости о поверх­ность детали с образованием разрушений в виде каверн диа­метром от 0,2 до 1,2 мм.

Усталостное изнашивание поверхности трения или от­дельных её участков является следствием многократного де­формирования микрообъёмов материала, приводящего к воз­никновению трещин и отделению с поверхностного слоя час­тиц материала. Основной показатель усталостного изнашива­ния – глубина деформируемого слоя на поверхности трения.

Усталостное изнашивание возможно как при трении ка­чения, так и при трении скольжения и зависит от удельного давления в сопряжении, свойств материала детали и часто­ты циклов нагрузки. При чистом качении наблюдается кон­тактная усталость, которая проявляется в образовании местных очагов разрушения в виде осповидных углублений (питтинг). При трении скольжения образуется износ, связанный с усталостной природой разрушения. В таких сопря­жениях, как зубчатые передачи, опоры качения, кулачок – ролик, могут иметь место оба вида разрушения, т.к. в этих парах наблюдаются и качение и скольжение.

Молекулярно-механическое изнашивание подразделяют на адгезионное и избирательный перенос.

Адгезионное изнашивание происходит в связи с возник­новением на отдельных участках контактирующих поверхно­стей молекулярных (адгезионных) взаимодействий, силы ко­торых превосходят прочность связей поверхностного слоя ма­териала с основным материалом детали. Проявление атомно-молекулярных связей зависит от свойств материалов контак­тирующих поверхностей. К адгезионному изнашиванию склон­ны пары с металлическими поверхностями. Адгезионное из­нашивание выражается в глубинном выравнивании материа­ла и переносе его с одной поверхности на другую, что приво­дит, как правило, к заеданию деталей. Износ при заедании может возникнуть в зубчатой паре или в опорах качения при высоких контактных нагрузках и отсутствии смазки.

Изнашивание в условиях избирательного переноса так­же характеризуется атомарными явлениями в зоне контакта и наблюдается, например, при трении металлополимерных пар, когда полимер переносится на поверхность металла, об­разуя на ней мономолекулярный слой. Образование в дан­ном случае прослойки благоприятно сказывается на фрик­ционных характеристиках пары и приводит к резкому умень­шению интенсивности изнашивания.

Коррозионно-механическое изнашивание подразделяют на окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание возникает при наличии на поверхностях трения защитных плёнок, образовавшихся в ре­зультате взаимодействия материала детали с кислородом. Со­гласно исследованиям Б. И. Костецкого, существуют три формы окислительного износа: первая образуется в результате удаления с поверхности трения ультрамикроскопических химически адсорбированных плёнок; вторая – при удалении микропленок твёрдых растворов и эвтектик химических соединений кислоро­да и металла; третья – в результате периодического образова­ния и отслаивания крупных слоев химических соединений кис­лорода и металла. Окислительное изнашивание – это устано­вившийся стационарный процесс динамического равновесия раз­рушения и восстановления оксидных плёнок.

Следует отметить, что возникновение оксидных плёнок не исключает, а ускоряет усталостное разрушение материа­ла, т.к. в результате взаимодействия кислорода и металла образуются слои с повышенной хрупкостью, ускоряющей разрушение материала. Окислительному изнашиванию под­вержены шейки коленчатых и распределительных валов, поршневые пальцы и втулки опоры качения. Скорость окис­лительного изнашивания составляет от 0,05 до 0,1 мкм/ч.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в про­цессе малых относительных колебательных перемещений кон­тактирующих металлических поверхностей в результате пе­риодических деформаций или вибраций элементов конструк­ции. При фреттинг-коррозии наблюдаются схватывание, аб­разивное изнашивание и усталостно-коррозионные явления. Этот вид изнашивания характерен для поверхностей деталей в неподвижных соединениях, воспринимающих вибрацион­ные нагрузки (например, наружные поверхности наружных колец шарико- и роликоподшипников, поверхности отвер­стий в корпусах подшипников, в заклёпочных соединениях, работающих при вибрационной нагрузке, и др.). Фреттинг-коррозия может возникать при сухом трении и в условиях смазки.