Основные закономерности изнашивания

Для расчета и прогнозирования надежности изделий при их износе, для выбора рациональных материалов, размеров и конструкции сопряжений необходимо знать основные закономерности процесса изнашивания материалов. Показателями износа в соответствии с общим методическим подходом по оценке степени повреждения являются:

линейный износ U (мкм) — изменение размера поверхности при ее износе, измеренное в направлении, перпендикулярном к поверхности трения; скорость изнашивания (мкм/ч) — отношение величины износа ко времени

интенсивность изнашивания отношение величины износа к относительному пути трения (s), Закон изнашивания материалов должен в общем виде выражать в аналитической форме зависимость U или у от следующих факторов:

от силовых и кинематических параметров и в первую очередь от давления на поверхности трения р и скорости относительного скольжения v;

от параметров, характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов пары (например, его твердость, предел текучести, модуль упругости и др.);

от свойств поверхностного слоя — его шероховатости, жесткости, напряженного состояния и т. д.

от вида трения и смазки;

от внешних условий, влияющих на процесс изнашивания—> температуры, наложения вибраций, наличия вакуума и др.

Кроме того, все закономерности должны описывать изменения износа во времени t.

Из сказанного видно, что получение таких зависимостей является чрезвычайно сложной задачей Особенно сложно отыскать зависимости, опираясь на физическую сущность процесса в функции его физико-химических параметров.

Поэтому часто используют зависимости, основанные на эмпирических дан 2. Изнашивание является многостадийным процессом, поэтому изменение износа во времени обычно выражается кривой, состоящей из двух или трех участков.

Классическая форма кривой износа состоит из трех участков (рис.11 а). В период микроприработки /, происходит изменение начального (технологического) рельефа поверхности в эксплуатационный. В этот период скорость изнашивания монотонно убывает до значения g = const, характерного для периода // установившегося (нормального) износа. Если нет причин, изменяющих параметры установившегося процесса изнашивания, то он протекает стационарно и возможные отклонения от средней скорости процесса за счет его стадийности не влияют на общую линейную зависимость износа от времени. Для некоторых случаев характерен период /// катастрофического износа, когда наблюдается интенсивное возрастание скорости изнашивания. Этот период связан, как правило, с изменением вида изнашивания в результате активизации факторов, влияющих на процесс и зависящих от степени износа.

Рисунок 11.- Периоды протекания износа во времени:

Встречаются разновидности данной кривой, например, когда накопление отрицательных факторов, влияющих на процесс, продолжается непрерывно и нет различия между // и /// периодами (рис. 11, б). В других случаях, наоборот, происходит стабилизация износа и g монотонно убывает (рис, 11, в).

Для деталей машин период катастрофического износа, как правило, не проявляется или не допускается. Схема на рис, 11, б свидетельствует о нерациональных условиях эксплуатации (например, происходит накопление абразива на поверхности трения). Кривая 11, в свидетельствует, что период приработки продолжается длительное время, т. е. износ протекает крайне медленно, а технологический рельеф существенно отличается от эксплуатационного.

Учитывая, что период приработки необходимо сокращать до минимума, можно сделать вывод о том, что линейная зависимость между износом и временем (g = const) наиболее типична при работе сопряжений машин.

Таким образом, для установившегося износа

.

для износа с учетом периода приработки

.

где U_n — износ за период приработки,

В некоторых случаях, особенно когда период приработки достаточно велик, скорость изнашивания можно приближенно выразить уравнением степенной параболы.

Зависимость износа от давления и скорости скольжения. Давление на поверхности трения р и скорость относительного скольжения u являются основными параметрами, связанными с конструкцией и кинематикой сопряжений.

При установлении аналитических зависимостей следует иметь в виду, что, во-первых, они должны относиться только к допустимым видам изнашивания и, во-вторых, характеризовать процесс с определенной физической закономерностью явлений,

Так, например, при рассмотрении различных зон процесса изнашивания в функции скорости (см. рис. 11) для расчета надежности надо иметь закономерности лишь для // зоны стационарного износа. Для / и III зон, соответствующих недопустимым (патологическим) видам износа, надо знать лишь условия, при которых они могут возникнуть,

Анализ большого числа исследований износа различных материалов в условиях граничного трения и трения без смазки показывает, что в общем случае скорость изнашивания может быть выражена зависимостью

где m = 0,5¸3 и для большинства пар трения п = 1; R — коэффициент износа, характеризующий материал пары и условия изнашивания.

Для абразивного и ряда других видов изнашивания т = п = 1,

или

.

где s = u t — путь трения.

Если все линейные величины выражать в одинаковых единицах, то размерность коэффициента износа R будет обратна размерности давления.

Из формулы видно, что при п = 1 износ не зависит от скорости относительного скольжения, а лишь от пути трения.

На значение коэффициента R влияют характеристики применяемых материалов пары, условия в зоне контакта и в первую очередь смазка поверхностей.

Зависимость скорости или интенсивности изнашивания от режима работы сопряжения и прочностных характеристик материала наиболее желательно выразить на основании теоретических предпосылок о характере взаимодействия поверхностей.

Так, опираясь на представление о природе дискретного касания твердых тел, проф. И. В. Крагельский предлагает следующую общую формулу для оценки интенсивности изнашивания:

где δ, к₀ — постоянная, характеризующая распределение неровностей по высоте; п — число циклов до разрушения неровностей.

Как видно из приведенной формулы, интенсивность изнашивания оценивается произведением трех безразмерных отношений, из которых первое характеризует вид взаимодействия — упругое, пластическое, микрорезание.

Наиболее заметно изменяется третье отношение. Число циклов до разрушения п может колебаться в широких пределах. Его следует определять из экспериментов на фрикционную усталость или по формуле

где σ— предел прочности; f—коэффициент трения.

Показатель у зависит от смазки и механических свойств трущихся тел. В условиях упругого контакта он может составлять 10—15.

Из сравнения формул видно, что они выражают аналогичные зависимости, поскольку скорость и интенсивность изнашивания связаны соотношением

Формула показывает линейную зависимость износа от номинального давления и скорости скольжения, однако в ней раскрыты структура коэффициента износа R, его зависимость от вида контакта, механических характеристик материала, микрогеометрии поверхности и других факторов.

Следует иметь в виду, что приведенные уравнения, хотя и написаны в детерминированном виде, могут рассматриваться как функции случайных аргументов. Это позволяет оценить параметры случайного процесса изнашивания.

Зависимость износа от механических характеристик материалов. На скорость изнашивания существенное влияние оказывают механические характеристики материала, его химический состав и структура. Поскольку отделение продуктов изнашивания возможно лишь при разрушении микрообъемов, все прочностные характеристики материалов играют определенную роль в каждом элементарном акте разрушения. Так, число циклов п вформуле (8) выражается известной кривой усталости Велера и показывает зависимость этого параметра от основной механической характеристики материала — предела прочности о_в. Есть и другие методы расчета критического числа циклов п_к, которые опираются на зависимости для малоцикловой усталости (при пластическом контакте).

В общем случае из механических характеристик с износостойкостью связаны в первую очередь предел текучести или прочности, предел усталости и твердость материала.

Так, проф. М. М. Хрущев и М. А. Бабичев исследовали различные материалы и сплавы на износ при трении об абразивное полотно и определяли так называемую относительную износостойкость материалов, т. е. отношение износа эталонного материала к износу испытуемого. Исследования показали, что основной характеристикой абразивной износостойкости является твердость металлов и сплавов. Для чистых металлов и термически необработанных сталей имеется линейная зависимость между их твердостью и износостойкостью:

где 8 — относительная износостойкость абразивного изнашивания; Н — твердость по Виккерсу; b — коэффициент пропорциональности.

Для термически обработанных сталей износостойкость также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени.

Если твердость повышена путем механического наклепа поверхности, то это практически не скажется на повышении абразивной износостойкости материала, что определяет с точки зрения износостойкости важность не только значения, но и происхождения твердости материала — получена ли она естественным путем (без искажения кристаллической решетки за счет изменения химического состава металла или сплава) или путем термообработки, или путем наклепа.

. Влияние на износ структуры материалов. Существенное влияние на износостойкость оказывают структура, химический состав и вид термообработки материалов.

Для сплавов положительное влияние на повышение износостойкости, как правило, оказывают мелкозернистая структура, наличие твердых структурных составляющих, воспринимающих основную нагрузку, наличие включений (например, графитных), играющих роль твердой смазки.

При этом в ряде случаев требования к структуре материалов, работающих в условиях износа и в качестве элементов конструкций, несущих нагрузки, различны. Например, для чугунов, легированных редкоземельными элементами, правильная глобулярная форма графита не обязательна при применении их в качестве антифрикционных материалов. Основную роль здесь играет легирование структурных составляющих металлической матрицы.

Часто структура материала оказывает такое влияние на процесс изнашивания, что механические характеристики материала уже недостаточны для оценки интенсивности процесса. При оценке влияния структуры сплавов на их износостойкость следует иметь в виду, что в процессе трения в тонком поверхностном слое происходит образование новых фаз и структур.

Большое влияние на скорость процесса изнашивания оказывают смазка и вид трения.

4. Влияние на изнашивание вида трения и смазки

Влияние вида трения. Износ всегда связан с относительным перемещением и может иметь место при трении скольжения, качения и качения с проскальзыванием. Как было показано, при анализе фрикционных связей для протекания процесса изнашивания необходимо их многократное возникновение и разрушение при относительном смещении микровыступов. Это условие выполняется при относительном скольжении поверхностей. Однако и при чистом качении упругих тел в зоне контакта возникают сложные явления, связанные с напряженным состоянием и с проскальзыванием, которые могут привести к их изнашиванию, а не только к усталости поверхностных слоев.

Еще О. Рейнольдс в своем классическом исследовании трения качения установил, что при контакте тел возникает их относительное проскальзывание и поэтому, например, путь, проходимый катящимся по плоскости цилиндром, больше рассчитанного из чисто геометрических соотношений. При этом величина этого проскальзывания зависит от механических свойств материала. Большое значение имеют теоретические исследования академика

А. Ю. Ишлинского, который определил зависимость сопротивления качению от скорости движения для случая качения жесткого катка по релаксирующему и упруговязкому основанию. Д. Тейбор, изучая явления, происходящие при качении, утверждал, что главная роль в образовании сил сопротивления качению и возникновению проскальзывания принадлежит упругому гистерезису внутри материала. При качении поверхность контакта состоит из участков сцепления и скольжения. Это проскальзывание может вызывать износ и при «чистом» качении. Если же кроме этого возникает также и кинематическое проскальзывание, то оно оказывает решающую роль в возникновении I износа.

Следует иметь в виду, что между силой или работой трения; и скоростью изнашивания поверхности нет непосредственной зависимости, поскольку работа, расходуемая на изнашивание, как правило, составляет небольшую часть всей работы трения. Поэтому возможны значительные изменения интенсивности изнашивания материалов, особенно при сухом трении, при сравнительно небольшом колебании коэффициента трения. Возникновение сил трения и износ поверхностей — это различные проявления процесса контактирования шероховатых поверхностей при их трении.

Влияние смазки. Сильное влияние смазки на интенсивность изнашивания пар трения общеизвестно. При сухом трении имеет место наибольшая скорость изнашивания, так как здесь создаются условия для возникновения молекулярного взаимодействия и таких явлений, как повышение температуры, концентрация давлений на отдельных участках, что интенсифицирует процесс разрушения поверхностных слоев. При работе деталей машин стремятся избежать сухого трения.

Наиболее желательны, сточки зрения предотвращения износа, жидкостное трение или газовая смазка. Слой смазки устраняет непосредственный контакт двух поверхностей, благодаря чему не только значительно уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или резкого уменьшения износа поверхностей.

Жидкостное трение, при котором трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки, может быть обеспечено двумя основными методами— гидродинамическим и гидростатическим (подача смазки под давлением).

Однако жидкостное трение обладает рядом недостатков. Во-первых, оно связано с существенным усложнением конструкции системы смазки. Во-вторых, наличие масляного слоя между поверхностями, величина которого зависит от нагрузки, может нарушить точность перемещения узла.

Наиболее характерным для большинства узлов трения является граничное трение, когда слой смазки не превышает 0,1—0,2 мкм. В этом случае на трение и износ оказывают влияние как характеристики сопряженных материалов, так и свойства смазочного слоя. Износ может происходить при локальных разрывах масляной пленки и при передаче усилий через эту пленку, которая играет роль эластичной прокладки и обладает некоторыми свойствами квазитвердого тела.

В целом можно сказать, что граничное трение существенно уменьшает по сравнению с сухим трением скорость изнашивания, при этом на основные процессы, происходящие при разрушении микрообъемов поверхностных слоев влияют как свойства сопряженных металлов, так и характеристики смазки.

Следует учитывать также, что и сама тонкая масляная пленка, нанесенная на металл, с течением времени изнашивается, теряя свои антифрикционные свойства. Влияние вида трения на условия взаимодействия микровыступов сопряженных поверхностей схематично показано на рис. 12. При жидкостном трении каждый участок поверхности нагружен постоянным давлением, не изменяющимся при относительном перемещении поверхностей, т. е. статической нагрузкой. Эта нагрузка не в состоянии разрушить микровыступы, так как возникающие напряжения находятся в области больших запасов прочности.

При граничном трении, хотя и происходит перераспределение внешней нагрузки, но имеются более нагруженные зоны в месте сближения микровыступов. Поэтому при относительном движении тел происходит колебание напряжений в каждом микровыступе и создаются условия для их усталостного разрушения. Правда, коэффициент асимметрии здесь близок к единицеиз-за эффекта выравнивания эпюры давлений и поэтому интенсивность разрушения микровыступов значительно снижается. Кроме того, слой смазки предотвращает молекулярное взаимодействие. При сухом трении имеет место непосредственный контакт микровыступов и нагрузка концентрируется в отдельных зонах. При относительном перемещении напряжение в микровыступах может падать до нуля и коэффициент асимметрии цикла равен нулю или имеет малую величину. Здесь создаются условия для усталостного разрушения или пластической деформации микровыступов, что и приводит к усталостному или абразивному, а при наличии окисных пленок — к окислительному изнашиванию.

Выбор смазки. В условиях граничного трения от смазки требуется, во-первых, создание прочной поверхностной пленки, что связано с явлением смачивания и налипания, и, во-вторых, способность взаимодействовать с поверхностными слоями материала и изменять их структуру и свойства (модифицировать).

Изменение состояния поверхностных слоев металла проявляется в виде пластической деформации и механического упрочнения, хемосорбции и диффузии из смазочной среды и образования вторичных структур. На эти процессы большое влияние оказывают поверхностно-активные вещества.

Поэтому большое значение имеет применение специальных противоизносных присадок.

 

 

Рисунок 12.- Зависимость нагрузок на микровыступы поверхностей от вида трения

 

В качестве смазочных материалов в машинах применяются жидкие минеральные масла, густые (консистентные), а в ряде случаев и твердые смазки. Преимущественное распространение получили минеральные масла, которые хорошо подходят для смазки ответственных быстроходных сопряжений и позволяют более легко осуществлять централизованную смазку. Выбор того или иного сорта смазки зависит в первую очередь от скоростей относительного скольжения и нагрузок, действующих в сопряжениях. При прочих равных условиях, чем выше скорость относительного скольжения и чем меньше давление в сопряжении, тем меньшей вязкостью должно обладать масло.

Часто выбор сорта смазки осложняется тем, что в машине имеется большое разнообразие пар трения, работающих при различных скоростях и нагрузках. Применение разных смазок неоправданно усложнило бы конструкцию смазочной системы и затруднило эксплуатацию машины. Поэтому стремятся применить одну систему смазки для всей машины или для одного узла (в сложных машинах).

Твердые смазки. Расширение диапазона условий, в которых работают узлы трения современных машин — работа при высоких и низких температурах, при больших давлениях и скоростях, при действии агрессивных сред и т. д., а также наличие в машине труднодоступных для смазки мест или недопустимость жидкой смазки, привели к появлению новых видов смазок. Поскольку жидкие и консистентные смазки непригодны для указанных целей, применяются твердые смазки, которые используются в виде тонких покрытий, в качестве структурных составляющих подшипниковых сплавов, как порошки и присадки к обычным смазкам, путем пропитки пластмасс и другими способами. В качестве материала для твердых смазок обычно используются графит, дисульфид молибдена, полимеры (фторопласты, графитопласты, капрон), металлокерамические композиции, пластичные металлы (серебро, золото, свинец, индий), металлические соли высокомолекулярных жирных и смоляных кислот.

Механизм действия твердых смазок разнообразен и зависит от типа смазки. Наиболее исследованы так называемые слоистые твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, слюда), когда анизотропия их прочностных свойств (малое сопротивление сдвигу по плоскостям спайности) облегчает процесс трения. Кроме того, играет роль адсорбция воды, которая обеспечивает хорошую смачиваемость графита.

Находят применение также так называемые самосмазывающиеся материалы,в состав которых органически входят твердые или жидкие смазки. Это обычно полимерные, пористые металлические и металлокерамические композиции, пропитанные специальными составами или содержащие составляющие, действующие как смазка.

Все большее распространение находят композитные самосмазывающиеся материалы, в которых в качестве связующих используются различные полимеры (как термопластичные, так и термореактивные), а наполнителями являются сухие смазки, обеспечивающие необходимые фрикционные свойства.

В качестве наполнителей широкое применение получили твердые смазки, имеющие ламинарную структуру: графит, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, NbSe₂, РЫ„ CdI_2> BI₂, AgI₂, SbS, BN (нитрид бора), PbO, CdO и др.