Основные сведения об изнашивании

Метод вырезанных лунок – определение линейного износа по уменьшению в процессе изнашивания длины остроугольных лунок, вырезанных на исследуемой поверхности алмазным резцом, имеющим форму треугольной пирамиды (для этого используют специальное маятниковое приспособление). Определение линейного износа производится по формуле , где  и  - длина лунки до и после испытаний,   - расстояние от оси вращения до вершины резца. Является разновидностью метода искусственных баз.

Метод углублений – определение линейного износа аналогично методу вырезанных лунок, за исключением того, что углубления образуются путем высверливания или кернения исследуемой поверхности. Является разновидностью метода искусственных баз. При оценке линейного износа методом выдавленных лунок на поверхность трения наносят накол твердосплавным коническим керном с тупым углом a при вершине. Затем шлифованием устраняют "холмы", образующиеся вследствие пластической деформации металла по краям углубления. Далее оптическим микрометром измеряют начальный диаметр конической лунки D₁, который связан с ее глубиной зависимостью: . По мере изнашивания материала диаметр лунки уменьшается до величины D₂. По размерам лунки до и после приработки поверхностей можно определить линейный износ как разность начальной  и рассчитанной после приработки  глубин лунки-свидетеля . Чем больше угол при вершине, тем более чувствителен данный метод к величине линейного износа.

Метод взвешивания – оценка весового износа  как разницы массы детали до и после изнашивания. Метод требует тщательного удаления смазочного материала (обезжиривание, например, уайт-спиритом) после испытания на трение. В случае испытания материалов, впитывающих масло (пористые материалы и покрытия, полимеры), перед измерением начальной массы детали (или образца) целесообразно предварительное смачивание (или выдержка) в среде испытуемого смазочного материала до полного насыщения и последующее обезжиривание поверхности. В противном случае вместо убыли массы изношенной детали экспериментатор зафиксирует ее прирост. Для измерения массы используют высокоточные электронные весы. Метод неприменим для оценки износа пластичных материалов и покрытий, склонных к деформационному изнашиванию, поскольку в этом случае износ формируется не за счет отделения частиц износа (т.е. потери массы), а за счет пластического оттеснения материала из зоны трения.

Метод радиоактивных изотопов – оценка величины износа материала, в который предварительно введен радиоактивный изотоп, по интенсивности излучения смазочного материала, накапливающего в процессе трения радиоактивные частицы. Интенсивность излучения регистрируется счетчиком Гейгера-Мюллера. Количество импульсов в минуту переводится в весовой износ методом эталонирования. Для оценки износа отдельных участков поверхности трения могут использоваться цилиндрические радиоактивные вставки диаметром 0,7…1,0 мм, вставляемые в специальные отверстия.

Характеристики изнашивания

Скорость изнашивания  – отношение величины износа ко времени наработки  узла трения. Можно выделить три показателя – скорость линейного изнашивания ; скорость объемного изнашивания ; скорость весового изнашивания .

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути трения  или к работе сил трения , где  - сила трения;  - нормальная нагрузка, приложенная на контакт; - коэффициент трения. Можно выделить шесть показателей интенсивностей изнашивания: ; ; ; ; ; [9].

Износостойкость  – величина обратная интенсивности изнашивания.

Класс износостойкости характеризует один из десяти установленных диапазонов интенсивностей изнашивания и определяется по таблице 1.2 [15]

Таблица 1.2

Виды изнашивания

По физическому механизму повреждаемости поверхностей трения все виды изнашивания и поверхностного разрушения можно отнести к следующим двум группам [15] (рис. 1.4).

    Механическое изнашивание – группа видов изнашивания, в которых разрушение поверхностей трения происходит вследствие преимущественно механического взаимодействия трущихся тел на фактических пятнах касания (при схватывании, абразивное, деформационное, эрозионное, усталостное, контактная усталость, бринеллирование, фреттинг). Частицы износа при этом представляют собой частицы трущихся материалов, а поверхности трения имеют свойственный им цвет.

Коррозионно-механическое изнашивание – разрушение поверхностей трения вследствие образования и последующего механического разрушения продуктов коррозии на трущихся поверхностях (окислительное, фреттинг-коррозия, водородное, при избирательном переносе). Частицы износа при коррозионо-механическом изнашивании представляют собой продукты коррозии трущихся материалов, а поверхности трения, как правило, имеют заметные коррозионные повреждения.

Рис. 1.4. Классификация видов изнашивания.

В первую группу входит подгруппа катастрофических видов изнашивания, наступление каждого из которых свидетельствует о скором выходе узла трения из строя по причине заклинивания (изнашивание при схватывании) либо вследствие быстрого усталостного выкрашивания или микрорезания поверхностей трения (соответственно при контактной усталости и абразивном изнашивании). Поэтому катастрофические виды изнашивания являются недопустимыми при эксплуатации. Предотвращение аварийных отказов узлов трения под действием катастрофических видов изнашивания является одним из основных признаков обеспечения технической совместимости. Краткое описание методов оценки технической совместимости по критериям стойкости к данным видам изнашивания приведено в четвертой главе.

Деформационное изнашивание связано не с отделением частиц износа, а с изменением геометрии деталей пар трения за счет пластической деформации, которая в зависимости от преобладающего разрушающего фактора имеет две основные формы. Первая – пластическое оттеснение – происходит при превышении давления на контурной площади контакта[10] предела текучести одного из материалов. При этом последний подвергается объемной деформации часть и материала выдавливается из зоны трения наружу. Часто причиной смятия поверхностей трения становится воздействие динамических нагрузок (ударных и вибрационных). Вторая – термическое вытекание – проявляется при значительном нагреве зоны трения до температуры плавления одного из материалов. При этом пластифицированная часть поверхности вытекает из зоны трения на периферию. Наиболее подвержены деформационному изнашиванию термопластичные полимеры вследствие их малой твердости и плохой теплопроводности. Но в случае высоких температур и малой площади контакта его нередко можно наблюдать при использовании высокопрочных сталей (деформация обоймы шарнира равных угловых скоростей в месте контакта с шариком, смятие режущей кромки инструмента из быстрорежущей стали, деформация роликов в подшипнике качения, вмятины на дорожках качения от стружки) и даже твердых сплавов (деформация перфораторов для пластического сверления). При исследовании деформационного изнашивания необходимо помнить, что его нельзя оценивать в единицах весового износа, поскольку потери массы при деформации не происходит. Лучше пользоваться линейным износом. Основные методы борьбы с деформационным изнашиванием: применение материалов с большей твердостью, температурой плавления и теплопроводностью; снижение удельного давления за счет увеличения площади контакта, демпфирование динамических нагрузок, предотвращение генерирования или поступления в узел трения избыточного тепла (улучшение условий теплоотвода, снижение коэффициента трения и т.п.).   

 Фреттинг – усталостное выкрашивание поверхностного слоя в номинально-неподвижных соединениях под действием высокочастотной осцилляции (вибрации с очень малой амплитудой). К числу таких соединений относятся все соединения с натягом, шлицевые, резьбовые, штифтовые, клиновые и заклепочные соединения и др. Работа таких соединений в условиях сильных высокочастотных вибраций приводит к возвратно-поступательным микросмещениям поверхностей в номинально-неподвижном стыке. При этом поверхностные слои в зоне пятен касания (очагах разрушения) претерпевают динамические (циклические и знакопеременные нагрузки), приводящие к развитию усталости и выкрашиванию материала. Частицы износа, сформировавшиеся в очагах разрушения, не имея возможности удалиться из зоны контакта и занимая больший объем, чем исходный материал до разрушения, вызывают ускоренное разрушение материала в образовавшемся очаге. Поэтому износ при фреттинге часто имеет «осповидный» характер, называемый питтингом. Для уменьшения фреттинга контактирующие поверхности защищают пластичными покрытиями, снижающими удельные нагрузки в зоне контакта, применяют средства демпфирования динамических нагрузок. Под действием коррозионно-активной среды фреттинг приобретает значительно более интенсивную форму – фреттинг-коррозию.

Усталостное изнашивание обусловлено усталостным разрушением тонкого поверхностного слоя (т.н. дебрис-слоя) под действием малоцикловой усталости, вызванной циклическими пластическими деформациями поверхностного слоя выступами контртела при трении. Пластические деформации в зоне фактических пятен касания постепенно приводят к наклепу и охрупчиванию поверхностного слоя и, в заключительной стадии, растрескиванию и отделению дебрис-слоя в виде частиц износа. Для усталостного изнашивания характерно появление «ступенчатой» зависимости износа от времени, на которой проявляются две фазы изнашивания. Первая – фаза латентного (скрытого) накопления повреждаемости, проявляется на кривой изнашивания пологой частью. Вторая – фаза лавинообразного диспергирования дебрис-слоя, накопившего критическую плотность дефектов кристаллической решетки (преимущественно дислокаций), проявляется резким скачком износа. При нормальных режимах трения толщина дебрис-слоя не превышает нескольких микрометров, а длительность латентной фазы может составлять до десятков часов наработки узла трения. Поэтому данный вид изнашивания чаще всего является приемлемым компромиссом для проектируемого узла трения. Однако необходимо помнить, что высокие статические и динамические нагрузки в контакте могут существенно повысить интенсивность усталостного изнашивания. Более подробный анализ кинетики усталостного изнашивания можно найти в работах [16,17]. 

Подгруппа эрозионных видов изнашивания представляет собой разрушение поверхности под действием направленного на нее  потока среды (т.е. контртелом является движущаяся среда). Поток газов или жидкости, направленные на поверхность вызывают соответственно аэроэрозионое и гидроэрозионное изнашивание, которые чаще всего рассматриваются в контексте воздушных и водных потоков в науках о земле. Так, например, под действием воздушных потоков и дождей происходит соответственно ветровая эрозия (дефляция) и водная эрозия почв и горных пород. Известно, что эрозия почв может полностью уничтожить плодородный слой земли.

В технике наиболее заметные повреждения деталей гидроаппаратуры и элементов водного транспорта вызывает кавитационная эрозия – разрушение поверхностей под действием мощных локальных гидроударов, образующихся при схлопывании на поверхности кавитационных пузырей[11]. Условием возникновения кавитации является снижение давления в жидкости ниже давления насыщенного пара при данной температуре. Чаще всего это условие выполняется за счет формирования области быстрого течения жидкости относительного твердой поверхности, где в соответствии с законом Бернулли, будет наблюдаться снижение давления. Кавитационному изнашиванию подвержены гребные винты, лопасти турбин и насосов, форсунки и др. детали, работающие в водной среде. Лучше сопротивляются кавитационной эрозии материалы с высокой энергией разрушения [15] (титановые сплавы, аустенитные упрочняющиеся стали и др.).

Электрокоррозионное изнашивание - возникает при взаимодействии поверхности с потоком электронов в виде электрических разрядов через среду. Электрические разряды (искры) сопровождают процессы замыкания и размыкания электрических контактов. Каждый разряд оказывает мощное температурное воздействие на локальный участок поверхности, вызывая (в зависимости от мощности) его окисление, испарение, выгорание. Окисление поверхности повышает переходное сопротивление и приводит к повышению тепловыделения при прохождении электрического тока через контакт. Это усугубляет повреждение поверхности и может привести к отказу контактной пары. Снизить разрушающий эффект от электрокоррозионного изнашивания можно за счет увеличения скорости замыкания и размыкания контактов, применения дугогасящих сред, а также применения для изготовления контактных площадок из плохоокисляемых электропроводящих материалов (графит) и покрытий (золото, серебро) и тугоплавких металлов (вольфрам).

Окислительное изнашивание представляет собой циклический процесс образования и разрушения при трении окисных пленок на металлических поверхностях. Как правило, с повышением толщины оксидов их прочность (и эластичность) снижается. Поэтому при нагреве интенсивность окислительного изнашивания возрастает. Окислительное изнашивание сравнительно редко рассматривается в качестве ведущего механизма разрушения поверхностей при трении.

 К одним из наиболее опасных видов коррозионо-механического изнашивания, открытый Д.Н. Гаркуновым и А.А. Поляковым, относится водородное изнашивание, обусловленное диффузионным проникновением водорода в поверхностный слой с последующим его растрескиванием и интенсивным разрушением. Накопление водорода может иметь технологическую или эксплуатационную природу. Технологический водород накапливается в процессе литья, химико-термической или гальванической обработки. При эксплуатации поверхности трения накапливают водород, выделяемый в результате трибодеструкции молекул водородсодержащих сред (смазочных материалов, топлива, газа, паров влаги) и полимерных контртел. Водород оказывает мультипликативное разрушающее действие на поверхности трения. Первый механизм повреждаемости заключается в скоплении атомов водорода на границах зерен и их последующей молизации – образовании газовых пузырей, которые являются концентраторами напряжений в поверхностном слое. Второй механизм – растворение твердых фаз в легированных сталях за счет трибохимической реакции водорода с карбидами железа (цементитом). Третий механизм – вздутие и разрушение антифрикционных покрытий [18] при фрикционном нагреве, если покрытие было нанесено на наводороженную основу. Водородному изнашиванию в меньшей степени подвержены стали, легированные хромом, ванадием и титаном [15]. Барьерный эффект на проникновение водорода оказывают защитные медьсодержащие покрытия. Для удаления технологического водорода используется операция обезводороживания, которая заключается в выдержке деталей в печи при температуре 150…250°С в течение 2…4 часов.

Изнашивание при избирательном переносе, открытое Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским [15], обусловлено самоорганизацией на поверхностях трения защитной металлической пленки (т.н. сервовитной пленки). Медная пленка формируется из медьсодержащей поверхности трения за счет растворения более активных элементов. Защитные пленки различных пластичных металлов при трении можно получить из порошковых добавок (серебряных, оловянных, медных, бронзовых и др.), вводимых в смазочные материалы.