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		27,4	39,2	0,125	0,160
Никель	ГЦК		20,6	47,0	0,140	0,200
Кобальт	ГПУ		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.