Изнашивание металлов и его виды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Изнашивание металлов

Изнашивание металлов: абразивное, адгезионное, тепловое, окислительное, изнашивание вследствие пластического деформирования, изнашивание при хрупком разрушении, усталостное изнашивание, изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды, особые виды изнашивания.

Значительная часть отказов машин происходит в результате изнашивания трущихся поверхностей. Поэтому испытания на износ широко распространены, а повышение износостойкости металлических материалов является важной научно-технической проблемой.

Схема изнашивания

Изнашивание - разрушение и отделение материала с поверхности твердого тела или накопление остаточной деформации при трении, проявляющиеся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Другими словами - это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации

Основной (3) и сопряженный (1) материалы составляют рабочую пару. Между ними находится промежуточное вещество 2. При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трения F - реакция, препятствующая взаимному перемещению.

Износ - это результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала и определяемый в установленных единицах, а износостойкость - способность материала сопротивляться изнашиванию, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания (ГОСТ 23.002-78).

Линейный износ - износ, определяемый по уменьшению размера образца (тела) по нормали к поверхности трения;

Скорость изнашивания - отношение величин износа ко времени, в течение которого он возник;

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.

Различные виды изнашивания объединяют по признаку основных явлений, обусловливающих эффект изнашивания, в следующие группы:

1) механические - когда изнашивание определяется явлениями чисто механического порядка: резанием, выламыванием частиц, пластическим деформированием поверхностного слоя;

молекулярно-механические - когда основным является сцепление материалов на отдельных участках сопряженных поверхностей с последующим механическим разрушением образовавшихся связей;

коррозионно-механические - когда изнашивание определяется химическим взаимодействием среды с материалами трущихся тел при механическом удалении продуктов взаимодействия.

Механизм и величина износа зависят от большого числа факторов, которые условно можно объединить в три группы:

внешние механические воздействия: характер движения контактирующих тел (трение скольжения, качения, удары, течение), величина внешней нагрузки, скорость перемещения и производная от них температура;

физико-химическое действие среды;

свойства материалов пар трения.

Стадии изнашивания:

1 - пластическое деформирование; 2 - унос продуктов износа; 3 - разрушение. изнашивание абразивный окислительный металл

Затем наступает следующий цикл. Структурные изменения в поверхностном слое представляют собой совокупность перехода материала при каждом таком цикле в резко новое состояние.

Эти резкие изменения тонкого строения и структуры тонкого поверхностного слоя обусловлены:

а) исходным несовершенством структуры поверхностных слоев (в связи с общим искажением и недостроенностью атомно-кристаллического строения на поверхности металла);

б) активным взаимодействием этого искаженного слоя с внешней средой и образованием при этом в зоне контакта продуктов в виде пленок, обладающих различной коррозионной активностью;

в) высокой концентрацией напряжений при сложной схеме их воздействия на тонкие поверхностные слои металла, что сопровождается в ряде случаев повышением температуры.

Итак, в результате воздействия всех этих факторов тонкое строение и структура поверхностного слоя могут оказаться в процессе изнашивания совершенно иными, чем исходная структура и тонкое строение металла в объеме.

Абразивное изнашивание

Поверхность металла изнашивается в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Механизм этого вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо целых фрагментов (участков) материала, находящихся в «предразрушенном» (сильно наклепанном) состоянии, в частности материала, выдавленного предварительно по сторонам пластически деформированной царапины, либо в виде более или менее дисперсных кусочков, хрупко отделяющихся при однократном или многократном воздействии.

Изнашивающие абразивные частицы могут иметь минеральное происхождение (частицы почвы, руды, пыли), могут быть окалиной, наклепанными металлическими продуктами изнашивания, твердыми структурными составляющими одного из сопряженных материалов.

Изнашивание вследствие пластического деформирования

Происходит постепенное перемещение поверхностных слоев в направлении скольжения, но износ не сопровождается потерей массы. Такому изнашиванию подвержены пластичные сплавы, работающие при значительных нагрузках и повышенных температурах.

Изнашивание при хрупком разрушении

Это изнашивание происходит, когда поверхностный слой одного из трущихся металлов претерпевает большую пластическую деформацию, интенсивно наклёпывается, становится хрупким и затем разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал, после чего явление повторяется, т.е. носит циклический характер.

Хрупкий поверхностный слой может образоваться и при обогащении поверхности твердыми структурными элементами из-за различной скорости их изнашивания, при изменении состава и свойств поверхностного слоя в процессе трения вследствие взаимодействия металла со средой, а также при структурных превращениях вследствие нагрева при трении (для стали это часто наблюдаемая мгновенная закалка тонкого поверхностного слоя на мартенсит).

Усталостное изнашивание, или контактная усталость

Усталостное изнашивание представляет собой процесс накопления повреждений и развития разрушения поверхностных слоев материала под действием переменных контактных нагрузок, вызывающих образование ямок выкрашивания (питтинга) или трещин. Этот вид изнашивания, связанный с локальным разрушением поверхности, проявляется только через некоторое время работы деталей, когда контакт деталей является сосредоточенным (шарико- и роликоподшипники, зубья шестерен и т.д.).

Контактная усталость представляет собой то же, что и усталостное разрушение. Методика испытаний на контактную усталость отличается от обычных испытаний на усталость тем, что образец, подвергаемый циклическому нагружению, находится в контакте с одним или двумя контртелами.

Адгезионное изнашивание

Это изнашивание связано с различными видами «схватывания» металла при трении: перенос (диффузионный) металла с одной поверхности контактирующих деталей на другую; вырывание частиц одной поверхности и налипание или наволакивание их на другую, что обычно ведет к появлению на поверхностях рисок и задиров; заедание сопряженных деталей, сопровождаемое резким повреждением поверхностей и повышением сопротивления трения.

Необходимым условием для схватывания является непосредственное соприкосновение тех свежих «ювенильных» поверхностей металлов, которые возникают в процессе их совместного пластического деформирования. Факторы, затрудняющие совместное пластическое деформирование металлов или непосредственное их соприкосновение, противодействуют схватыванию.

Сначала наблюдается схватывание металлов на некотором, участке мгновенной поверхности контакта; возникшая связь тотчас разрушается, так как детали находятся в относительном движении. Если материал в месте мгновенного соединения окажется прочнее основного материала (например, в результате местного наклепа), то разрушение произойдет по основному (менее прочному) материалу, и в этом случае на одной поверхности образуется углубление от удаленной частицы, на другой - выступающая частица.

Через эту частицу начинает передаваться значительная часть нагрузки и, если температура в зоне контакта сильно не повысится (мала скорость), частица будет разрушать сопряженную поверхность. Если же произойдет разогрев, то выступающая частица будет пластически деформироваться и тогда она практически не будет разрушать сопряженную поверхность. Эта схема качественно объясняет, почему при малых скоростях скольжения наблюдается схватывание и сопровождающее его при трении без смазки сильное изнашивание, а при больших скоростях интенсивность изнашивания гораздо ниже.

Тепловое изнашивание

происходит, когда чистые (от пленок или адсорбированных веществ) поверхностные слои трущихся металлов нагреваются до высоких температур, что наблюдается при трении скольжения с большими скоростями и значительными удельными давлениями.

Стадии теплового изнашивания:

1) в интервале температур, мало снижающих прочность трущихся поверхностей металлов (для стали - до 600°С), тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и разрушением мест схватывания с малыми пластическими деформациями; поверхность трения на этой стадии износа покрыта надрывами, чередующимися через правильные промежутки;

в интервале температур, вызывающих сильное снижение прочности трущихся поверхностей металлов (для стали - выше 600°С); тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и пластическим разрушением точек схватывания с налипанием и размазыванием металла на трущихся поверхностях;

в интервале температур плавления разрушение контактирующих поверхностей в процессе износа происходит путем уноса тонких пленок расплавленного металла.

Окислительное изнашивание

возможно, когда кислород воздуха или кислород, находящийся в смазке, вступая во взаимодействие с трущейся поверхностью металла, образует на ней окисную пленку.

Так как окисные пленки защищают металлические поверхности от непосредственного их сближения, то они противодействуют схватыванию. В большинстве случаев: чем прочнее пленка и плотнее она прилегает к металлической поверхности, тем выше сопротивление износу. Само же изнашивание в этом случае определяется механическим удалением окисных пленок при трении, их уносом вместе со смазкой и новым образованием свежих пленок.

Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды

Такой средой может быть либо неудачно выбранная смазка, либо какая-то активная жидкость, присутствие которой обусловлено конкретными условиями эксплуатации. На металлических (стальных) поверхностях в этом случае образуются соединения, например, железа с активными элементами (серой, фосфором), возникают тонкие слои защитных пленок, которые, однако, механически менее стойки, чем основной металл; они быстро изнашиваются, затем вновь возобновляются и вновь стираются.

Частным видом рассматриваемого вида изнашивания является фреттинг-коррозия, которая возникает под воздействием промышленной атмосферы, влажной атмосферы или просто влаги. Такой вид изнашивания связывают либо с окисными пленками, отделяющимися с поверхностей контактирующих деталей и действующими как абразивы, которые вследствие малых относительных перемещений не удаляются за пределы контакта, либо с отделением частиц металла, которые тут же окисляются, превращаясь в абразив.

Особые виды изнашивания

Кавитационное изнашивание деталей появляется в потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, в участках сильно пониженного давления, например при обтекании препятствий. Иногда возникают местные разрывы сплошности потока с образованием каверн, заполненных паром. Попадая с потоком в область более высокого давления, каверны захлопываются и, если это происходит у металлической поверхности, жидкость с большой скоростью ударяется в стенку. Многократные повторные удары жидкости по одному и тому же участку металла (каверны возникают и захлопываются периодически, иногда с большой частотой) приводят через некоторое время к местному разрушению, образованию углублений, а иногда и сквозных отверстий (в лопатках гидротурбин, в гребных винтах и т.п.), Кавитационное изнашивание, таким образом, близко к усталостному, осложненному коррозионным влиянием жидкости.

Кавитационно-абразивное изнашивание наблюдается, например, в потоке воды, несущей песок. Кавитационно-абразивное изнашивание на деталях земснарядов или гидравлических турбин на горных реках имеет свои закономерности, отличающиеся от закономерностей как гидроабразивного¹ (¹ Просто поток воды, несущей песок, вызывает гидроабразивное изнашивание (эрозию) металлических стенок, с которыми песок, движущийся в потоке, приходит в соприкосновение, особенно на участках, где направление движения изменяется), так и кавитационного изнашивания в чистой воде.

Эрозионное изнашивание состоит в отделении частиц с поверхности тела в результате соприкосновения с ним движущейся жидкой или газовой среды или увлекаемых ею твердых частиц либо в результате ударов потока твердых частиц.

Можно указать на следующие случаи эрозионного изнашивания.

в потоке воды, не засоренной абразивом, и при отсутствии кавитации; изнашивание может происходить вследствие механического разрушения потоком жидкости поверхностных пленок на металле, возникающих при взаимодействии металла с жидкостью, с растворенным в ней кислородом или другими активными примесями (разновидность коррозионно-механического изнашивания);

в газовом потоке, несущем абразивные частицы, причем газовая среда может не взаимодействовать с металлом (механическое изнашивание) или взаимодействовать с ним (коррозионно-механическое изнашивание);

3) в струе твердых частиц - преимущественно механическое изнашивание.

Кроме того, под определение эрозионного изнашивания попадают кавитационное, гидроабразивное и кавитационно-абразивное изнашивание.

Трибологические испытания

При трибологических испытаниях (испытания на износ) основными характеристиками являются изнашивание, износ и износостойкость.

В абсолютных единицах износ характеризуется потерей массы детали, уменьшением ее линейных размеров или объема. Износ конкретных деталей и узлов определяется природой контактирующих материалов и условиями трения.

Различают допустимый и предельный износ. При допустимом износе сохраняется работоспособность детали, несмотря на изменение ее размеров и формы вследствие изнашивания. Предельный износ характеризуется такими изменениями размеров и/или формы детали, когда дальнейшее изнашивание приводит к потере работоспособности этой детали и механизма в целом.

Износостойкость - способность материалов или деталей сопротивляться изнашиванию в условиях внешнего трения.

Все многообразие элементарных процессов, вызывающих отделение частиц с поверхности изделия, можно свести к четырем главным механизмам износа. К ним относятся два чисто механических процесса: абразивный износ и усталостное разрушение поверхности, а также отделение частиц под воздействием адгезии и, наконец, удаление слоев металла в результате трибохимических реакций на поверхности тел - окислительный износ.

Наиболее общим видом изнашивания является механическое изнашивание в результате механических воздействий. Различают следующие виды механического изнашивания в зависимости от характера механического воздействия:

абразивное - результат режущего или царапающего действия свободных или закрепленных твердых частиц;

усталостное - результат многократного деформирования участков поверхности контакта твердых тел;

эрозионное - под действием потоков жидкости или газа, движущихся с большими скоростями;

кавитационное - результат многочисленных микрогидравлических ударов, воспринимаемых поверхностью твердого тела, когда вблизи нее захлопываются пузырьки пара жидкости.

На результат испытания большое влияние оказывает отношение твердости абразива к твердости испытуемого материала Н_а/Н_м. При Н_а<Н_м износ образца очень мал или вообще отсутствует, при Н_а/Н_м > 1,4ч1,6 износ сохраняет постоянные значения, т.е. уже не зависит от твердости абразива. В этом случае основным механизмом изнашивания материала закрепленным абразивом является микрорезание.

При проведении стендовых испытаний производится оценка фактического износа самих деталей или узлов в условиях, близких к тем, в которых они эксплуатируются. Для этих условий конструируются специальные стенды, позволяющие имитировать реальные условия нагружения и износа деталей и узлов.

При испытании деталей машин и узлов на изнашивание в условиях эксплуатации (натурные испытания) определяют ресурс деталей и узлов и делают окончательные выводы о правильности выбора материалов для изучаемой пары трения.

Изменение выходных параметров детали и узла дает лишь косвенное представление о величине износа. Наиболее полную информацию о величине износа и его распределению по поверхности трения дают дифференциальные методы измерения износа: микрометрирование, метод искусственных баз, метод поверхностной активации.

Методы испытаний на износ, моделирующие возможные условия эксплуатации, многочисленны. При этом результаты испытаний разными методами обычно несопоставимы, поскольку в них реализуются разные механизмы изнашивания, используются разные внешние механические воздействия и рабочие среди (промежуточные вещества).

Метод микрометрирования основан на измерении деталей до и после испытаний с помощью инструментальных микроскопов, микрометров, индикаторов и других приборов. Для определения малых величин износа и характера распределения его по рабочей поверхности деталей применяют метод профилографирования поверхности с помощью профилографов различных типов. Вертикальное увеличение профилографов составляет 400ч200000, что позволяет с большой точностью определять износ. О величине износа судят на основе сопоставления профилограмм, снятых с рабочей поверхности деталей до и после испытаний.

Метод искусственных баз состоит в том, что на рабочую поверхность деталей наносят углубления строгой геометрической формы (конус, пирамида, сфера и др.). При изнашивании поверхности и слоя детали происходит уменьшение глубины и других размеров углубления, по которым судят о величине линейного износа данного участка поверхности.

Метод искусственных баз предназначен для оценки местного или локального линейного износа деталей. Система углублений позволяет оценивать характер разрушения износа на рабочей поверхности деталей. Использование отпечатков, наносимых с помощью прибора ПМТ-3 (для определения микротвердости), позволяет оценивать величину изнашивания отдельных структурных составляющих материала (например, карбидной фазы).

В производственных условиях при измерении линейного износа в труднодоступных местах деталей больших размеров отпечатки наносят коническими кернами или высверливают отверстия конической формы.

Метод поверхностной активации, разработанный В.И. Постниковым, основан на создании радиоактивного поверхностного слоя глубиной 0,05-0,5 мм в заданном участке поверхности детали посредством облучения его заряженными частицами (протонами, нейтронами, б-частицами), ускоренными до энергии 10-20 МэВ. Облучение деталей осуществляется на специальном ускорителе (циклотроне). Одновременно с деталями активизируются образцы, которые затем используются для построения тарировочного графика зависимости изменения радиоактивности поверхности от глубины изношенного слоя. Тарировочный график строят на основе лабораторных испытаний активированных образцов, а затем используют для определения величины износа деталей в процессе их эксплуатации по уменьшению радиоактивности поверхности. Чувствительность метода 1-2 мкм.

Номограмма для определения относительной износостойкости и сталей в зависимости от их твердости HV и энергоемкости Е_т

Один из способов оценки износостойкости материалов (ГОСТ 23.218-84) состоит в определении энергоемкости материала при испытании образцов на растяжение. Для оценки износостойкости при абразивном изнашивании, когда абразив закреплен (скорость скольжения - до 2,5 м/с и давление - до 10 МПа), используют вычисленные по результатам испытаний значения энергоемкости отожженного материала при пластическом деформировании (Е_т) и твердости (HV) в исследуемом структурном состоянии.

Износостойкость находят как ординату точки линии номограммы, соответствующей данному значению энергоемкости Е_т, имеющей абсциссу, соответствующую твердости HV исследуемого материала.

Наиболее распространенной разновидностью изнашивания является нормальное окислительное изнашивание, идущее при наличии на поверхности трения защитных пленок, образующихся при взаимодействии контактирующих материалов с кислородом.

Кривая износа

Для нормального изнашивания характерны три стадии. На первой (I), так называемой стадия приработки, уменьшается скорость износа. Это объясняется устранением неровностей на поверхности. На второй стадии (2) скорость износа постоянна - это установившееся изнашивание, где можно прогнозировать величину износа и учитывать его при определении размеров детали. Наконец, третья стадия (3) характеризуется ускорением износа по экспоненте. В условиях эксплуатации переход к этой стадии приводит к быстрому выходу детали из строя. Кроме повреждений, обусловленных трением, часто возникают повреждения, связанные с трением косвенно: кавитация, коррозия, эрозия, смятие и др.

При нормальном изнашивании разрушение происходит только в тонких слоях со вторичной структурой, после удаления которых она вновь быстро восстанавливается, и этот процесс многократно повторяется. В других видах изнашивания разрушение затрагивает более широкие поверхностные слои и развивается вглубь гораздо быстрее.

Нормальное изнашивание затрагивает лишь тончайшие поверхностные слои (порядка 10³ нм). При трении взаимно перемещающихся контактирующих материалов в их поверхностных слоях происходит упруго-пластическая деформация. При трении скольжения в этих слоях возникают напряжения растяжения - сжатия.

Работа сил трения в основном затрачивается на образование теплоты, но частично запасается поверхностными слоями металла за счет образования дефектов. В результате происходит сильное структурно-термическое активирование поверхностных слоев.

При решении проблемы повышения износостойкости металлических материалов используют конструкционные, технологические и эксплуатационные средства. Все они направлены на расширение границ и всемерное снижение интенсивности нормального изнашивания, а также предупреждение недопустимых разновидностей поверхностной повреждаемости.

К конструкционным средствам относят оптимальный подбор материалов для пар трения, выбор вида трения, определение формы и размеров рабочих поверхностей, выбор системы смазки и т.д. Для предупреждения, например, схватывания I рода необходимо повышать твердость и снижать пластичность контактирующих материалов, а для того чтобы избежать горячего задира, следует по возможности использовать жаропрочные материалы.

Эффективными технологическими средствами повышения износостойкости являются различные способы, уменьшения шероховатости поверхности, упрочнения поверхностных слоев (химико-термической обработкой, нанесением покрытий, поверхностным наклепом).

Многого можно добиться и за счет использования эксплуатационных средств - подбора оптимальных режимов и условий нагружения, температуры, среды (промежуточного вещества). Особенно важное значение имеет правильный выбор смазки, защита от абразивных частиц, охлаждено узлов трения.

Размещено на Allbest.ru