Виды изнашивания деталей

Возникает при колебании твердого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела. Давление в жидкости на границе раздела жидкости и твердого тела может упасть и вызвать образование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздухом.

Вибрационную кавитацию могут вызвать звуковые колебания, особенно ультразвуковые. Звуковые волны ускоряют окислительно-восстановительные реакции, вызывают внутримолекулярные перегруппировки веществ, усиливают диспергирование, ускоряют процессы мойки и обезжиривания поверхностей и вызывают коагуляцию мелких частиц. Вибрационная кавитация проявляется в двигателях внутреннего сгорания, особенно на наружных поверхностях гильз в результате их колебаний от ударов поршня. Износ от кавитации наружной стенки гильзы может быть в 3 - 4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от действия поршневых колес.

10. Эрозионное изнашивание

Эрозия в широком понятии - процесс поверхностного разрушения вещества под воздействием внешней среды. В машиностроении эрозия имеет более узкое понятие, разрушение поверхности материалов вследствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под действием электрических зарядов также относится к эрозии.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара в чистом виде слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность.

В результате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. В зависимости от свойств материала возможны вырывы отдельных объемов или групп зерен. Жидкость, внедряясь при ударах в образовавшиеся микротрещины, ведет себя подавно клину, раздвигая боковые стенки.

Если поток содержит абразивные частицы, то изнашивание становится эрозионно-абразивным.

11. Схватывание и заедание поверхностей при трении

Схватывание - явление прочного соединения металлов в результате взаимного трения или совместного деформирования при температуре ниже температуры рекристаллизации. При этом образуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта поверхностей. В местах схватывания исчезает граница между соприкасающимися телами, происходит сращивание одно- разноименных металлов. На образовании прочных металлических связей между двумя заготовками основаны такие технологические процессы, как кузнечно-прессовая сварка, контактная сварка сопротивлением плакирование методом горячей прокатки. Но в отличие от сваривания эти процессы характеризуются соединением металлов при значительном давлении и при температуре выше температуры рекристаллизации.

На явлении схватывания базируются технологические процессы холодной сварки металлов. Сущность схватывания: если приложить нагрузку к двум соприкасающимся металлическим поверхностям, то в результате контакта (на расстояниях порядка межатомных) произойдет схватывание поверхностей с выделением энергии.

Если у одного и того же металла контактирует два кристаллита с одинаковой ориентацией, т.е. с параллельным расположением кристаллографических плоскостей, то произойдет их простое сращивание в один общий кристаллит.

Если же контактируют два кристаллита с различной ориентацией, то между ними образуется переходная зона. Для образования переходной зоны используется поверхностная энергия, высвобождающаяся в результате перестройки структуры. При этом образуются узлы сваривания.

Процесс возникновения и разрушения узлов сваривания видоизменяется в зависимости от контактирующих деталей, их материалов и режимов трения. При контакте двух тел могут происходить вырывы материала в макро-, микро- и субмикроскопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую поверхность. При дальнейшем контакте приваренные частицы срабатываются, вырываются и уносятся из зоны трения. При этом интенсивности изнашивания будет различной. При эксплуатации машин для качественной оценки степени повреждений поверхностей используются следующие термины:

Натир - участок поверхности трения, отличающийся по цвету от прилегающих участков и испытывающий наибольшее давление. Натир бывает светлым (результат сглаживания микронеровностей поверхности или образования мельчайших рисок в направлении скольжения) и темного цвета (результат местных повышенных температур и образования окисных пленок). Натиры могут образовываться при любом виде изнашивания.

Задир - наиболее яркая форма проявления схватывания. Образуются широкие и глубокие борозды с неровными краями, иногда слившиеся; присутствую крупные наросты; возможно оплавление поверхности. Может произойти полное заклинивание деталей.

12. Изнашивание при фреттинг-коррозии

Фреттинг-коррозия - это процесс разрушения плотно контактирующихся поверхностей пар металл - металл или металл - неметалл в результате малых колебательных относительных перемещений. Для возбуждения фреттинг-коррозия достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разрушение заключается в образовании на соприкасающихся поверхностях мелких язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Этому виду изнашивания подвержены не только углеродистые, но и коррозионно-стойкие стали в парах трения сталь--сталь (могут быть как одноименные, так и разноименные), сталь--олово или алюминий, сурьма, а также чугун--бакелит или хром и многие другие пары трения.

Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающихся поверхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты износа не могут выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.

Продукты фреттинг-коррозии стальных изделий в атмосфере воздуха имеют цвет от светло-красно-коричневого до темно-коричневого в зависимости от марок материалов, давления, влажности и частоты циклов микросмешений.

Фреттинг-коррозия осуществляется также в вакууме, в среде кислорода, азота и гелия. Интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии в атмосфере воздуха выше, чем в вакууме и в среде азота, а в кислороде больше, чем в гелии.

Язвины и продукты коррозии на сопряженных поверхностях валов и напрессованных на них дисков, колес, муфт и колец подшипников качения, на осях и ступицах колес подвижного состава железных дорог, на запрессованных в картерах вкладышах подшипников, на пригнанных поверхностях шпонок и их пазов, на центрирующих поверхностях шлицевых соединений, на опорах силоизмерительных устройств, на опорных поверхностях пружин, на затянутых стыках, в заклепочных соединениях между листами, на заклепках и в отверстиях, на болтах и т. п. -- результат проявления фреттинг-коррозии.

Необходимые для протекания этого процесса относительные микросмещения сопряженных поверхностей совершаются вследствие деформации деталей под нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происходящих в упругих системах.

Методы борьбы с фреттинг-коррозией. Универсальных средств борьбы с фреттинг-коррозией нет, но для ее уменьшения необходимо:

· уменьшить микросмещения;

· снизить силы трения;

· сосредоточить скольжение в промежуточной среде.

Уменьшить относительное микросмещение можно путем придания деталям соответствующих конфигураций или посредствам повышения силы трения. Силы трения можно увеличить, повысив давление путем уменьшения площади соприкосновения деталей или повысив коэффициент терния за счет увеличения шероховатости поверхности. Шероховатость будет длительно влиять на коэффициент трения, если один из элементов пары не является металлом. Другой метод увеличения силы трения состоит в нанесении на поверхность электролитического слоя меди, олова, кадмия, серебра или золота.

Если исключить вибрацию невозможно, то необходимо либо уменьшить силу трения или перенести скольжение в промежуточную среду: добавить свинцового белика, парафин; поверхности покрыть фосфатным, свинцовыми или индиевыми покрытиями.

Уменьшить повреждение от фреттинг-коррозии можно, повышая твердость одной детали; при этом уменьшается взаимное внедрение деталей, что снижает интенсивность изнашивания.

13. Трещинообразование на поверхности трения

13.1 Усталостное изнашивание

Возникает в деталях, подвергающихся длительному нагружению переменными по направлению и величине усилиям. Усталостные трещины берут начало на поверхности трения и входят, сужаясь, в глубь слоя. Развиваясь по длине, мелкие трещины образуют сетку на отдельных ограниченных или больших участках поверхности. Раскрытие трещин происходит под действием пульсирующего давления смазочного масла. На более поздней фазе трещина, достигнув основания антифрикционного слоя, изменяет свое направление, распространяясь по стыку между слоем и основанием, в результате отдельные участки поверхностного слоя обособляются от остального слоя, а затем выкрашиваются. Большую роль в отделении частиц, вероятно, играет смазочный материал, который, проникнув в трещину, как бы подрывает металл над ней. Иногда трещина не доходит до стыка и продвигается вблизи него и параллельно ему. Выкрашивание крупных кусков слоя может сопровождаться поверхностными язвинами.

Усталостное разрушение можно разделить на четыре стадии:

1. инкубационная. В отдельных зернах развиваются после некоторого числа циклов нагружения полосы скольжения, и в локальных объемах накапливаются искажения кристаллической решетки, что приводит к повышению микротвердости и предела жесткости при снижении модуля упругости. На некотором этапе этой стадии микротвердость начнет снижаться, оставаясь все же выше исходной.

2. разрыхление. В некоторых зернах, расположенных в наиболее напряженных объемах, в результате сдвигов появляются широкие полосы скольжения, в которых зарождаются поры и субмикроскопление трещин, развивающихся до микроскопических размеров.

3. распространение полое скольжение за пределы зерен и рост микротрещин вследствие концентрации напряжений из их концов до критического размера (макротрещин).

4. окончательное разрушение в результате самопроизвольного распространения макротрещин в образцах малого размера или из хрупких материалов.

Если усталостное разрушение происходит по границам зерен, то оно может завершиться еще до развития широких полос скольжения.

Субмикроскольжение трещины как дефект структуры существуют в исходном материале или образуются уже при малых статических или циклических нагрузках. Под действием переменных нагрузок, превышающих некоторый предельный диапазон, в наиболее напряженной зоне поверхностного слоя образуются трещины, дальнейшее изменение которой определяется общими условиями контакта.

Усталостное изнашивание зависит от режима работы и конструкции деталей, физических свойств материала и покрытия и др.

13.2 Трещинообразование термического происхождения

Растрескивание поверхностей трения в результате термического воздействия наблюдаются на поверхностях железнодорожных колес и тормозных колодок. При торможении происходит интенсивный нагрев колес и колодок, с затем их остывание. При этом на поверхности колес и колодок образуются трещины и подплавление металла. Образование трещины повышает износ поверхностей трения. При этом плоская кольцевая поверхность колес переформируется в волнообразную и на поверхности появляются темные полосы, чередующиеся со светлыми. Темные полосы на выступах- следы перегрева, светлые полосы- впадины. Трещины на рабочих поверхностях признаются неизбежными и на некоторых стадиях развития не снижают надежности торможения, поэтому существуют допуски на трещины.

Тормозные колодки бракуют, когда трещины достигают глубины более 5 мм.

Мерой борьбы с терморастрескиванием является выбор материала. Чем выше теплопроводность материала, тем меньше температурное расширение, чем пластичнее металл, тем меньше вероятность образования в нем трещин.

Склонны к терморастрескиванию хрупкие и обладающие малой теплопроводностью материалы- стекло, керамика, твердые сплавы, закаленные стали, а также сплавы с большим содержанием никеля или с висмутом, которые обладают низкой теплопроводностью.

Высокая точность обработки поверхностей трения и тщательная их приработка- дополнительное средство борьбы с растрескиванием.

Трещинообразование от перенаклепа встречается в условия трения качения, когда твердость поверхности не настолько низка, чтобы произошла заметная пластическая деформация, и не настолько высока, чтобы предупредить микропластическую деформацию в пределах всей рабочей поверхности.

14. Избирательный перенос при трении

В середине 50-х г.г. прошлого столетия при исследовании технического состояния узлов трения самолета ИЛ на разных этапах его эксплуатации было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на поверхностях деталей тяжелонагруженных узлов при работах пары трения сталь- бронза при смазывании спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1…2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала износ пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз.

Исследования показали, что медная пленка образуется в результате анодного растворения бронзы: легирующие элементы уходят смазочный материал, а поверхность обогащается медью. После того как поверхность бронзы и стали покроется медью, растворение прекращается, устанавливается режим избирательного переноса.

Образовавшуюся защитную пленку называют «сервовитной». Она представляет собой вещество (металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению.

Свойства медной пленки, «рожденной» в процессе трения, иные, чем у обычной меди, получаемой восстановлением медных руд.

Исследованиями установлено, что пленка толщиной 1…2 мкм имеет рыхлую, пористую структуру. Параметр решетки пленки меньше, чем параметр решетки бронзы. Под сервовитной пленкой на границе со сталью имеется слой окислов меди, легирующих элементов или примесей толщиной около 0,1 мкм. В самом верхнем слое пленки нет скоплений дислокаций, т.е. нет повреждений, приводящих к разрушению поверхности. Установлено, что материал пленки находится в состоянии, подобном расплавленному. Она не способна к наклепу, имеет малые сдвиговые усилия, пориста. Пленка в верхней части не имеет окислов, способна к схватыванию, при трении ее частицы могут переходить с одной поверхности трения на другую, т.е. схватываться без образования повреждений и увеличения сил трения. Трение бронзы о сталь в условиях избирательного переноса можно уподобить скольжению тела по льду, при котором жидкий коэффициент трения вместо воды обеспечивает пленка расплавленного металла.

14.1 Использование избирательного переноса в узлах машин

Избирательный перенос проявляется при трении стали по стали, стали по чугуну, чугуна по чугуну, стали по спеченному материалу, металлополимеру, стеклу, бронзе, алюминиевым сплавам. Используют:

· в подшипниках качения (шарики и поверхности дорожек качения порывают сервовитной пленкой);

· нефтебуровое оборудование;

· шарнирные соединения самолетов;

· узлах трения автомобилей;

· на текстильных машинах;

· химическое оборудование;

· в машинах литейного производства;

· бытовая техника.

Размещено на Allbest.ru