Виды механического изнашивания
Механический износ - процесс постепенного разрушения поверхностей деталей при относительном движении.
Контактируемые поверхности деталей машин характеризуются микрорельефом, который в начальный момент работы узлов трения определяет площадь фактического контакта. В процессе эксплуатации под действием рабочих нагрузок и деформаций образуется рабочий рельеф, состоящий из впадин и выступов. Их размеры зависят от внутреннего строения материалов деталей и процессов пластической деформации. При относительном движении в поверхностных слоях контактируемых деталей возникают упругопластические деформации, вызывающие появление вторичных (физических, химических, механических) процессов.
Выделяют следующие основные виды механического износа:
1. Износ схватыванием первого рода (холодный задир)
наблюдается при трении скольжения. Характеризуется возникновением адгезионных связей между деталями. Условия возникновения:
- малая скорость относительного движения (до 1 м/с для узла, состоящего из двух стальных деталей);
- высокое давление, превышающее предел текучести на площадках фактических контактов;
- отсутствие смазки или защитной плёнки окислов между трущимися деталями;
- низкая температура нагрева поверхностных слоев - до 100 °С.
Механизм разрушения определяется взаимодействием рабочих рельефов при давлениях, превышающих предел текучести, сопровождается интенсивными пластическими деформациями, в результате которых разрушаются плёнки окислов и вскрываются химически чистые металлические поверхности. Пластические деформации способствуют максимальному сближению деталей и образованию в поверхностных слоях текстур из предельно деформированных кристаллов, расположенных по направлению относительного смещения деталей. Если расстояния предельно малы и соизмеримы с размерами атомных решеток, то между ориентированными кристаллами двух деталей появляются металлические связи. Дальнейшее смещение деталей приводит к упрочнению металла в местах образования связей. При предельных значениях твёрдости и хрупкости металлические связи разрываются.
|
Проявление. На контактной поверхности детали из менее прочного материала образуются хаотически расположенные вырывы, а на детали из более прочного материала - налипания. Налипшие частицы высокой твёрдости способствуют развитию вторичных процессов местной пластической деформации и микрорезанию поверхностей трения. Скорость изнашивания деталей 10-15 мкм/ч. Силы трения определяются геометрическими характеристиками рабочих рельефов, площадью контактных поверхностей и прочностью металлических связей. Коэффициент трения чрезвычайно высок - 4-6 единиц.
Разрывы металлических связей могут привести к увеличению площади фактических контактов и уменьшению давления на поверхность трения. Если давления станут ниже предела текучести, то интенсивность пластических деформаций снизится, на деталях появятся устойчивые плёнки окислов и износ схватыванием I рода перейдёт в окислительный.
Такому износу подвергаются детали конвейеров, тихоходных передач, шарниры рычагов управления, детали шлицевых соединений и кулачковых муфт.
Окислительныйизнос
|
развивается в условиях трения качения и трения скольжения со скоростями относительного движения деталей 1,5-7,0 м/с (без смазки). При граничной смазке интервал относительных скоростей увеличивается до 20 м/с.
Механизм разрушения поверхностей определяется взаимодействием материалов деталей с кислородом окружающей среды: насыщением металлов кислородом за счёт химических реакций, проникновения кислорода в поверхностные слои деталей и растворением кислорода в поверхностных слоях. Тепловыделение при трении, способствующее диффузии из газовой или смазочной среды O2, S, P, Cl, вызывает образование твёрдых растворов и пленок окислов, защищающих исходные материалы сопряжённых деталей от интенсивного износа. Эти процессы характерны для узлов трения, детали которых изготовлены из материалов с высокой твёрдостью и повышенным пределом текучести. Изнашивание поверхностей заключается в периодическом появлении и скалывании твёрдых и хрупких химических соединений (рисунок 3.2), проявляющихся в виде окисных плёнок.
Проявление. Внешний вид деталей, работающих в условиях окислительного износа, характеризуется появлением матовых полос, состоящих из плёнок оксидов, твёрдых растворов и химических соединений металла с кислородом. Это наиболее благоприятный вид изнашивания. Скорость изнашивания минимальна по сравнению с другими видами механического износа - 0,1-0,5 мкм/ч. Коэффициент трения зависит от формы трущихся поверхностей и колеблется в пределах 0,3-0,7 при отсутствии смазывания.
Подвергаются детали шарниров и сопряжений, работающих без смазки, подшипников, ШПГ компрессоров, приводы аппаратов и устройств регулирования напряжения и т.п.
|
3. Износ схватыванием второго рода (горячий задир). Условия образования:
- трение скольжения;
- высокие давление и скорость относительного перемещения (свыше 4 м/с), сочетание которых обусловливает большие потери на трение;
- высокий градиент и интенсивное возрастание температуры в поверхностных слоях (до 1600 °С).
Проявление. Различают три стадии износа схватыванием второго рода:
Первая стадия соответствует для сталей интервалу температур до 600 °С, мало снижающих механические свойства материалов. Внешний вид поверхности: вырывы частиц на детали из менее прочного материала, чередующиеся через примерно одинаковые промежутки.
Вторая стадия износа развивается в интервале температур 600-1400 °С. Такая температура заметно снижает механические свойства сталей, и металл размягчается. Внешний вид поверхности: на контактной поверхности более прочной детали видны налипание и размазывание металла, а на поверхности менее прочной детали - вырывы.
Третьей стадии износа соответствуют температуры плавления. Расплавленные слои металла уносятся со смазкой, и на поверхности трения появляются оплавленные бороздки. Скорость изнашивания составляет 1-5 мкм/ч. Коэффициент трения колеблется в пределах 0,1-0,5.
Претерпевают детали подшипников, моторных приводов, редукторов.
Осповидный износ
возникает при трении качения, переменных или знакопеременных нагрузках и высоких давлениях, достигающих предела выносливости. Многократные нагружения вызывают усталость материала. На плоскостях максимальных напряжений внутри детали зарождаются трещины. Их развитие приводит к разрыву контактной поверхности, что принципиально изменяет характер взаимодействия деталей. Движение тел качения через разрыв поверхности сопровождается динамическими явлениями, в результате чего износ прогрессирует.
Проявление. В местах образования сколов на контактных поверхностях появляются осповидные углубления.
Наиболее характерный вид изнашивания для деталей подшипников качения.
Абразивный износ
развивается при трении скольжения. Условия возникновения: наличие на поверхностях трения абразивных частиц, деформирующих микрообъёмы поверхностных слоёв и вызывающих процессы микрорезания.
Проявление. На поверхностях трения появляются однозначно ориентированные по отношению к направлению движения риски различной глубины и протяжённости (рисунок 3.6). Скорость изнашивания колеблется в пределах 0,5-5,0 мкм/ч и зависит от размеров, формы, количества, свойств абразива и материалов деталей, от относительной скорости и давлениях на контактирующих поверхностях.
Проявляется на всех трущихся деталях, включая коллекторы и контактные кольца двигателей.
6. Эрозионное изнашивание.
Твёрдые частицы, движущиеся в потоке газа или жидкости, оказывают на поверхность металла многократные локальные импульсные удары, вызывающие расшатывание и вымывание поверхностного слоя деталей - эрозию.
Характерен для трубопроводов систем гидропривода и охлаждения, струйных систем дугогашения и т.п.
7. Электроэрозионное изнашивание –
эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. При электрической эрозии контактов происходит частичный перенос металла с одного контакта на другой и распыление металла.
Характерен для разъёмных контактов, подшипников скольжения и качения.
8. Кавитационное изнашивание –
гидроэрозионное изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости (и наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая тем самым местное повышение давления.
Подвергаются лопатки колес газовых и гидротурбин.
9. Ударный износ (наклеп) – повторяющееся соударение двух твердых тел.
Подвержены детали продольного сопряжения в передачах, упоры, сцепки и т.п.
Следует отметить, что перегрев подшипниковых узлов выше температуры допустимой для смазки (масла) приводит к выдавливанию пленки смазки из пятна контакта поверхностей и полностью сухому трению при наличии в узле трения достаточного количества кондиционной смазки.