Лекция
Механизм изнашивания деталей пар трения и рабочих органов
Основные понятия.
Пара трения – совокупность двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей в реальных условиях службы или испытаний.
Пара трения образуется соприкасающимися поверхностями деталей, входящих в машинный узел; с такой точки зрения зубья ковша экскаватора и грунт не образуют пару трения.
Предельным износом детали называют износ, при котором дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие выхода детали из строя, неэкономичной или недопустимой ввиду снижения надежности механизма.
Механизм изнашивания металлических поверхностей
Первоначально считалось, что процесс изнашивания заключается в зацеплении неровностей поверхности, которое при скольжении поверхностей приводит к срезанию или выламыванию неровностей. В результате вырывов образуются новые неровности, и процесс далее так и продолжается.
В настоящее время процесс изнашивания расчленяется на три явления:
– взаимодействие поверхностей трения;
– изменения, происходящие в поверхностном слое металла;
– разрушение поверхностей.
Эти явления не рассматриваются как последовательные этапы, они непрерывно переплетаются и взаимно влияют друг на друга.
Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Именно действие адгезии вызывает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей и может привести к вырывам материала. Схватывание свойственно только металлическим поверхностям и отличается большей прочностью связи, чем адгезия. Оно обязательно будет при разрушении масляной пленки.
Изменения на поверхностях трения обязаны: деформации, повышению температуры и химическому действию окружающей среды.
Изменения, вызванные деформацией, заключаются в следующем:
1. – Многократные упругие деформации приводят к усталостному выкрашиванию поверхностей качения, а многократные упругие деформации микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.
2. – Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя. Оно складывается из четырех процессов:
– скольжения по кристаллографическим плоскостям;
– двойникования кристаллов;
– отклонения атомов от правильного расположения в решетке;
– разрушения структуры.
Разрушение структуры – это заключительный этап пластической деформации. Смещение кристаллических зерен сопровождается частичным нарушением сцепления, в результате при возрастании напряжения или их многократном повторении происходит ослабление, разрыхление, а в дальнейшем и разрыв структуры.
3. – Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к упрочнению поверхностного слоя – наклепу. Однако у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость понижена. Микротвердость достигает максимума на некоторой глубине и далее уменьшается до исходной.
4. – При сильно отличающихся по твердости структурных составляющих материала происходит сначала интенсивное изнашивание мягкой основы. Вследствие этого повышается давление на выступающие твердые составляющие. Они вдавливаются в мягкую основу, дробятся и перемещаются под действием сил трения.
С повышением температуры наблюдаются следующие явления:
1. – Если в результате трения температура повышается выше температуры рекристаллизации металла, то поверхностный слой не наклепывается, а пребывает в состоянии повышенной пластичности; при этом происходит выглаживание поверхности за счет растекания всего металла или только одной его составляющей.
2. – Высокая температура и пластическая деформация способствует диффузионным процессам; в итоге возможно обогащение поверхности некоторыми элементами (например, углеродом при трении стальной поверхности), коагуляция отдельных составляющих, взаимное диффузионное растворение материалов деталей пар трения.
3. – При интенсивном локальном повышении температуры и последующем резком охлаждении могут образоваться закалочные структуры.
4. – Пластическая деформация, высокие градиенты температур и структурные превращения совместно вызывают напряжения в материале, влияющие на его разрыхление.
5. – На микроскопических участках в условиях высоких температур и нагрузок возможно образование магмы-плазмы, модель которой показана на Рис. 3.1.
1 – исходная структура,
2 – расплавленная структура,
3 – плазма,
4 – Электроны, движущиеся при трибоэмиссии.
Рис. 3.1 – Модель магмы-плазмы
Этот процесс происходит за очень короткое время при подводе к контакту большой энергии (удар).
Химическое воздействие среды заключается в следующем:
1. – В среде воздуха на чистых металлических поверхностях образуются оксидные пленки. Они предохраняют поверхности от схватывания и глубинного вырывания. Сравнивание результатов изнашивания при наличии кислорода и его отсутствии показало весьма высокую изнашиваемость в среде азота, аргона, гелия и в вакууме.
2. – Металлические поверхности, взаимодействуя с химически активными присадками в масле, покрываются пленками соединений, роль которых аналогична роли окисных пленок. Пленки эффективно защищают поверхность от изнашивания, если скорость их образования превышает скорость изнашивания.
3. – Возможно насыщение поверхности углеродом в результате разложения смазочного материала при высокой температуре.
4. Агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изнашивание.
Виды разрушения рабочих поверхностей
Разрушение поверхностей трения происходит в виде отдельных элементарных процессов. Элементарные виды разрушения поверхностей трения следующие: микрорезание, царапание, отслаивание, выкрашивание, глубинное вырывание.*