Изнашивание и износостойкость металлов[3].

Разновидностью усталостного разрушения является изнашивание- процесс отделения материала с поверхности твердого тела или накопление остаточной деформации при трении, проявляющееся в постепенном изменении размеров или формы тела.

Износ – это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах, а износостойкость- свойство материала сопротивляться изнашиванию, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания (ГОСТ 27674- 88).

По схеме изнашивания основной и сопряженный материалы составляют рабочую пару. Между ними находится промежуточное вещество. При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трения F – реакция, препятствующая взаимному перемещению. Эта сила может быть определена из выражения

F= mN, (2-42)

где m - коэффициент трения; N - нормальная составляющая внешней силы.

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

Механизмы и величина износа зависят от большого числа факторов, условно объединенных в три группы:

1) внешние механические воздействия (трение скольжения и качения, внешние нагрузки, скорости перемещения и производная от них температура);

2) физико-химическое действие среды;

3) свойства материалов пар трения.

В зависимости от совокупности этих факторов наблюдаются многочисленные виды изнашивания, которые можно классифицировать следующим образом

Табл.2.11

Наиболее распространенной разновидностью изнашивания является нормальное окислительное изнашивание, идущее при наличии на поверхности трения защитных пленок, образующихся при взаимодействии контактирующих материалов с кислородом. Эти пленки могут иметь и не кислородное происхождение, если промежуточное вещество, содержит другие агрессивные компоненты, например азот- и углеродсодержащие. В присутствии абразивных частиц в промежуточном веществе, если эти частицы способствуют пластической деформации поверхностных слоев, но не внедряются глубоко в поверхность металла, происходит нормальное абразивное изнашивание.

Для всех разновидностей нормального изнашивания характерны интенсивная пластическая деформация тонких поверхностных слоев, их взаимодействие с химически активными компонентами промежуточного вещества и разрушение этих поверхностных слоев при отсутствии разрушения внутри основного метала. Для нормального изнашивания характерны три стадии (рис.2.51). На первой (1), так называемой стадии приработки, уменьшается скорость износа. Это объясняется устранением неровностей на поверхности. На 2-й стадии скорость износа постоянна- это установившееся изнашивание, где можно прогнозировать величину износа и учитывать его при определении размеров детали. Третья стадия характеризуется ускорением износа по экспоненте. В условиях эксплуатации переход к этой стадии приводит к быстрому выходу детали из строя.

Рис. 2.51

Кривая износа

Нормальное изнашивание является неизбежным и относительно малоопасным процессом. Усилия специалистов направлены на обеспечение именно такого изнашивания.

Другой формой изнашивания являются схватывания.

Схватывание 1-го рода (холодный задир) происходит при трении скольжения с малыми скоростями относительного перемещения и удельными нагрузками, превышающими пределы текучести на контактных участках при отсутствии смазки. В этих участках контактирующие материалы «свариваются», деформируются и разрушаются с отделением частиц металла или их налипанием на поверхность контакта.

Схватывание II- го рода (горячий задир) наблюдается при трении скольжения с большими скоростями и нагрузками. Это приводит к значительному повышению температуры в зоне контакта и соответствующему повышению пластичности контактирующих материалов. При возникновении локальных металлических связей происходит деформация и разрушение с образованием трещин, «намазываний», переноса металла и отделением частиц с поверхности трения.

Фретинг-процесс разрушения поверхности трения с образованием ямок характерен для случая приложения нагрузки с малыми возвратно- поступательными перемещениями.

Контактная усталость – это накопление повреждений и разрушения поверхностных слоев под действием циклических контактных нагрузок. Обычно она проявляется при трении качения (в подшипниках качения…). Для контактной усталости, помимо образования трещин, характерно наличие на поверхности ямок выкрашивания (питтингов).

Кроме повреждений, обусловленных трением, часто возникают повреждения, косвенно связанные с трением: кавитация, коррозия, эрозия, смятие и др.

Вне зависимости от вида изнашивания, каждый из них, следуя Крагельскому И.В., можно рассматривать как результат усталости. Такое представление о природе изнашивания базируется на следующих положениях: 1) контакт 2-х тел из-за шероховатости и волнистости их поверхности всегда дискретен; 2) изнашивание происходит в результате действия локальных напряжений и деформаций в зонах фактического контакта; 3) разрушение металла в отдельных участках поверхности обусловлено многократным нагружением зон контакта

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

При трении скольжения в этих слоях возникают напряжения растяжения- сжатия. В зоне непосредственного контакта толщиной порядка 10³нм возникает особая, так называемая вторичная структура, а под ней располагается зона с деформируемой структурой глубиной до нескольких микрометров. В этой подповерхностной зоне наблюдаются дислокационные структуры, обычные для сильнодеформированного металла.

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. Количественно уровень этого активирования можно оценить через удельную работу трения [3]

А_т= pum, (2-43)

где p - удельная нагрузка; u - скорость скольжения.

При нормальном трении свыше 0,99А_т преобразуется в теплоту и лишь менее 1% запасается в виде структурных дефектов. Чем меньше доля запасенной энергии, тем выше износостойкость. При повреждаемости разных видов доля запасенной энергии резко возрастает, достигая 0,1А_.т.

Малая толщина деформирующихся при нормальном изнашивании поверхностных слоев обуславливает большую плотность запасенной энергии и соответственно аномально высокий эффект активирования этих слоев. В результате коэффициент диффузии в них повышается на 5…10 порядков, и становится возможным их быстрое и сильное взаимодействие с компонентами окружающей среды, в первую очередь с кислородом. Именно поэтому вторичная структура содержит обычно большое количество различных оксидов.

При нормальном изнашивании разрушение происходит только в тонких слоях с 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. При схватывании I и II рода, в зависимости от механических свойств контактирующих материалов, характер разрушения меняется от хрупкого до вязкого. При контактной усталости наблюдаются признаки усталостного разрушения. При других видах повреждаемости (фретинг- процесс, кавитация, эрозия) механизмы разрушения специфичны и отличаются от известных.