Механізм зношування металевих поверхонь

Спочатку вважалося, що процес зношування полягає в зачепленні нерівностей поверхні, яке при ковзанні поверхонь приводить до того, що зрізає або виламуванню нерівностей. В результаті виривів утворюються нові нерівності, і процес далі так і продовжується.

В даний час процес зношування розчленовується на три явища:

– взаємодія поверхонь тертя;

– зміни, що відбуваються в поверхневому шарі металу;

– руйнування поверхонь.

Ці явища не розглядаються як послідовні етапи, вони безперервно переплітаються і взаємно впливають один на одного.

Взаємодія поверхонь тертя може бути механічною і молекулярною. Механічна взаємодія виражається у взаємному впровадженні і зачепленні нерівностей поверхонь в сукупності з їх зіткненням у разі ковзання грубих поверхонь. Молекулярна взаємодія виявляється у вигляді адгезії і схоплювання. Саме дія адгезії викликає необхідність додатку дотичної сили для відносного зрушення поверхонь і може привести до виривів матеріалу. Схоплювання властиве тільки металевим поверхням і відрізняється більшою міцністю зв'язку, чим адгезія. Воно обов'язково буде при руйнуванні масляної плівки.

Зміни на поверхнях тертя зобов'язані деформації, підвищенню температури і хімічній дії навколишнього середовища.

Зміни, викликані деформацією, полягають в наступному.

1. – Багатократні пружні деформації приводять до втомного викрошування поверхонь кочення, а багатократні пружні деформації мікронерівностей поверхонь ковзання розпушують структуру.

2. – Пластична деформація змінює структуру матеріалу поверхневого шару. Воно складається з чотирьох процесів:

– ковзання по крісталографічних площинах;

– двійникування кристалів;

– відхилення атомів від правильного розташування в решітках;

– руйнування структури.

Руйнування структури – це завершальний етап пластичної деформації. Зсув кристалічних зерен супроводжується частковим порушенням зчеплення, в результаті при зростанні напруги або їх багатократному повторенні відбувається ослаблення, розпушування, а згодом і розрив структури.

3. – Пластична деформація при температурі нижче за температуру рекристалізації приводить до зміцнення поверхневого шару – наклепанню. Проте у самої поверхні структура декілька ослаблена, мікротвердість знижена. Мікротвердість досягає максимуму на деякій глибині і далі зменшується до початкової.

4. – При структурних складових матеріалу, що сильно відрізняються по твердості, відбувається спочатку інтенсивне зношування м'якої основи. Внаслідок цього підвищується тиск на виступаючі тверді складові. Вони вдавлюються в м'яку основу, дробляться і переміщаються під дією сил тертя.

З підвищенням температури спостерігаються наступні явища:

1. – Якщо в результаті тертя температура підвищується вище за температуру рекристалізації металу, то поверхневий шар не наклепується, а перебуває в стані підвищеної пластичності; при цьому відбувається випрасовування поверхні за рахунок розтікання всього металу або тільки однієї його складової.

2. – Висока температура і пластична деформація сприяє дифузійним процесам; у результаті можливо збагачення поверхні деякими елементами (наприклад, вуглецем при терті сталевої поверхні), коагуляція окремих складових, взаємне дифузійне розчинення матеріалів деталей пар тертя.

3. – При інтенсивному локальному підвищенні температури і подальшому різкому охолоджуванні можуть утворитися гартівні структури.

4. – Пластична деформація, високі градієнти температур і структурні перетворення спільно викликають напруги в матеріалі, що впливають на його розпушування.

5. – На мікроскопічних ділянках в умовах високих температур і навантажень можливо утворення магми-плазми, модель якої показана на Мал. 4.1.

Цей процес відбувається за дуже короткий час при підводі до контакту великої енергії (удар).

Хімічна дія середовища полягає в наступному:

1. В середовищі повітря на чистих металевих поверхнях утворюються оксидні плівки. Вони оберігають поверхні від схоплювання і глибинного виривання. Порівняння результатів зношування за наявності кисню і його відсутності показало вельми високу зношуваність в середовищі азоту, аргону, гелію і у вакуумі.

2. Металеві поверхні, взаємодіючи з хімічно активними присадками в маслі, покриваються плівками з'єднань, роль яких аналогічна ролі оксидних плівок. Плівки ефективно захищають поверхню від зношування, якщо швидкість їх утворення перевищує швидкість зношування.

3. Можливо насичення поверхні вуглецем в результаті розкладання змащувального матеріалу при високій температурі.

4. Агресивні рідини і газові середовища активізують зношування.

Руйнування поверхонь тертя відбувається у вигляді окремих елементарних процесів. Елементарні види руйнування поверхонь тертя наступні.

МІКРОРІЗАННЯ. При впровадженні на достатню глибину тверда частинка абразиву або продукту зносу може провести мікрорізання матеріалу з відділенням мікростружки. Мікрорізання при терті виявляється рідко, оскільки глибина впровадження недостатня для різання при незначних навантаженнях.

ДРЯПАНІЄ. Ділянка поверхні, що втиснулася, або частинка при ковзанні відтісняє перед собою і в сторони і підминає під себе матеріал, залишаючи подряпину. Вона обривається при виході частинки із зони фактичного контакту, при роздробленні частинки, її впресуванні або віднесенні за межі області тертя. Повторне дряпання по одній трасі рідкісне. Поверхня тертя покривається подряпинами, розташованими майже паралельно шляху ковзання, а між подряпинами розташовується матеріал, що зазнав багатократну пластичну деформацію, наклепаний і перенаклепаний, тобто що вичерпав можливість пластично деформуватися. При навантажені в такій ділянці легко утворюються тріщини, з розвитком яких матеріал відділяється від основи. Дряпання можуть проводити не тільки ковзаючії частинки, але й такі, що перекочуються.

ВІДШАРУВАННЯ. Матеріал при пластичній течії може відтіснятися убік від поверхні тертя і, після вичерпання здібності до подальшої течії, відшаровується. В процесі течії метал напливає на оксидні плівки і втрачає зв'язок з основою. Якщо напруги по глибині шару більше опору втоми матеріалу, то при роботі утворюються тріщини, що приводять до лускового відділяння матеріалу. Таке явище зустрічається на загартованих і цементованих деталях.

ВИКРОШУВАННЯ. Це поширений вид пошкоджень робочих поверхонь деталей в умовах кочення. Для викрошування характерна довільна форма язвинок з рваними краями. Можуть викрошуватися: тверді структурні складові; частинки білого шару; тверді оксидні плівки; частинки металізованого покриття і ін. Викрошуванню сприяють високі розтягуючії залишкові напруги, тріщини після цементації, гарту і старіння. Безпосередньому викрошуванню передує утворення і розвиток тріщин, що відокремлюють малі об'єми від решти матеріалу.

ГЛИБИННЕ ВИРИВАННЯ. Виникає при відносному русі тіл, що утворили місцевий спай унаслідок молекулярної взаємодії, який міцніший за одного або обидва матеріали. Руйнування відбувається в глибині одного з тіл. Поверхня руйнування у пластичних матеріалів має вигляд виступаючих, витягнутих по напряму руху гребенів і звужуючихся углиб матеріалу конусів. Вирваний матеріал залишається на зв'язаній поверхні. Це одна з причин перенесення матеріалу при терті.

При зношуванні руйнування поверхонь може відбуватися в субмікроскопічних масштабах, коли разом із змащувальним матеріалом або повітрям виносяться уламки кристалічних утворень. Продукти зносу можуть бути від розмірів невиразних порошинок до декількох міліметрів. Чисті поверхні в процесі утворення окислюються, самі продукти зносу дробляться, злипаються, прилипають і упресовуються в зв'язані поверхні. Продукти зносу беруть участь в процесі зношування як проміжне середовище між поверхнями тертя. Взаємне впровадження, глибинне вирівнювання, адгезія, заклинювання і впресовування продуктів зносу зумовлюють перенесення матеріалу з однієї поверхні тертя на іншу.