Классификация видов износа

Процесс трения всегда сопровождается износом, который постепенно приводит механическую систему в состояние непригодности. Многие детали машин и механизмов подвергаются интенсивному износу. Увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей различного назначения — важнейшая проблема современного машиностроения и других отраслей техники, в решении которой ведущую роль играют металлургия и литейное производство. Для классификации видов износа прежде всего необходимо рассмотреть понятия «износ», «износостойкость», «изнашивание» и «интенсивность изнашивания», которые приняты и используются в повседневной практике.

Износ — изменение размеров, формы, массы твердых тел или состояния их поверхностей вследствие либо остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок, либо разрушения поверхностного слоя при трении.

В соответствии с ГОСТ 27674-88 изнашивание классифицируется как процесс отделения материала с поверхности твердого тела и увеличения его остаточной деформации.

Износостойкость (износоустойчивость) — сопротивление материалов деталей машин и других трущихся частей износу. Износостойкость оценивается, например, уменьшением массы литой детали за время работы, ее линейных размеров или изменением объема детали.

Следует отметить, что изнашивание — это прежде всего процесс взаимодействия поверхностей, который сопровождается не только их микрорезанием, деформированием и нагреванием, но также и изменением механических свойств, структуры, фазового состава и химической активности поверхностных слоев.

В процессе длительного воздействия на поверхность детали микро- и макроскопических абразивных частиц происходит износ, оцениваемый по уменьшению размеров, объема, массы деталей в абсолютных или относительных единицах. Износ, отнесенный к пути трения, объему выполненной работы, работе трения и т.д., является показателем интенсивности изнашивания.

Износ и интенсивность изнашивания определяют и по другим косвенным признакам. Чаще всего под износом принято понимать постоянное срабатывание поверхности деталей в результате процесса трения. Износ, отнесенный к промежутку времени процесса трения, определяет скорость изнашивания.

Практика эксплуатации машин и другого оборудования показывает, что большая его часть теряет работоспособность не вследствие поломок, а в результате износа отдельных деталей. Высказано мнение о необходимости исследования износа и сопутствующих процессов, реализующихся при трении, и показано, что взаимодействие поверхностей при трении проявляется в формировании дискретных контактов — пятен, в котором участвуют выступы и покрывающие их пленки, а также прилегающие к этим выступам соседние участки материала. Считается, что силы, приложенные к разным участкам пятен контакта, образующихся при относительном движении сопряженных поверхностей, неодинаковы, а температура материалов, даже в пределах площади контактов, различна. Это приводит к различной реакции локальных микрообъемов мате-риалов при износе трением.

Принят ряд классификаций по видам износа при трении, построенных в основном на базе внешних условий и признаков процесса. Различают также четыре главные формы износа и несколько второстепенных (сопутствующих) процессов, которые часто классифицируются как самостоятельные виды износа.

К главным видам износа можно отнести следующие виды.

  1. Адгезионный износ возникает в условиях трения, когда два гладких тела скользят друг по другу и частицы материала, вырванные с одной поверхности, прилипают к другой. Этот вид износа имеет место, когда атомы контактирующих поверхностей входят в близкий контакт. На площадях контакта при скольжении поверхностей всегда существует вероятность того, что из-за адгезионных сил разрушение этого контакта происходит не по первоначальной поверхности раздела одного материала, а внутри него.
  2. Абразивный износ возникает в условиях трения, когда более твердые шероховатые поверхности скользят по более мягким, царапают или пропахивают ее, образуя свободные частицы. Абразивный износ может возникнуть и тогда, когда твердые частицы попадают между поверхностями фрикционной связи и изнашивают их.
  3. Коррозионный износ имеет место, когда контакт поверхностей происходит в коррозионных средах. В процессе скольжения образующиеся на поверхности пленки разрушаются и коррозионное воздействие распространяется вглубь материалов.
  4. Поверхностная усталость наблюдается во время многократного скольжения или качения по одним и тем же поверхностям с непрерывно повторяющимися циклами нагружения и разгрузки. По ГОСТ 27674-88 различают механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное изнашивание, а изнашивание деталей машин и механизмов принято классифицировать по причинам, в соответствии с которыми различают механическое, коррозионно-механическое, абразивное, гидроабразивное, газообразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, окислительное, электроэрозионное изнашивание и фреттинг-коррозию. К основным явлениям и процессам при трении и изнашивании относятся: схватывание, перенос материалов, задирание, выкрашивание и отслаивание. Различают схватывание 1-го рода (холодный задир) и 2-го рода (горячий задир).

Установлено два наиболее решающих фактора, влияющих на процесс схватывания трущихся тел: их температура и нагрузка.

Начало процесса заедания может быть вызвано изменением различных факторов, например, увеличением скорости скольжения, нагрузки, температуры контактируемых поверхностей, уменьшением вязкости смазывающего материала и других факторов. В процессе заедания резко возрастает интенсивность изнашивания поверхностей, что приводит к росту динамических нагрузок и выходу из строя деталей узла. В обоих случаях заедания прекращается относительное перемещение и происходит заклинивание узла механизма. Однако в настоящее время отсутствует единое мнение о природе процесса заедания, что связано со сложностью явления и трудностями прямого экспериментального наблюдения за началом его возникновения и развития.

Предложена гипотеза, утверждающая, что при работе деталей и механизмов осуществляются два процесса: схватывание металлического сплава и окисление пластически деформированных поверхностных слоев с образованием растворов и химических соединений кислорода с материалами деталей по поверхности их взаимного контакта.

Распространена и теория износа пластичных металлических сплавов посредством отслаивания тонких «листков» от поверхности детали в результате возникновения на определенной и примерно постоянной глубине остаточных напряжений, вызванных скоплением дислокаций, под воздействием другой детали, работающей в режиме скольжения.

Допуская, что изнашивание всей поверхности детали происходит равномерно, число циклов до разрушения, необходимое для аналитической оценки интенсивности износа, может быть определено из уравнения

определение числа циклов до разрушения

где b, ν — параметры кривой опорной поверхности; ε — относительное сближение поверхностей; hmax — высота максимального выступа истирающей поверхности; ξ — коэффициент, учитывающий влияние на величину площади фактического контакта упругих деформаций, 0,5 ≤ ξ ≤1; ηc — относительная контурная площадь, участвующая в процессе трения; d — средний диаметр единичного пятна контакта; n — число циклов до разрушения.

В настоящее время проведена экспериментальная проверка определения числа циклов до разрушения. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по интенсивности износа показывает хорошую сходимость результатов и позволяет сделать вывод о возможности использования аналитической оценки интенсивности износа, основанной на представлении об усталостном разрушении поверхностей для металлов, самосмазывающихся материалов, полимеров и других материалов.

В ряде случаев считают, что понятие усталостного износа как вида разрушения, при котором материал подвергается повторному действию сил, приводящих к накапливанию в нем повреждений, может быть использовано и для анализа процесса, который классифицируется как адгезионный износ.

В основу классификации положен механизм отделения продуктов износа от поверхности. Основными видами износа являются адгезия или перенос, резание, коррозия, пластическая деформация и усталостное разрушение, а к специфическим видам износа относят растрескивание, поверхностные реакции, отрыв, расплавление и электрохимические реакции. К последним можно отнести и фреттинг-коррозию, которая происходит в болтовых и заклепочных соединениях.

Достаточно полная классификация износа при трении (табл. 1) дана в работе , в которой для характеристики видов износа в основу положен тип относительного движения контактируемых тел. По виду движения различают износ, вызываемый скольжением, качением и вращением. Нагрузка при движении может быть статической, переменной или ударной, а также равномерной или неравномерной.

Вид износа Тип движения Нагрузка
Промежуточное вещество жидкость
При скольжении со смазкой
При качении со смазкой
При вращении со смазкой
Скольжение

Качение

Вращение

Постоянная или переменная
Промежуточное вещество газ
При скольжении со смазкой
При качении со смазкой
При вращении со смазкой
Скольжение

Качение

Вращение

Промежуточное вещество твердое
Абразивный при скольжении
То же при качении
То же при вращении
Скольжение

Качение

Вращение

Вызываемый струей: скользящей

падающей под углом
падающей перпендикулярно

Закрытое истечение Параллельно к поверхности износа
Под углом к поверхности износа
Перпендикулярно
Кавитационный

Обусловленный ударами капель жидкости
Ударный

Удары при захлопывании пузырьков с пониженным давлением

Удары свободно движущихся капель жидкости
Повторяющееся соударение двух твердых тел

С практической точки зрения важнейшее значение имеют два вида износа:

  1. вызывается трением скольжения (рис. 1);
  2. вызывается трением качения (рис. 2).

 

схемы износа при трении скольжением и качения

В процессе износа при скольжении материалы под действием напряжений работают на срез, а в процессе трения износа при качении развиваются нормальные напряжения. При длительном нагружении под действием переменных давлений это приводит к выкрашиванию частиц на поверхности, т.е. образованию раковин (питтинга).

Если наряду с нормальными напряжениями развиваются также и касательные, то происходит проскальзывание, в наибольшей степени способствующее процессу износа. Нагружение, сочетающее скольжение и качение, возможно, например, в зубчатых передачах.

Износ при скольжении, вызываемый вращением, образуется в вершинах опор и в шаровых подпятниках. Это тот вид износа, при котором имеет место эффект вращения при относительном смещении соприкасающихся участков поверхности. Все три типа износа могут проявиться в смешанных формах.

Типичным примером ударного износа является износ колец седла клапана двигателя внутреннего сгорания. Ударный износ, как и износ, обусловленный трением качения, приводит к образованию питтинга.

схема контакта деталей

При обычном трении как без смазочного материала, так и при наличии граничной смазочной пленки детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01 … 0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате участки фактического контакта испытывают высокие напряжения, что приводит к их взаимному внедрению, пластической деформации и интенсификации изнашивания. Схемы контакта при трении качения приведены на рис. 3, а на рис. 4 — схемы контакта стальной и бронзовой трущихся деталей при граничной смазке (рис. 3, а и рис. 4, а) и при избирательном переносе (ИП) (рис. 4, 6). Если при граничной смазке контакт сопряженных поверхностей происходит только в отдельных точках, то при ИП он осуществляется через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой меди. В результате площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации. При граничной смазке взаимодействие неровностей поверхностей вызывает усталостное изнашивание. При ИП трение непрерывное, площадки действительного контакта плоские. При трении с граничной смазкой и трении без смазочного материала поверхности деталей всегда покрыты окисными пленками (рис. 5), которые предотвращают непосредственный контакт металлических поверхностей и их схватывание. Однако окисные пленки хрупки, не способны многократно деформироваться и поэтому в процессе трения разрушаются в первую очередь. С повышением температуры в зоне трения окисные пленки утолщаются, при этом увеличивается и объем их разрушения.

схема контакта деталей при наличии окисла

Виды разрушения деталей при трении могут быть допустимыми и недопустимыми (рис. 6).

виды разрушения при трении

Частыми причинами выхода из строя опор качения являются усталостное выкрашивание дорожек и тел качения, заклинивание и разрыв сепараторов, абразивное изнашивание. При эксплуатации опор качения указанные повреждения в ряде случаев могут быть устранены или уменьшены при использовании металлоплакирующих смазочных материалов, содержащих 0,1… 10% (маc.) твердых частиц металлов, их окислов, металлоорганических соединений или твердых антифрикционных материалов (рис. 7).

антифрикционные смазочные материалы для узлов сухого трения

Долговечность пар трения с линейным контактом тел качения и колец обратно пропорциональна нагрузке на более нагруженное тело в степени 3,3. Снижение этой нагрузки на 10% повышает долговечность подшипника на 36%. Создание между телом качения и кольцом подшипника металлической пленки увеличивает площадь контакта и тем самым снижает максимальную нагрузку на тело качения. Сервовитная пленка толщиной 0,5… 1 мкм может увеличить даже при достаточно большой нагрузке площадь контакта в 1,5…2 раза.

Практически, все встречающиеся виды износа могут быть представлены как совокупность основных. Так, абразивный износ может быть представлен как «резание + деформация»; эрозия жидкими средами -«деформация + усталость»; кавитация — «деформация + коррозия» и износ смазываемых поверхностей — «адгезия + коррозия».

Условия перехода от одного вида износа к другому зависят от условий трения и природы материала. При интенсивном износе преобладают адгезионный и абразивный механизмы разрушения материалов, частицы износа имеют вид осколков, а на поверхности трения образуются глубокие вырывы. Интенсивный износ сопряженных поверхностей — один из существенных каналов утечки материальных и энергетических ресурсов, поэтому разработке эффективных методов борьбы с ним в последнее время уделяется огромное внимание.

По данным 85…90 % машин выходят из строя по причине износа деталей, хотя за последние годы использование эффекта безызносности значительно расширилось. В настоящее время трудно указать область машиностроения или приборостроения, в которой ИП не был бы применен или апробирован. ИП проявляется при трении: стали по стали и чугуну; чугуна по чугуну; стали по порошковому материалу, металлополи-меру, стеклу, бронзе, алюминиевым сплавам, композиционным и другим материалам.

При трении сопряженные поверхности изнашиваются одновременно, что приводит к изменению их взаимного положения. Износ сопряжения характеризуется изменением взаимного расположения сопряженных деталей. Доказано, что в зависимости от характера возможного сближения поверхностей все сопряжения подразделяются на две разновидности:

  1. сопряжения с изнашивающимися или малоизнашивающимися по-верхностями, которые обеспечивают сближение деталей при износе только в заданном направлении;
  2. самоустанавливающиеся сопряжения, в которых взаимное положение деталей зависит от формы изношенной поверхности и износ наиболее сказывается на функциональных свойствах пары.