Файл: Износа и смазки.pdf

84
Полуширина площадки контакта
(4.7)
Характер распределения напряжений в поверхностном слое за- висит от соотношения касательных и нормальных нагрузок. При на- личии касательной нагрузки в конце площадки контакта появляется зона растяжения, максимальные напряжения в которой растут с уве- личением касательной нагрузки.
К методам предупреждения и снижения усталостного изнаши- вания рабочих поверхностей можно отнести: применение объемной и поверхностной закалки с высокотемпературным отпуском; примене- ние сталей с повышенными показателями вязкости (никелевые и др.); повышение предела усталости материала методами механически соз- даваемого поверхностного упрочнения (обкатка гладкими роликами, дробеструйная обработка и др.); точный монтаж подшипников и зуб- чатых передач и правильное их смазывание.
4.6.3. Изнашивание вследствие пластической деформации
Изнашивание в результате действия пластической деформации
(смятие) заключается в изменении размеров или формы детали в ре- зультате пластической деформации ее микрообъемов. Пластическое деформирование обычно сопровождает износ металлов и наблюдает- ся в зоне, непосредственно прилегающей к поверхности трения. Здесь же имеется в виду деформация, распространяющаяся на всю деталь или на значительные ее объемы.
Смятие является характерным видом повреждения шпоночных пазов и шпонок, шлицевых соединений, штифтов и упоров, резьбо- вых соединений и других деталей. Пластическая деформация вызыва- ется либо чрезмерными допускаемыми напряжениями, либо случай- ными значительными перегрузками. Во избежание смятия шпоноч- ных пазов и среза шпонок рекомендуется выбирать допускаемые на- пряжения смятия 1,5 ГПа при знакопеременной нагрузке с толчками и 2 ГПа при постоянной нагрузке. При чугунной ступице допускае- мые напряжения ниже на 60 %.
Смятие характерно для деталей, работающих в условиях удар- ного нагружения. К ним относятся, например, регулировочные болты коромысел приводов клапанов и седла шаровых клапанов.

85
В тихоходных зубчатых передачах с колесами из сталей невысо- кой твердости возникают значительные пластические деформации с образованием канавок по полюсной линии у ведущих зубьев.
Под действием высоких контактных напряжений разрушается масляная пленка и происходит течение поверхностных слоев металла в направлении скольжения с образованием наплыва. Этим предопре- деляется форма повреждения. Интенсивность пластической деформа- ции можно снизить, повысив вязкость масла, а также используя стали большей твердости.
Пластической деформации подвержены также рельсы, колеса и бандажи подвижного состава железных дорог. При эксплуатации рельс на железнодорожных путях вследствие прокатывающего (каче- ние со скольжением) действия колес под нагрузкой, удара колес на стыках и неуравновешенных инерционных сил механизма локомоти- ва пластическая деформация распространяется на глубину почти всей головки рельса и сопровождается отчетливо различимым смятием верха и рабочих краев головки.
Образование вмятин и углублений на поверхности трения – один из видов повреждения подшипников качения.
При сдавливании посторонних частиц, попавших в зону контак- та (тело качения – кольца), могут образовываться вмятины на дорож- ках качения (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Бринеллирование на дорожке качения в результате вибрации
в неподвижном состоянии
Многочисленные исследования показывают, что преобладаю- щим видом повреждений дорожек качения является особый вид пла- стической деформации на дорожках качения – бринеллирование.
И.Я. Дьяков и У.Б. Утемисов в своей работе исследовали 43 шарнира трактора. Оказалось, что из данной партии 50…60 % крестовин вы- шли из строя из-за износа в виде бринеллирования на шипе. В отно- шении природы образования канавок единого мнения нет.

86
Малый угол перемещения игольчатых роликов, недостаточность смазки, проникновение пыли в подшипник, иногда пониженная твер- дость цилиндрической поверхности цапфы, вибрация от разбаланси- рованного карданного вала создают условия для износа поверхности цапф по типу бринеллирования (рис. 4.6).
Интенсивному пластическому деформированию подвержены даже чугуны. Так, у поршневых колец двигателей внутреннего сгора- ния после износа на глубину фаски образуется заусенец за пределами нижней опорной поверхности кольца. Разрушение заусенца способст- вует усилению абразивного изнашивания цилиндров.
Рис. 4.6. Разрушение карданного шарнира в виде бринеллирования
4.6.4. Кавитационное изнашивание
Под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости полостей в виде пу- зырей, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Дословно кавитация – это по- лость, пустота.
Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке, при его сужении и наличии препятствий на его пу- ти, давление может упасть до значения, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может про-

87 изойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пусто- та заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образо- вавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высо- ких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и в образо- вавшиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока.
При определенных типах кавитации, на площади в 1 см
2
в тече- ние 1 с, могут образовываться и разрушаться более 30 млн кавитаци- онных пузырьков.
Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромоторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных, про- пеллерных насосов и лопасти гидравлических турбин и гребных вин- тов. Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных соединений, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотне- ний и усталостным повреждениям. Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов и вызывает непосредственное разрушение поверх- ностей деталей в зоне ее действия. Она способствует закоксовыванию распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания.
Труднообтекаемая форма и неровности поверхностей, включая неровности, образовавшиеся по причине кавитационного изнашива- ния, служат причиной образования вихрей и отставания струй от сте- нок рабочих каналов, что способствует возникновения или усилению кавитации. Наличие коррозионной среды и абразивных частиц уско- ряет процесс изнашивания.
Существуют различные предпосылки наступления и протекания кавитационного изнашивания.
При замыкании (быстром заполнении жидкостью) до полного исчезновения парогазовых пузырей у поверх- ности детали последняя подвергается микроскопическим гидравличе- ским ударам. Из нескольких миллионов образовавшихся кавитацион- ных пузырьков примерно один из 32 тыс. участвует в разрушении.
Под действием ударов поверхность металла начинает деформиро- ваться и подвергаться наклепу, появляются линии сдвига, происходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зе- рен. Многократно повторяющиеся удары вызывают разупрочнение и перенаклеп материала на отдельных микроучастках. Разрушается,

88 прежде всего, менее прочная структурная составляющая (в сталях – феррит, в чугунах
– графитовые включения). Затем может последо- вать выкрашивание и более прочных составляющих. Разрушение раз- вивается в пределах зерен или по их границам в зависимости от соот- ношения прочности зерен и связи между ними.
Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханиче- скую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опуска- лось ниже давления парообразования. Однако возможность кавита- ции всегда следует учитывать.
Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от темпе- ратуры, свойств жидкости и материала деталей. Влияние вязкости не- значительно. С увеличением температуры поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Наибольшая интенсив- ность изнашивания наблюдается в воде с температурой 50 о
С.
Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в углеродистой стали увеличивает ее стойкость. Однако при содержании углерода 0,8 % и более она начинает падать. Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, по- верхностное упрочнение также способствуют значительному увели- чению кавитационной стойкости стали.
При колебании твердого тела относительно жидкости или жид- кости относительно твердого тела давление в жидкости на границе раздела жидкости и твердого тела может уменьшиться и вызвать об- разование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздухом.
Возникновению вибрационной кавитации способствуют звуковые и ультразвуковые колебания.

89
Схватывание первого рода заключается в микросваривании уча- стков трущихся поверхностей. Изнашивание схватыванием первого ро- да возникает при трении поверхностей с малыми скоростями (1 м/с), отсутствии смазки и при больших нагрузках в местах контакта поверх- ностей. Под действием большой нагрузки между отдельными выступа- ми трущихся поверхностей возникают металлические связи и упрочне- ние в месте схватывания. При перемещении происходит вырывание стружки из менее твердой поверхности или царапанье ее упрочненным участком. Изнашивание схватыванием первого рода сопровождается наиболее высоким коэффициентом трения, выделением большого ко- личества тепла и наибольшей интенсивностью изнашивания.
Схватывание второго рода – адгезионное изнашивание. Этот вид разрушения наблюдается при трении скольжения с большими скоростями, недостаточной смазке и со значительными удельными нагрузками. Оно также характеризуется интенсивным повышением температуры в поверхностных слоях и увеличением их пластичности.
Первые этапы идентичны схватыванию первого рода. Схватывание контактирующих поверхностей разъединяется не в местах сварива- ния, а происходит с переносом части одного металла на поверхность другого (адгезия металла). Далее при более жестких условиях трения трущиеся сваривавшиеся металлы вообще могут не разъединиться, что приводит к заклиниванию или полной потере подвижности кон- тактирующих деталей. Результаты этого вида изнашивания легко на- блюдать, например, на шейках коленчатого вала, зеркале цилиндра и т.д. Часто заклинивают поршни в двигателях, коленчатые валы и пр.
Явление схватывания имеет место при некоторых технологиче- ских процессах: холодная сварка металлов, получение биметаллов методом холодной прокатки. В этом случае схватывание желательно, так как происходит образование прочных металлических связей.
В трибосопряжениях схватывание всегда вредно и несовместимо с нормальной работой узлов трения. Также схватывание можно наблю- дать между инструментом и обрабатываемым металлом при обработ- ке давлением, а при резании оно проявляется в виде наростообразоза- ния на резце.
На сегодняшний день нет единой точки зрения на механизм процесса схватывания при трении. Исследованием схватывания за- нимались такие ученые, как И.Н. Лагунцев, Ф.П. Боуден, С.Б. Ай- биндер и др.

90
Опыты по трению чистых металлических поверхностей в вакуу- ме показали, что при относительном движении поверхности повреж- даются, и сопротивление их смещению того же порядка, что и сопро- тивление материалов срезу. Это говорит о том, что для образования прочных связей между металлами в холодном состоянии необходимо отсутствие на соприкасающихся поверхностях всякого рода пленок и загрязнений.
Если в обычных условиях приложить нагрузку к двум соприка- сающимся металлическим образцам, чтобы обеспечить между ними достаточную площадь контакта, то в результате взаимодействия ато- мов произойдет схватывание поверхностей, представляющее собой спонтанный процесс, протекающий с выделением энергии.
Схватывание между металлами, покрытыми пленками окислов или другими химическими соединениями и адсорбированными плен- ками, без специальной полной очистки поверхностей не будет прояв- ляться. Схватывание будет возможно в том случае, когда появятся условия для удаления пленок на достаточном числе участков и при сближении поверхностей на этих участках на межатомное расстоя- ние. Такие условия могут быть в результате пластической деформа- ции при действии одной только нормальной нагрузки и зависят от механических свойств пленки и металла. Если сопротивление пленки деформированию значительно больше, чем сопротивление металла
(твердость пленки выше твердости металла), то при достаточной на- грузке металл пластически деформируется. Пленка при этом разры- вается на отдельные части, связанные с металлом. Происходит выход основного металла в промежутки между частями пленки и соверша- ется схватывание на чистых вновь образованных поверхностях ме- талла. Если твердость пленки меньше твердости металла, то пленка деформируется вместе с металлом, не разрушаясь, схватывания не возникает. Для условий схватывания важно, чтобы твердость пленки была выше твердости металла в начальный период и в процессе де- формации поверхности. Один и тот же металл, в зависимости от свойств пленок на его поверхности, может как обладать способно- стью к схватыванию, так и не обладать.
Схватывание зависит от толщины металлических и оксидных пленок в результате присутствия на них адсорбированных пленок из внешней среды. Загрязнения с пленок стекают и препятствуют схва- тыванию поверхностей.

91
Схватывание поверхностей может быть не только при повышен- ных температурах, но и при нормальных. Рост температуры способ- ствует более интенсивному протеканию схватывания.
Схватывание между металлическими поверхностями при неко- торых режимах трения без смазочного материала возникает сравни- тельно легко. Пластическое деформирование на площадках фактиче- ского контакта и внедрение одной поверхности металла в другую создают условия для удаления окисных и адсорбированных пленок масел, жиров, газов и влаги и образования узлов схватывания. Узел схватывания – это местное соединение поверхностей, образующееся при трении в результате схватывания. Местное соединение поверхно- стей при трении вследствие адгезии называют узлом адгезии.
Необходимой предпосылкой образования узла схватывания на поверхностях трения является разрушение смазочной пленки. Она разрушатся под действием высокой температуры при упругой дефор- мации поверхностных слоев, при наличии значительной пластиче- ской деформации или при совместном действии повышенной темпе- ратуры и пластической деформации.
Схватывание может произойти не только при взаимном переме- щении поверхностей, но и при длительном неподвижном контакте сопряженных деталей в окислительной среде (воздухе, водяном паре и т.д.) вследствие сращивания окисных пленок в зазорах. Такое схва- тывание наблюдается в предохранительных клапанах и запорной ар- матуре в виде «прикипания» тарелки к корпусу или к седлу и в резь- бовых соединениях, работающих при повышенной температуре, в ви- де заедания при их разборке.
Рассмотрим различные случаи проявления схватывания и адге- зии, наблюдаемые при испытаниях на машинах трения и при иссле- довании узлов трения.
1. Вырывание материала в виде микроскопических и субмикро- скопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую
(рис. 4.7). Такое проявление схватывания не вызывает катастрофиче- ского разрушения.
2. Образование тонкой пленки мягкого материала (медь и ее сплавы, бронза, свинец) на твердой сопряженной поверхности. Такое схватывание имеет следующие последствия: может наблюдаться ин- тенсивное изнашивание; заедание при высокой скорости скольжения; резкое увеличение силы трения из-за намазывания (на износ особо не влияет); образование тонкого слоя меди на стальной поверхности