Файл: Износа и смазки.pdf

76 дукты износа и т.д., попавшие в зону силового контакта сопряженных поверхностей. Твердые частицы могут находиться как в закреплен- ном состоянии (неподвижно закрепленные твердые зерна), так и в свободном.
Абразивному изнашиванию подвержены большое количество деталей машин, работающих в абразивной среде (ходовая часть гусе- ничных тракторов и дорожно-строительных машин, рабочие органы сельскохозяйственных машин и металлорежущих станков, узлы бу- рильного оборудования нефтяной и газовой промышленности и т.д.).
Поверхность детали может быть разрушена как в результате од- ноактного воздействия абразива, так и многоактного процесса де- формирования поверхности абразивными частицами.
По характеру силового воздействия абразивных частиц на тру- щиеся поверхности детали различают (рис. 4.2): а – скольжение детали по монолитному образцу; б – качение детали по абразиву; в – соударение с частицами абразива; г – соударение детали с монолитным абразивом; д – влияние потока абразивных частиц на поверхность детали; е – скольжение детали в массе абразивных частиц; ж – взаимодействие сопряженных деталей в контакте с абразив- ными частицами.
P
P
P
V
V
Vск
ω
V
ω
Vск
N
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
Рис. 4.2. Схемы взаимодействия абразивных частиц с деталью
а б в г
д е ж

77
На процесс абразивного изнашивания влияют различные факто- ры: природа абразивных частиц, их форма и размер, агрессивность среды, свойство изнашиваемых поверхностей, ударное взаимодейст- вие, температура и т.п.
Рассмотрим влияние некоторых факторов.
Экспериментально установлено, что если размер частиц не пре- вышает 5 мкм, то они, имея большую развитую поверхность, абсор- бируют на себе продукты окисления масла, что может снизить интен- сивность изнашивания детали. Многие исследования показывают, что частицы с размерами менее 5 мкм уменьшают износ частицы, разме- ром более 5 мкм увеличивают износ.
Прочность абразивных частиц с уменьшением их размеров воз- растает, особенно интенсивно начиная со 100 мкм. Сравнительная твердость материалов показана на рисунке 4.3.
Соотношение твердости материала Н
м и абразива Н
а оказывает влияние на процесс абразивного изнашивания.
При выполнении условия
К
т
=Н
м
/Н
а
<0,5
(4.4) возможно прямое разрушение материала.
Металлы
Окислы и соеденения
Сверхтвердая металлокерамика
Железо,
медь, цинк, алюминий
Олово
Азотированные стали
Закаленные стали
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Минералы
Алмаз
Корунд
Топаз
Кварц
Апатит
Кальцит
Тальк
Нитриды
SnO2,MgO
Mn
2
O
3
,Fe
2
O
3
Mn
3
O
4
Al
2
O
3
ZnO,CuO
Mg(OH)
2
Рис. 4.3. Твердость материалов по шкале Мооса

78
При К
т больше 0,7 происходит многоцикловое разрушение.
Стойкость абразивному изнашиванию также зависит от соста- ва и структуры поверхностных слоев.
Повышению износостойкости способствуют:
- насыщение поверхностных слоев элементами, образующими высокотвердые соединения карбидов, нитридов, боридов металлов;
- способность более мягких структур удерживать высокотвер- дые кристаллы в поверхностном слое;
- способность материала упрочняться при деформировании;
- различные виды обработки поверхности (закалка, цементация, азотирование, борирование, обкатывание роликами, гидрополирова- ние, напыление износостойких материалов, обработка лучом лазера, термохимические и физические методы и т.д.).
Стойкость материалов при абразивном изнашивании в большой степени зависит от условий и режимов эксплуатации. Так, двигатель автомобиля, эксплуатируемого в песчаных районах, требует капи- тального ремонта после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапыленного воздуха он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.
В таблице 4.2 приведены некоторые значения относительной износостойкости материалов от условий эксплуатации.
Таблица 4.2

79
Помещение абразивных частиц в зону силового контакта дета- лей со смазочным материалом резко увеличивает износ. Это наблю- дается в подшипниках скольжения двигателей, цилиндропоршневой группе, трансмиссиях и т.д. Концентрация абразивных частиц также способствует возрастанию износа. Эффективными методами защиты от попадания абразива в зону трения являются различные уплотне- ния, фильтры, отстойники и др.
Рассматривая процесс абразивного изнашивания, необходимо отметить частные случаи его проявления: абразивное изнашивание при ударе; гидро- и газоабразивное изнашивание; изнашивание поли- меров при наличии абразива.
Процесс разрушения детали при ударном взаимодействии меж- ду деталью и абразивом называют ударно-абразивным изнашивани- ем. Этому разрушению подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелющих агрегатов, породоразрушающий инструмент пневмо- и гидроударников, детали гусеничного хода машин и др.
Изнашивание деталей при ударных нагрузках по абразиву имеет ряд особенностей. На этот вид изнашивания оказывает влияние слой абразива, энергия удара, форма и площадь контакта, размер частиц, соотношение твердости материала и абразива.
Выбор материалов для режима ударно-абразивного изнашива- ния необходимо основывать на следующих критериях: износостой- кость, прочность, пластичность, ударная вязкость.
Изнашивание при ударе определяется различными факторами, такими как ударное воздействие детали, внедрение частиц в металл, упругие и пластические свойства поверхностного слоя, усталостные явления, структурные превращения.
В зависимости от свойств материала разрушение может иметь различную природу: хрупкое разрушение срезом, малоцикловую ус- талость, вязкое разрушение. Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на поверхности трения лунок в результате локальной пластической деформации металла.
Еще одной разновидностью абразивного изнашивания является гидроабразивное изнашивание. Гидро- и газоабразивное изнашивание возникает при действии на поверхность деталей потоков жидкости или газа, содержащих абразивные частицы. Абразивные частицы по- падают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения при не- брежной заправке, плохой фильтрации и очистке. Этому виду изна- шивания подвержены детали водяных, масляных и топливных насо- сов, гидроусилителей, гидроприводов тормозных и других систем.

80
Изнашивание в потоке жидкости или газа может иметь различ- ный характер в зависимости от скорости потока, условий обтекания и связанной с этим турбулентности и возможности возникновения ка- витации, от угла атаки твердых частиц и поверхности металла.
При допущении, что среда неагрессивна к поверхности детали, следует различать два случая взаимодействия абразивных частиц с материалом.
1. Прямой удар (угол атаки α равен 90
o
). В зависимости от мас- сы частиц, скорости их падения, свойств абразива и физико- механических свойств материала детали возникают упругая дефор- мация, пластическая деформация, крупное разрушение, перенаклеп с отделением материала в виде чешуек.
2. Косой удар (угол атаки α больше нуля и менее 90
o
). При уг- лах атаки не больше угла трения на характер повреждений поверхно- сти сильно влияют касательная составляющая импульса и сопротив- ление материала воздействию касательных сил на поверхность.
При отсутствии абразивных частиц в струях жидкостей или га- зов наблюдается эрозионный износ.
4.6.2. Усталостное изнашивание
Наиболее общей формой повреждаемости при трении является
усталость, протекающая под действием высоких знакопеременных и циклических упругопластических нагрузок, воспринимаемых локаль- ными участками поверхностей на фоне тепловых, химических, адге- зионных и других контактных взаимодействий поверхностей.
Усталостное изнашивание (питтинг – от англ. рit – яма) харак- теризуется наличием двух фаз: скрытого периода, в течение которого отсутствует видимое разрушение материала поверхностного слоя и происходит постепенное накопление дефектов, и фазы быстрого раз- рушения, когда при достижении определенной концентрации микро- повреждений «уставший» материал поверхностного слоя диспергиру- ется в виде частиц износа.
Усталостный износ наиболее характерен для узлов трения с на- чальным точечным или линейным контактом деталей. К таким узлам можно отнести опоры качения, зубчатые передачи, кулачковые меха- низмы, колесо-рельс и т.д. Усталость материалов может иметь мало- цикловой (при пластических деформациях) и многоцикловой (при упругих деформациях) характер.

81
На природу возникновения усталостного изнашивания сущест- вовали различные точки зрения. Впервые в своих работах указал
Бейбли в 1903 г. Он обнаружил наличие дефектного сверхпластично- го слоя, отличающегося от объемных свойств материала, усталость которого приводила отделение материала в виде частиц износа.
В 30-е годы прошлого века М.М. Хрущев, обнаружив периодические изменения коэффициента трения и интенсивности износа, посчитал это признаком нормальной работы узла трения. И.В. Крагельский об- наружил, что циклическое воздействие твердым выступом на поверх- ность вращающегося цилиндрического образца после определенного числа циклов вызывает лавинообразное диспергирование материала поверхностного слоя. Он объяснял усталостное изнашивание дейст- вием на материал знакопеременных упругих деформаций. Японскими учеными была также установлена аналогичная цикличность измене- ния упругой деформации решетки поверхностей трения. Вопросами усталостного разрушения занимались также такие ученые, как
Е.А. Марченко, А.Л. Жарин, Ю.Н. Дроздов.
При изучении усталостного изнашивания поверхностных слоев важно выяснить, где формируются очаги и какую область поверхно- стного слоя охватывает данный процесс. Такие ученые, как И.В. Кра- гельский, Дж. Холинг, Д.Г. Громаковский и др. считали, что область локализации процесса сосредоточена на вершинах неровностей кон- тактирующих поверхностей.
При усталостном изнашивании формируются две области нако- пления повреждаемости (рис. 4.4): первая сосредоточена в тонком поверхностном слое, накапливающем дефекты и разрушающемся в режиме малоцикловой усталости при нормальном усталостном изна- шивании; вторая распределяется на большую глубину и протекает при многоцикловом режиме.
В случае усталостного изнашивания необходимо подвергать уп- рочнению тот слой, в котором происходит разрушение. Если упроч- няется слой меньшей глубины, то материал начинает отслаиваться на больших площадях.
Как уже отмечалось ранее, усталостное изнашивание возникает под действием больших удельных повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, в результате чего образу- ются микропластические деформации сжатия и упрочнения поверх- ностных слоев, происходит зарождение трещин на поверхностях тре- ния. Впоследствии микротрещины растут и образуются ямки выкра-

82 шивания. При этом росту трещин и выкрашиванию в них материалов способствует смазочный материал, работающий по механизму рас- клинивания. Глубина впадин зависит от свойств металла, удельных давлений и размера контактных поверхностей.
Зона действия фактических напряжений
Область охваченная контурными напряжениями
1 2
Рис. 4.4. Схема образования слоев, подвергаемых малоцикловой (1)
и многоцикловой усталости (2)
Первичные повреждения возникают в микрообъемах, неблаго- приятно ориентированных относительно действия нагрузки, предна- пряженных остаточными напряжениями и ослабленных местными дефектами. Постепенно накапливаясь и суммируясь, локальные по- вреждения дают начало общему разрушению детали.
Процесс возникновения усталостной трещины состоит из не- скольких стадий. Трещины зарождаются на первых этапах нагруже- ния в границах кристаллических объемов в результате пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, т.е. направленных под уг- лом примерно 45° к растягивающим напряжениям. В зависимости от ориентации кристаллитов сдвиги могут происходить в одной плоско- сти, одновременно по двум или трем плоскостям.
Образование трещин происходит за счет размножения и пере- мещения дислокаций. Скопление вакансий вызывает разрыхление структуры, возникновение субмикропор и образование первичных трещин.
На начальных стадиях процесс обратим. При прекращении дей- ствия напряжений материал возвращается в исходное состояние. Если напряжения продолжают действовать, то процесс повреждения раз-

83 вивается. Постепенно распространяясь, дислокации выходят на по- верхность зерна. На определенном этапе происходит массовый про- рыв дислокаций через межзеренные прослойки и переход трещины в смежное зерно. Средняя величина напряжения, необходимого для преодоления межзеренных барьеров, определяет сопротивление уста- лости материала.
В процессах усталостного повреждения большую роль играет очаговое тепловыделение в микрообъемах, подвергающихся дефор- мациям. В результате повышения температуры прочность материала в микрообъемах снижается, что облегчает образование новых пласти- ческих сдвигов, которые, в свою очередь, способствуют повышению температуры. У закаленных сталей микронагрев вызывает локальный отпуск и возникновение в перенапряженных микрообъемах троостит- ной или сорбитной структуры с пониженной по сравнению с мартен- ситом прочностью.
На процесс усталостного изнашивания большое влияние оказы- вают пластические деформации, протекающие в зоне контакта. Со- гласно теории Губера-Мизеса-Генки, пластические деформации при сложном напряженном состоянии возникают тогда, когда удельная потенциальная энергия деформирования достигает некоторого пре- дельного значения, определенного для каждого материала. При этом предельная удельная нагрузка при усталостном многократном де- формировании рассчитывается по формуле
,
(4.5) где
– приведенный диаметр, м;
Е
пр
– предел выносливости материала, МПа;
– коэффициент упрочнения;
– максимальное приведенное напряжение, МПа.
Максимальные напряжения, возникающие в зоне контакта, рас- считываются по формуле Герца
,
(4.6) где – удельная нагрузка, кг/мм
2
;
– приведенный модуль упругости, МПа;
– радиусы кривизны соприкасающихся тел, мм.