Общая классификация видов изнашивания деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

СОДЕРЖАНИЕ

1. Значение разработки классификации

2. Классификационные признаки

3. Классификация типовых внешних условий службы изнашивающихся деталей машин

4. Классификация основных видов изнашивания сопряженных деталей

5. Основные виды механического изнашивания

6. Основные виды молекулярно-механического изнашивания

7. Основные виды коррозионно-механического изнашивания

8. Основные виды кавитационного изнашивания

9. Сочетание разных видов изнашивания. Эрозионное и другие виды изнашивания

10. Некоторые предложения, относящиеся к классификации в области изнашивания

Используемая литература

1. ЗНАЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ КЛАССИФИКАЦИИ

Прежде чем начать рассмотрение вопросов классификации в области изнашивания деталей машин, следует определить смысл некоторых основных терминов, в частности «износа» и «изнашивания». Рабочей группой при Комитете технической терминологии АН СССР был согласован ряд терминов и их определений по разделу «изнашивание в машинах», которые затем были опубликованы [3]. Эти определения были уточнены в проекте международного стандарта следующим образом.

Изнашивание -- процесс постепенного изменения размеров, тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Износ -- результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала.

Линейный износ -- износ, определяемый по уменьшению размера по нормали к поверхности трения.

Скорость изнашивания -- отношение величин износа ко времени, в течение которого он возник.

Для рационального выбора путей уменьшения или устранения нежелательного износа существенно важно систематизировав накопленный до сих пор опыт. С этой целью необходимо дифференцировать виды изнашивания, по которым можно осуществить классификацию, пригодную для практического использования. Первоочередное значение такого упорядочения заключается в его практической направленности.

С необходимостью классификации видов изнашивания встречаются все специалисты и педагоги, работающие над проблемами трения и изнашивания. При этом прежде всего возникает вопрос как называть этот или другой вид изнашивания.

В настоящей работе применяли наиболее употребительные термины, в некоторых случаях приводили несколько наименований одного и того же понятия, принятых в работах разных специалистов.

2. КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ

В работе [4], посвященной классификации условий и виде изнашивания деталей машин, было отмечено, что классификаци по видам или процессам изнашивания может иметь значение только в том случае, если найдены классификационные признаки, доступные для практического использования. Такими признаками были названы: относящиеся к условиям службы деталей результаты изнашивания -- износу и к явлениям и закономерностям в процессе изнашивания. Такой подход к решению вопросов о создании рациональной классификации принят и в данном реферате.

Сочетание свойств материала данной детали и условий (к которым можно отнести условия нагружения, условия трения и смазки, характер контакта, свойства материала сопряженного изнашивающего тела и т. д.) определяет собой признаки изнашивания. Поэтому казалось бы возможным составить подробную классификацию условий службы деталей и указать естественные им виды изнашивания. Однако эта задача выполнима лишь для отдельных, наиболее простых условий службы. В тех случаях, когда условия службы определяются большим числом влияющих факторов (внешних и внутренних) и многие влияющих внутренних факторов сами зависят от сочетания других факторов, когда свойства материала деталей в их тонком поверхностном слое (определяющем поведение материала при трении в процессе изнашивания) также зависят от ряда фактор (внешних и внутренних),-- эта задача затрудняется. Тем не менее классификация типовых внешних условий службы изнашивающихся деталей машин может быть полезной для предварительной оценки возможного вида изнашивания детали.

По виду износа, являющегося результатом изнашивания, в ряде случаев можно заключить об имевшем место процессе изнашивания. И здесь казалось бы возможным составить подробную классификацию типовых видов износа и указать соответственные виды изнашивания. Эту задачу, однако, практически трудно выполнить в полном объеме потому, что у совершенно ^: различных видов изнашивания могут быть одинаковые внешние проявления в виде износа. Например, по какой бы причине ни происходило отделение частиц металла одной детали, эти частицы, попадая между сопряженными поверхностями, будут царапать и разрушать эти поверхности, создавая одни и те же внешние признаки повреждения; иначе говоря, вторичные явления будут искажать картину действительного износа и его первопричину. Таким образом, эта задача выполнима лишь для отдельных случаев службы деталей.

Наблюдение за явлениями и закономерностями, имеющими место при изнашивании, позволяет наиболее точно выявить вид данного изнашивания. Этот путь надо считать основным при построении классификации видов изнашивания. Его основной недостаток состоит в том, что практическое его использование сравнительно сложно, так как оно требует в большинстве случаев серьезного лабораторного металловедческого исследование.

Таким образом, для распознавания видов изнашивания может быть использованы все три указанных выше пути. Взаимодействие соприкасающихся при трении тел, ведущее износу, И. В. Крагельский [5, 6] рассматривает как нарушение фрикционных связей и предлагает соответствующую классификацию фрикционных связей. Намеченные виды связей служат по-"'нением к механизмам изнашивания, но не могут быть практи-ски использованы в качестве критериев оценки видов изнашивания. В его более ранней работе (совместной с Е.М.Швецовой "'Н^! была предложена классификация видов изнашивания, в коброй в качестве критерия были приняты виды разрушений, что соответствует названному нами выше критерию «виды износа».

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТИПОВЫХ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ СЛУЖБЫ ИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Для классификации условий службы материала деталей, влияющих на изнашивание, служат следующие признаки.

1. Род тела, при трении о которое происходит изнашивание деталей машины. В узлах машины деталь трется о сопряженную деталь. Трение детали может быть также о твердое тело, не являющееся сопряженной деталью, о твердые частицы, сцепленые в непрочную массу (например, почва), и о твердые частицы увлекаемые жидким или газовым потоком. Наконец, специальные виды изнашивания некоторых деталей вызываются ударом капель воды, увлекаемой насыщенным паром, и эффектом кавитации. Принципиальное отличие изнашивания детали при трении о вторую деталь от всех других случаев изнашивания состоит в том, что свойства материала второй сопряженной детали в результате взаимодействия с изнашивающейся деталью могут также претерпевать изменения (будет изменяться его поверхность, поверхностный слой будет наклёпываться, изменяться в составе и т. д.), в то время как в остальных случаях свойства изнашивающегося тела сохраняются статистически постоянными.

2. Вид трения-- трение скольжения, трение качения или трение качения с проскальзыванием. При качении соприкосновение деталей и передача нагрузки между ними происходят на небольшой площади, определяемой упругой деформацией материалов; при скольжении соприкосновение деталей и передача нагрузки между ними осуществляются обычно на ряде участков фактического контакта. В первом случае контакт можно назвать «сосредоточенным», во втором -- «рассеянным». Проявление изнашивания разного вида связано с различным характером и интенсивностью напряженного состояния в контактных зонах.

3. Для сопряженных деталей машин большое влияние на изнашивание имеет наличие или отсутствие смазки (имеется в виду главным образом жидкая смазка). Применение смазки может раз в десять снизить сопротивление трению и в тысячи раз снизить износ.

В табл. 1 приведена классификация типовых внешних условий службы детали, влияющих на характер изнашивания. Эта таблица охватывает лишь типовые условия. Для случая трения скольжения сопряженных деталей при наличии смазки возможно дальнейшее подразделение.

Разделение тел, изнашивающих деталь, на два вида --твердое сплошное тело и твердые частицы, сцепленные в непрочную массу,-- является условным, но оно удобно и оправдано тем, что интенсивность изнашивания зависит от степени закрепленности абразивных частиц, и поведение материалов в этих двух случаях может быть различным.

Между сопряженными деталями часто попадает песок или другие твердые частицы, вызывающие абразивное изнашивание одной или обеих деталей.

В табл, 1 для этих случаев не предусмотрено специальных позиций по следующим соображениям. Изнашивание сопряженных деталей, между поверхностями которых будут находиться абразивные частицы, определяется взаимодействием этих частиц и металлов деталей, зависящим в первую очередь от ряда факторов: твердости металлов и частиц, прочности частиц, их формы, распределения нагрузки (передаваемой через частицы) между деталями и относительным путем скольжения частиц и деталей. Влияние материала сопряженной детали будет сказываться на величине относительного пути скольжения частиц и деталей и на распределении нагрузок; частицы будут шаржировать сопряженную деталь (в этом случае путь скольжения частицы относительно первой детали будет наибольшим) или первую деталь (уменьшая ее износ), либо царапать обе детали. Во всех этих случаях вместо непосредственного трения изнашиваемой детали о сопряженную деталь наблюдается трение изнашиваемой детали о неподвижно закрепленные или перемещающиеся твердые частицы; влияние свойств материала сопряженной детали зависит от взаимодействия этого материала с абразивными частицами.

Таблица 1

Классификация внешних условий службы изнашивающейся детали

№/п	Тело, изнашивающее деталь	Вид трения	Наличие смазки	Изнашивающаяся деталь
1 2 3 4	Сопряженная деталь машины То же » »	Скольжение » Качение »	Со смазкой Без смазки Со смазкой. Без смазки	Вал и подшипник; Поршень и цилиндр Тормозная колодка и колесо вагона Подшипник качения Опорный ролик (по рельсу гусеницы трактора); колесо вагона (по рельсу)
5 6	Твердое сплошное тело То же	Скольжение Качение	- -	Резец (о стружку); измерительный калибр {о деталь) Автомобильная шина (о твердую дорогу)
7 8	Твердые частицы, отдельные или сцепленные в непрочную массу То же	Скольжение Качение	:	Лемех плуга (о почву) Размазывающие бегуны (о глину)
9 10	Твердые частицы а потоке То же	Поток жидкости Газовый поток	Лопатки насоса (качающего воду, содержащую песок) Лопатки дымоссов
11 12	Движущаяся жидкость То же	Удар капель воды Кавитация	Лопатки паровой турбины ступени низкого давления Лопатки центробежного насоса

Внешние условия службы детали часто усложняются привходящими факторами. Так, изнашивание может протекать интенсивнее в присутствии химических агентов па поверхности трения (морская вода, кислоты или другие агрессивные среды). Их наличие может изменить самый вид изнашивания и во много раз его усилить. Таких факторов очень много, но еще не найдены принципиальные признаки для дальнейшего подразделения дополнительных внешних условий службы деталей.

В предлагаемой классификации (см. табл. 1) учитывается, что изнашиваться при трении об обрабатываемый материал могут не только редко сменяемые детали машины (например, лемех плуга), но и те съемные и легко заменяемые специализированные детали, которые получили название инструмента (например, резцы, сверла и т. п.). По нашему мнению, нет никаких оснований исключить машинные инструменты из классификации.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ СОПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Для ряда условий службы деталей вид изнашивания практи-чески определяется этими условиями. Так, для случаев службы деталей, соответствующих позициям 9 и 10 в табл. 1, изнашивание деталей будет иметь абразивный характер, обусловленный царапающим действием твердых частиц; влияние среды и температуры может лишь более или менее усиливать изнашивание, не меняя его характера. Для случая, соответствующего позиции 11, изнашивание имеет специфический характер, обусловленный динамическим воздействием капель.

Однако в ряде случаен одним и тем же внешним условиям службы могут соответствовать различные виды изнашивания. Это в особенности относится к трению сопряженных деталей. Для условий службы, указанных в позициях 1 и 2, может быть предложена классификация видов изнашивания при трении скольжения сопряженных деталей. Для машиностроения это наиболие важные условия, а с точки зрения подразделения видов изнашивания -- наиболее сложные, случаи.

Прежде всего различные виды изнашивания молено объединить по признаку основных явлений, обусловливающих эффект изнашивания, в следующие группы; 1) механические; 2) молекулярно-механические; 3) коррозионно-механические. Такое подразделение видов изнашивания впервые предложено проф. Л. К. Зайцевым.

Изнашивание механических видов определяется явлениями чисто механического порядка -- резанием, выламыванием частиц, пластическим деформированием -- или более сложными явлениями того же порядка. При молекулярно-механических видах изнашивания основным будет явление молекулярного сцепления материалов на отдельных участках сопряженных поверхностей с последующим механическим разрушением образовавшихся связей. В случае коррозионно-механических видов изнашивания основным будет явление химического взаимодействия среды с материалами трущихся тел с механическим удалением продуктов взаимодействия.

изнашивание деталь машина механический кавитационный

При изнашивании на поверхности трения происходит много разных явлений; для каждого вида изнашивания надо выбрать основное явление, определяющее характер процесса.

В табл. 2 приведена классификация видов изнашивания для случая трения скольжения сопряженных деталей. Виды изнашивания для случая трения качения и качения с проскальзыванием сопряженных деталей (например, зубчатых колес, подшипников качения, колеса и рельса) составляют отдельную группу, которая здесь не рассматривается. Виды изнашивания для случая трения скольжения детали по сопряженной поверхности, не являющейся деталью, могут также составить специальную группу; о некоторых разновидностях этого вида изнашивания говорится; ниже при изложении абразивного изнашивания.

Кроме приведенных в табл. 2 основных видов изнашивания сопряженных деталей при трении скольжения, в литературе упоминаются другие виды, реже встречающиеся и менее изученные. В том случае, когда на одном и том же участке детали одновременно протекают два разных процесса изнашивания, один из процессов часто является доминирующим, хотя его действие может быть усилено или ослаблено благодаря влиянию другого.

5. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Далее мы рассматриваем виды изнашивания деталей машин 1 не только для трения скольжения, но для качения и качения с проскальзыванием и не только для случая трения сопряженных деталей, но и для разных других случаев службы деталей, указанных в табл. 1. Мы ограничиваемся рассмотрением наиболее часто встречающихся видов, принимаемых за основные, к когорым относятся: 1) абразивное изнашивание; 2) изнашивание вследствие пластического деформирования; 3) изнашивание при хрупком разрушении; 4) усталостное изнашивание.

Абразивное изнашивание. Абразивным называется изнашивание поверхности детали в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Механизм этого . вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо фрагментов предразрушенного материала, выдавленного предварительно по сторонам пластически деформированной царапины, либо в виде более или менее дисперсных кусочков, хрупко отделяющихся при однократном или многократном воздействии.

Изнашивающие абразивные частицы могут быть минерального происхождения (например, пыль, содержащая кварц), являться окалиной или наклепанными металлическими продуктами изнашивания, или твердыми структурными составляющими одного из сопряженных материалов. Твердые частицы могут иметь разную форму и быть различным образом ориентированы гранями или ребрами относительно изнашиваемой поверхности, поэтому; резать и снимать стружку могут только некоторые из них, большая же часть пластически деформирует более мягкий материал, оставляя следы в виде выдавленных рисок, царапин и канавок. Навалы по краям таких пластически выдавленных царапин, состоящие из предразрушенного материала, снимаются другими абразивными зернами, подвергаясь, возможно, предварительно повторному деформированию.

Абразивное изнашивание, наблюдаемое при работе сопряженных деталей, может быть подразделено на три подвида в соответствии с источником и характером абразивного воздействия:

а) абразивное воздействие на материал одной из сопряженных деталей твердых структурных элементов материала другой детали;

б) абразивное воздействие на материал одной из сопряженных деталей твердых посторонних частиц, которые шаржируют поверхность другой детали;

в) абразивное воздействие на материал обеих сопряженных деталей твердых посторонних частиц, передвигающихся между поверхностями сопряженных деталей.

Случай «а» и «б» следует различать, так как способы борьбы с изнашиванием разные: в первом случае уменьшение износа достигается заменой материала, во втором -- защитой сопряжения от попадания абразивных частиц. К подвиду изнашивания «а» следует отнести и случай изнашивания более мягкого материала выступающими неровностями поверхности твердого материала (например, трение баббита о стальную сильно шероховатую цапфу).

Абразивное изнашивание характерно для очень большого числа строительных, дорожных, горных, сельскохозяйственных и других машин, где металлические детали соприкасаются непосредственно с добываемыми, транспортируемыми или перерабатываемыми горными породами, рудой, углем, режут грунт или почву. Здесь действуют те же механизмы изнашивания, которые указаны выше, различие заключается в условиях контактирования и локальной нагрузке, изменяющихся в большом диапазоне.

Абразивное изнашивание наблюдается также в тех случаях, когда твердые частицы, увлекаемые потоком воды, воздуха, газов или выбрасываемые со значительной скоростью, трутся под нагрузкой или ударяются о металлическую деталь (примеры деталей приведены в табл. 1). Здесь также действуют механизмы абразивного изнашивания, чаще всего с меньшей интенсивностью вследствие меньших удельных нагрузок на материал.

Изнашивание вследствие пластического деформирования. Пластическое "деформирование обычно сопровождает изнашивание металлов, однако мы имеем в виду столь интенсивное пластическое деформирование, которое само по себе ведет к изменению размеров детали, т. е. обусловливает изнашивание.

В случае пластичных сплавов, работающих при значительных нагрузках и повышенных температурах, наблюдается постепенное перемещение поверхностных слоев в направлении скольжения, что ведет к существенному перемещению материала, к изменению размеров подшипника, хотя может быть и не связано с потерей веса. В этом случае пластическое течение происходит под действием сил трения.

Другой подвид изнашивания вследствие пластического деформирования заключается в постепенном макродеформировакии детали под действием передаваемой нагрузки, которая может быть и динамической. Такое изнашивание наблюдалось, например, на дышловых втулках паровозов, изготовленных целиком из бронзы. Здесь так же, как и в предыдущем случае, изнашивание проявляется в изменении размеров детали без какой-либо потери веса.

Изнашивание при хрупком разрушении. При таком разрушении поверхностный слой одного из трущихся металлов сопряженных деталей в результате трения и сопровождающего его пластического деформирования интенсивно наклёпывается, становится хрупким и затем разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал, после чего явление повторяется. Таким образом, весь процесс изнашивания носит циклический характер. Такой вид изнашивания наблюдал один из авторов при лабораторных испытаниях чугуна. Такой же характер изнашивания отмечен А.Д. Курицыной на других материалах и при других явлениях, обусловливавших образование хрупкого поверхностного слоя. При трении баббита Б83 под значительной нагрузкой более интенсивно изнашиваются пластичная б-фаза, вследствие чего поверхностный слой обогащается твердыми структурными элементами в-фазы, пока вся поверхность не окажется как бы вымощенной ими; затем весь этот поверхностный слой быстро разрушается и удаляется, обнажается основной металл, и процесс начинается сначала.

Такой вид изнашивания трудно выявить путем осмотра изношенной поверхности, он выявляется лишь в результате наблюдения за ходом процесса изнашивания и за явлениями, происходящими в поверхностном слое.

Хрупкий поверхностный слой может образоваться в результате: наклепа; обогащения слоя твердыми структурными элементами из-за различной скорости их изнашивания; изменения состава и свойств поверхностного слоя в процессе трения вследствие взаимодействия металла со средой; структурных превращений вледствие нагрева при трении. Несмотря на это, различие в причинах, вызывающих изменение свойств поверхностного слоя, характер его разрушения и циклический ход изнашивания являются сходными, что и позволяет отнести все эти случаи к одному общему виду изнашивания.

Усталостное изнашивание. При повторных, достаточно высоких напряжениях, испытываемых одним и тем же объемом материала, прилегающего к поверхности (особенно при чередовании знака напряжений), в нем возникают микротрещины и может произойти местное поверхностное разрушение в виде образования ямок вследствие выкрашивания. Этот вид изнашивания проявляется только через некоторый период работы де-тали. Закономерности протекания (в зависимости от изменения напряжений и числа циклов) такие же, как при усталостном разрушении, поэтому поверхностное выкрошивание считается по своей природе усталостным. Оно наблюдается при трений качения или качения с проскальзыванием, когда контакт деталей сосредоточенный.

Поверхностное выкрошивание называется также питтингом, осповидным изнашиванием, изнашиванием вследствие поверхностной усталости. Поверхностное выкрошивание является типичным видом изнашивания для элементов подшипников качения, зубьев зубчатых колес, кулачков.

При трении скольжения в местах действительного контакта шероховатых поверхностей также могут возникать высокие контактные напряжения и при достаточно большом числе повторных циклов напряжений одного и того же объема возможно появление поверхностных или подповерхностных усталостных трещин и местное разрушение в виде поверхностного выкрашивания или шелушения. Изнашивание такого типа отмечено при лабораторных испытаниях полимерных материалов и металлов и предполагается вероятным в условиях работы деталей. Возможно, что оно является сопутствующим видом изнашивания, когда более интенсивное изнашивание другого вида является доминирующим (например, абразивное или окислительное).

В последнее время развито представление о малоцикловой усталости, возникающей при повторных пластических деформациях одних и тех же объемов материала. В применении к трению скольжения этот вид изнашивания изучался И.В. Крагельским [5, 6].

Особым вид изнашивания наблюдается у напряженных подшипников двигателей: через некоторый период нормальной работы. В тонком антифрикционном слое, нанесенном на стальное основание вкладыша, появляются трещины и начинается выкрошивание.

6. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МОЛЕКУЛЯРНО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Адгезионное изнашивание. Наблюдаются разные формы явления «схватывания» металлов при трении: перенос металла с одной детали на другую, обнаруживаемый, например, при использовании радиоактивных изотопов, или по окраске (омеднение); вырывание частиц с поверхности одной детали и налипание или наволакивание их на другую, что обычно ведет к появлению на поверхностях рисок и задиров; заедание сопряжен-ных деталей, сопровождаемое резким повреждением поверхностей и повышением сопротивления трению.

Во всех этих случаях проявляется молекулярное взаимодействие между тесно сближенными поверхностями металлов. Необходимым условием для схватывания является приведение в непосредственное соприкосновение тех свежих «ювенильных» поверхностей металлов, которые возникают в процессе их совместного пластического деформирования. Условие это, однако, не является достаточным. Факторы, затрудняющие пластическое деформирование металлов или непосредственное их соприкосновение, противодействуют схватыванию.

В зарубежной литературе изнашивание при схватывании называется адгезионным изнашиванием, хотя термин «адгезия» более общий, чем «схватывание».

Одно время предполагалось, что схватывание металлов при трении происходит вследствие нагрева отдельных контактирующих участков до высокой температуры, при которой происходит сварка. Когда было установлено, что прочное соединение металлов возможно в результате совместного пластического деформирования без нагрева, явление стали условно называть «холодной сваркой», что нельзя считать точным.

Повреждение поверхностей при адгезионном изнашивании происходит следующим образом. Сначала наблюдается схватывание металлов на некотором участке мгновенной поверхности контакта; возникшая связь тотчас разрушается, так как детали находятся в относительном движении. Если материал в месте мгновенного соединения окажется прочнее основного материала (упрочнение может быть связано, например, с наклепом), то разрушение произойдет но слабейшему материалу, и в этом случае на одной поверхности образуется углубление от удаленной частицы, па другой--выступающая частица. Через эту частицу Начинает передаваться значительная часть нагрузки, и материал "частицы может упрочниться; если при этом не происходит сильного нагрева (скорость мала), то упрочнившаяся выступающая,частица будет разрушать сопряженную поверхность. Если же щагрев будет таким, что упрочнения не произойдет, выступающая частица будет пластически деформироваться, и тогда она не будет оказывать столь сильного разрушительного влияния на сопряженную поверхность. Эта схема позволяет качественно бъяснить, почему при малых скоростях скольжения наблюдается схватывание и сопровождающее его при тренни без смазки сильное изнашивание, а при больших скоростях интенсивность: изнашивания гораздо ниже. Для объяснения этого явления были предложены также другие гипотезы.

Процесс адгезионного изнашивания при схватывании может; быть более сложным и состоять в отделении частиц металла (вследствие разрушения мест схватывания и их износа) с последующим новым схватыванием этой частицы с поверхностным , слоем одного из сопряженных металлов.

Вопросам схватывания металлов посвящена работа А. П. Семенова [8], а схватывания в машинах -- работа Н.Л. Голего [9]. Тепловое изнашивание. Б.И. Костецкий в своей классификации основных видов изнашивания [10] предусматривает изнашивание схватыванием первого рода, соответствующее описанному выше адгезионному изнашиванию, и «тепловое» изнашивание при схватывании второго рода. Тепловое изнашивание, выделенное Б. И. Костецким в отдельный вид, связано с нагревом поверхностных участков трущихся металлов до высоких температур, что происходит при трении скольжения с большими скоростями и значительными удельными давлениями. Вследствие большой скорости нагрева и охлаждения в местах контакта глубина изменений структуры при тепловом изнашивании составляет у стальных деталей от 5 до 80 мк. Для проявления изнашивания этого вида и образования металлических связей между трущимися деталями необходимо сближение контактирующих участков поверхностей до сферы действия атомных сил; для этого участки должны быть, как и при описанном выше схватывании, свободны от разного рода пленок окислов и адсорбированных веществ.

Б.И. Костецкий [10] отмечает три стадии теплового изнашивания, различающиеся по относительному нагреву поверхностных слоев соприкасающихся участков.

1. В интервале температур, мало снижающих прочность трущихся металлов (для стали до 600°С), тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и разрушением мест схватывания с малыми пластическими деформациями. Поверхность трения на этой стадии износа покрыта надрывами, чередующимися через правильные промежутки. Разрушение при этом происходит путем отрыва частиц менее прочного металла в местах возникновения металлических связей.

2. В интервале температур, вызывающих большое снижение прочности трущихся поверхностных слоев металла (для стали -- от 600°С и выше), тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и пластическим разрушением точек схватывания с налипанием и размазыванием металла па трущихся поверхностях. Разрушение поверхностей происходит путем отделения частиц сильно размягченного металла и налипания их на более прочную поверхность.

3. В интервале температур плавления металле (для стали -- 1400--1500°С) износ происходит при контакте трущихся деталей, осуществляемом через тонкие пленки расплавленного металла. Разрушение при этом происходит путем уноса тонких пленок расплавленного металла.

7. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Механическое изнашивание, усиливаемое явлением коррозии, называют коррозионно-механическим изнашиванием. При сочетании коррозионных воздействий различного характера с разными видами механического воздействия могут получиться и разные виды коррозионно-механического изнашивания.

Окислительное изнашивание. При окислительном изнашивании кислород воздуха, вступая во взаимодействие с металлом, образует на нем окисную плёнку, сильно влияющую на процессы трения и изнашивания. В случае трения сопряженных металлических деталей окисные пленки в местах контактирования поверхностей защищают металлы от непосредственного их сближения до расстояния, при котором возможно схватывание. Последнее становится возможным лишь при разрушении этих пленок. Неспособность самих окисных пленок к схватыванию обусловлена их неметаллической природой. Окисление стальных деталей происходит при соприкосновении с воздухом. При трении в условиях смазки сталь окисляется кислородом, растворенным в масле. При трении окисные пленки механически постепенно истираются или, отрываясь, удаляются со смазкой. Затем пленки образуются вновь. Таким образом, окислительное изнашивание представляет собой изнашивание непрерывно возобновляемых окисных пленок.

Материал, противостоящий окислительной среде вследствие образования защитных поверхностных пленок, может оказаться при трении малостойким в результате непрерывного удаления этих пленок (если они сами по себе недостаточно прочны). По єтому одни и те же материалы имеют различную износостойкость в зависимости от сочетания условий механического изнашивания и коррозионного влияния среды. При трении, сопровождаемом пластическим деформированием поверхностных слоев образца или детали, происходит интенсивное окисление металла кислородом атмосферного воздуха. Это явление наблюдалось многими исследователями неоднократно, в частности, при трении без смазки при высоких контактных напряжениях; при повторных напряжениях, вызывающих деформации и трение в местах тугих посадок; при повышенных температурах. А. Л. Чеснов экспериментально установил, что изнашивание измерительных калибров происходит в условиях окислительного изнашивания; в процессе трения рабочие поверхности измерительных инструментов покрываются пленками окислов, которые сдираются и образуются вновь под действием кислорода воздуха.

Большие работы по изучению окислительного изнашивания провел Б. И. Костецкий со своими сотрудниками [10, 12].

Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды. Усиление изнашивания при трении отмечается в ряде случаев вследствие агрессивного действия жидкой среды. Так происходит разрушение свинцовистой бронзы подшипников двигателей под влиянием смазки: в горячих зонах поверхности подшипника свинец взаимодействует с органическими кислотами масла, продукты этого взаимодействия -- свинцовые мыла-- уносятся протекающей смазкой. Этот специальный вид разрушения подшипников обычно относят к коррозионным явлениям, хотя он мог бы быть отнесен к разновидностям коррозионного изнашивания.

Противозадирные присадки к маслам для смазки зубчатых колес являются химически активными при определенных температурах и взаимодействуют со сталью в местах нагрева, в результате чего на стальной поверхности возникают соединения железа с активными элементами присадок (серой, фосфором и др.), препятствующие непосредственному металлическому контакту деталей. Вследствие этого уменьшается трение, снижается местная температура, устраняется схватывание. Однако в процессе трения тонкие слои возникших защитных соединений изнашиваются (так как они механически менее стойки, чем сам металл), затем вновь возобновляются и вновь стираются.

Изнашивание такого вида для стали в среде слабощелочных и слабокислых водных растворов было исследовано авторами и описано в работе [1].

Фреттинг-коррозия. Фреттингом называется особый вид изнашивания мест сопряжения деталей, находящихся под нагрузкой, возникающий при очень малых повторных относительных перемещениях (например, при продольных вибрациях). Предполагается, что это изнашивание имеет механический характер (по другим мнениям -- молекулярный). Фретгинг-коррозия. шастается изнашивание при сочетании фреттинга и коррозии. Этот вид изнашивания часто наблюдается у стальных деталей (в местах посадки) при доступе воздуха. По одной теории изнашивание вызывают окисные пленки, отделяющиеся с поверхностей контактирующих деталей, действующие как абразивы, которые вследствие малых относительных перемещений не удаляются за пределы контакта; сто другой теории отделяются частицы металла, которые тут же окисляются, превращаясь в абразив.

8. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КАВИТАЦИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Кавитационное изнашивание в воде. В потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, в участках сильно пониженного давления, например при обтекании препятствий, возникают при некоторых условиях местные разрывы сплошности с образованием каверн, заполненных паром. Попадая с потоком в область более высокого давления, каверны захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с большой скоростью ударяется в стенку. Многократные повторные удары жидкости по одному и тому же участку металла (каверны возникают и захлопываются периодически, иногда с большой частотой) приводят через некоторое время к его местному разрушению, образованию углублений. Считается, что процесс кавитационного изнашивания имеет усталостный характер и что в условиях воды существенное влияние имеет коррозионный фактор.

Кавитационное изнашивание подразделяется на несколько подвидов по условиям возникновения. Оно наблюдается у лопаток гидравлических турбин и насосов, внешней поверхности цилиндров водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания, подшипников скольжения и других деталей.

Кавитационно-абразивное изнашивание. Поток воды, несущей песок, вызывает абразивное изнашивание (гидроабразивное изнашивание, эрозию) металлических стенки трубопровода или деталей, с которыми движущийся в потоке песок приходит в соприкосновение, особенно на участках изменения направления движения. Если условия таковы, что в потоке возникает кавитация (наличие загрязнений воды), то эффект ударов воды усиливается. Возникает кавитационно-абразивное изнашивание, закономерности развития и протекание которого отличны от закономерностей как гидроабразивного, так и кавитационного изнашивания е чистой воде. Кавитационно-абразивное изнашивание наблюдается у деталей насосов земснарядов, у деталей гидравлических турбин на горных реках и в других гидравлических машинах и устройствах, при кавитирующем потоке жидкости, увлекающем абразивные частицы. Исследование этого вида изнашивания проведено С.П. Козыревым [13].

9. СОЧЕТАНИЕ РАЗНЫХ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ. ЭРОЗИОННОЕ И ДРУГИЕ ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ

При сочетании нескольких видов изнашивания в одних случаях не возникает новых явлений и изнашивание, протекающее с наибольшей скоростью, является доминирующим. Например, окислительное изнашивание почти всегда происходит одновременно с другими, по обладая сравнительно меньшей скоростью, оно не проявляется. Однако в некоторых условиях трения создаются особые условия и тогда сочетание двух разных видов изнашивания приводит к новым явлениям и новому виду. Примером служит фреттинг-коррозия -- сочетание абразивного изнашивания с окислительным в определенных условиях контактирования деталей. Другой пример -- гидроабразивное изнашивание при кавитации; закономерности протекании гидроабразивного и кавитационного изнашивания различны, и при одновременном действии обоих процессов изнашивание протекает по своим новым закономерностям. Поэтому их целесообразно рассматривать как самостоятельные виды.

Часто применяется термин «эрозионное изнашивание», которым называют изнашивание, состоящее в отделении частиц с поверхности тела в результате действия движущейся относительно него и с ним соприкасающейся жидкой или газовой среды или увлекаемых ими твердых частиц либо в результате ударов потока твердых частиц. Понятию эрозионное изнашивание соответствует не один какой-либо вид или механизм изнашивания: в зависимости от условий, в которых протекает, изнашивание, и сочетания свойств среды и материала виды изнашивания могут быть разными.

Известны следующие случаи эрозионного изнашивания.

1. В потоке воды, не засоренной абразивом, и при отсутствии кавитации. Изнашивание может происходить в результате механического разрушении потоком жидкости поверхностных пленок на металле, возникающих при взаимодействии металла с жидкостью, с растворенным в ней кислородом или другими активными агентами. Изнашивание будет относиться к группе коррозионно-механических видов.

2. В незаверенном потоке воды, увлекающем абразивные частицы. Такой случай изнашивания называется гидроабразивным и в зависимости от условий может быть чисто механическим или коррозионно-мехаиическим.

3. При кавитации в потоке воды, не несущем абразивных частиц,. Разрушение металла носит усталостный характер и относится к группе механических видов или при активном влиянии среды --к группе коррозионно-механических.

4. При кавитации в потоке воды, несущем абразивные частицы. В этом случае в зависимости от условий изнашивание может быть преимущественно кавитационным или преимущественно гидроабразивным.

5. В газовом цотоке, несущем абразивные частицы. Здесь могут быть разные случаи: газовая среда не взаимодействует с металлом, газовая среда взаимодействует с металлом; в первом случае процесс механический, во втором--коррозионно-механический. Поток газов может быть при разных, в том числе высоких, температурах.

6. В струе твердых частиц. Здесь процесс преимущественна механический.

Перечисленные выше виды изнашивания -- наиболее распространенные, встречающиеся у металлических деталей машин. В описание не включены виды изнашивания электрических контактных устройств, резиновых шин, неметаллических и пластмассовых деталей.

В литературе встречаются указания на некоторые новые, еще мало изученные виды. К ним относится, например, «атомарное изнашивание» [5, 6], которое проявлялось в виде переноса меди на сталь при трении стального вала по бронзовому подшипнику при смазке спиртоглицериновой смесью.

Описанные и упомянутые в этой главе виды и разновидности изнашивания не охватывают всех тех, которые имеются или возможны, но еще не выделены. В области изучения изнашивания машин остается много невыясненного и неисследованного.

10. НЕКОТОРЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К КЛАССИФИКАЦИИ В ОБЛАСТИ ИЗНАШИВАНИЯ

И.В. Крагельскин [5, 6] отмечает следующие «виды разрушения поверхностей», происходящего при трении: микрорезание; отделение частиц вследствие повторного деформирования -- передеформирования; глубинное вырывание; атомарный износ. Первые три вида разрушения соответствуют проявлению абразивного, усталостного и адгезионного видов изнашивания, о которых сказано выше. Желая связать виды разрушения с механизмом процесса, он предложил рассматривать пять видов «нарушения фрикционных связей»: три вида при механическом взаимодействии -- срез материала, пластическое оттеснение, упругое оттеснение, и два вида при молекулярном взаимодействии -- схватывание пленок, покрывающих твердые тела, и их разрушение, схватывание поверхностей, сопровождающееся глубинным вырыванием материала.

Эти предложения имеют в виду главным образом анализ физической стороны процесса изнашивания и не входят в противоречие с изложенной выше классификацией условий и видов изнашивания применительно к деталям машин.

В немецком стандарте (ПШ 50323) предусмотрено восемь видов изнашивания (правильнее было бы их называть внешними условиями службы деталей).

1. При сухом скольжении изнашивающейся пары при отсутствии на поверхности трения смазочного вещества.

2. При скольжении изнашивающейся пары при наличии на поверхности трения смазочного вещества.

3. При сухом качении изнашивающейся пары при отсутствии на поверхности трения смазочного вещества.

4. При качении изнашивающейся пары при наличии па поверхности трения смазочного вещества.

5. При скольжении изнашивающейся пары при наличии на поверхности трения зернистого вещества (имеется в виду абразив).

6. При качении изнашивающейся пары при наличии на поверхности трения зернистого вещества (имеется в виду абразив).

7. Струей (эрозия). Изнашивание в потоке твердыми частицами, содержащимися в газе, паре или жидкости; жидкостью, содержащейся в паре или в воздухе (удары капель). В зависимости от направления потока тю отношению к изнашиваемой поверхности различают: «изнашивание в скользящем потоке», «изнашивание в косом потоке», «изнашивание в ударяющем потоке».

8. При кавитации. Изнашивание тела в потоке жидкости (в которой образуются захлопывающиеся каверны) условиях понижения давления ниже давления пара при данной температуре.

Изложенные здесь виды изнашивания не противоречат более общей классификации условий и видов изнашивания, намеченной нами.

В 1961 г. Баруэлл [14] предложил классификацию контактных повреждений деталей машин при трении с указанием видов изнашивания (табл. 3). В таблице приведено 12 примеров деталей, подразделенных на две группы по типу контакта--сосредоточенного или рассеянного. Введен показатель SS, означающий отношение скорости скольжения к скорости перемещения контакта по рассматриваемой поверхности. В пояснении указывается, что обычный ползун, скользящий по неподвижной поверхности, будет иметь показатель для этой поверхности SS=1 и по отношению к самому движущемуся телу.

В таблице предусмотрено четыре «преимущественных характера повреждений» (схватывание с глубинным вырыванием, питтинг или выкрошивание, царапание, фреттинг) и пять основных механизмов изнашивания (адгезионный, абразивный, поверхностная усталость, коррозия, электрическая эрозия). Для приведенных примеров указаны преимущественные характеры повреждений на контакте. Основные механизмы изнашивания (виды изнашивания), соответствующие этим повреждениям, таковы: адгезионному механизму изнашивания соответствует схватывание с глубинным вырыванием; абразивному -- царапание и фреттинг; усталостному -- питтинг; коррозионному и электроэрозионному -- свои проявления питтинга.

Понятия, вкладываемые в термины табл. 3 и применяемые в Англии, не отличаются от принятых у нас. Электроэрозионный вид изнашивания выше не рассматривался как специфический, относящийся к электрическому оборудованию и проявляющийся, когда через контакты протекает ток.

Исследовательские работы последних лет, проведенные в СССР, указывают на то, что через подвижные сопряжения деталей машин могут протекать слабые электрические токи, возникающие в результате трения или термоэлектрических явлений и также могущие усиливать или вызывать изнашивание деталей. Очевидно, что такой вид изнашивания должен быть отнесен также к электроэрозионному. Малочисленность данных о проявлениях и закономерностях такого изнашивания не дает основания для его включения в общую классификацию.

ИСПОЛЬЗОВАНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. М.М. Xрущов, М.А. Бабичев. Исследования изнашивания металлов. Изд-во АН СССР, 1960.

2. А. И. Сидоров. Основные принципы проектирования и копструктирования машин. МАКИЗ. М, 1929.

3. Проект терминологии «Геометрия поверхностей деталей машин» и «Изнашивание в машинах».--В сб. «Трение и износ а машинах», вып. XVII. Изд-во АН СССР, .1962.

4. М.М. Xрущов. Классификация условий и видов изнашивания деталей машин.-- В об. «Трение и износ в машинах», вып. VIII. Изд-во АН СССР, 1953.

5. И.В. Крагельский. Трение и износ. М., Машгиз, 1962.

6. И.В. Крагельский. Трение и износ. Изд-во «Машиностроение», 1958.

7. Е.М. Швецова, И. В. Крагельскнй. Классификация видов разрушения поверхностей деталей машин в условиях сухого и граничного трения.-- В сб. «Трение и износ в машинах», вып. VIII. Изд-во АН СССР, 1953.

8. А.П. Семенов. Схватывание металлов. М., Машгиа, 1966.

9. Н.Л. Гочего. Схватывание в машинах и методы его устранения. Киев, изд-во «Техника», 1966.

10. Б. И. Костецкий. Сопротивление изнашиванию деталей машин. Киев, Машгиз, 1959.

11. А. Л. Честно в. Износостойкость .калибров. Изд-во АН СССР, 1957.

12. Б.И. Костецкий, И.Г. Носовский. Износостойкость и антифрик-шюнность деталей машин. Киев, изд-во «Техника», 1965.

13. С. П. Козырев. Гидроабразнвный износ металлов при кавитации. М., Машгиз, 1964.

14. М.М, Хрущов. Развитие в СССР лабораторных методов испытания на изнашивание.-- Зада, лаб., 1967, XXXIII, № 10.

15. М.М. Xрущов, О рациональной постановке испытаний на износ.-- Зав. лаб., 1937, VI, № 5.

16. В.А. Кислик. Износ углеродистой бандажной стали. Трансжелдориздаг, 1938.

17. М.М. Хрущев. Динамика изнашивания деталей машин.-- Вестник машиностроения, 1966, № 8,

18. В.Ф. Лоренц. Инос деталей, работающих в абразивной среде.--Труды Весе, конф, по трению и износу в машинах, т. I., Изд-во АН СССР, 1939.

19. М.М. Хрущев, М.А. Бабичев. Сопротивление абразивному изнашиванию и твердость металлов.-- Докл. АН СССР, 1953, 88, вып. 3.

20. М.М. Хрущов, М. А. Бабичев. Исследование донашивания сталей при трении об абразивную поверхность.--В. об. «Трение и износ в машинах», .вып. XI. Изд-во АН СССР, 154.

Размещено на Allbest.ru