2.3 Аналитический обзор видов износа(классификация основных видов изнашивания)

Износ деталей представляет собой сложный процесс. Фактически этим названием объединен ряд разнородных процессов, механизм которых различен. В основе износа лежат процессы упругого и пластического деформирования и упрочнения поверхностных слоев металла, возникновение металлических связей и их разрушение, адсорбции, диффузии, образование химических соединений, изменение свойств металлов в результате тепловых воздействий, процессы резания и усталостные процессы.

Существует несколько видов износа. [2] Б.И. Костецкий, рассматривая процессы, протекающие в поверхностных слоях металлов под воздействием сил трения, различил следующие виды:

а) износ схватыванием первого рода;

б) окислительный износ, связанный с поглощением кислорода воздуха поверхностным слоем металла;

в) тепловой износ (схватывание второго рода);

г) абразивный;

д) осповидный (усталостный).

Любая работающая деталь или сопряжение деталей имеют четко выраженный ведущий вид износа или повреждаемости, имитирующий долговечность и надежность при эксплуатации и может иметь сопутствующие виды разрушения поверхности. Принципиально важным является разделение всех видов разрушения рабочих поверхностей деталей на нормальные, теоретически неизбежные и практически допустимые процессы изнашивания, и патологические явления повреждаемости, не допустимые при работе машин. Основным признаком при классификации по причинам и механизмам разрушения поверхностей трения являются тот или иной процесс – механический, физический или химический, протекающий в зоне контакта. Ведущие виды износа и повреждаемости, в большой мере зависят от кинематики трения, т.е. от рода трения (скольжения или качения).

Изучение трения и износа следует рассматривать с точки зрения разрушения поверхностных слоев твердых тел. Процессы необходимо рассматривать, учитывая взаимодействие твердых тел с окружающей средой, которая может в корне изменять свойства поверхностей.

Два основных процесса внешнего трения – образование точек соприкосновения за счет взаимного внедрения неровностей и формирование на них “мостиков сварки” – протекают при больших локальных давлениях на реальных пятнах контакта.

Эти давления всегда достаточно велики даже при малой нагрузке на трущуюся пару, так как общая площадь этих пятен контакта очень мала. Вследствие расположения выступов на различных уровнях при увеличении нагрузки они последовательно вступают в контакт. Поэтому рост фактической площади контакта происходит в основном за счет увеличения числа пятен контакта, а не их размера. Размер пятен контакта колеблется в пределах 1-10 мкм, что обуславливает большие фактические давления. Они снижаются в результате процесса приработки, за счет увеличения радиуса кривизны неровностей, стремясь к давлениям, соответствующим упругому контакту.

С точки зрения надежности работы все виды трансформации поверхностей контакта следует разделить на две большие группы – допустимые и патологические. К допустимым относятся явления, связанные с процессами минимизированной пластической деформации, активизации тончайших поверхностных слоев металла, немедленного их взаимодействия с агрессивными компонентами окружающей среды (газовой и жидкой) и образования равномерно распределенных на поверхности вторичных структур, облегчающих процесс внешнего трения и препятствующих развитию явлений схватывания. Вторичные защитные структуры периодически отслаиваются и возникают вновь. Процесс установившегося трения и износа в таких условиях стационарен и обладает свойством саморегулирования. Взаимодействие активизированных пластической деформацией поверхностных слоев металла с различными агрессивными компонентами жидких и газовых сред может приводить к образованию вторичных защитных структур другого состава – серофосфорсодержащих, азотистых, углеродистых и др. Этот общий комплекс явлений связанный с деформацией, текстурированием поверхностных объемов металла, их дальнейшим взаимодействием с химически активными компонентами рабочей среды и разрушением образовавшихся структур, можно назвать механохимическим износом.

Патологические явления, прямо связанные с трением, не являются износом в его классическом проявлении. Эти ярко выраженные виды разрушения поверхности возникают при нарушении нормальных условий внешнего трения. Переход от этих условий к патологическим процессам происходит внезапно, скачкообразно, при достижении некоторых критических условий. Главной задачей изучения патологических процессов является установление критических условий соответствующих переходу от нормы к патологии в зависимости от внешних механических воздействий, температуры и среды. При этом очень важным является раскрытие физической стороны явлений и установлении причин возникновения того или иного вида повреждаемости, что необходимо для целесообразной борьбы с его проявлениями. Абразивный износ является промежуточным видом разрушения поверхностей трения между нормальными формами износа и патологическими явлениями повреждаемости. Главной задачей в этом случае является подавление механических и стимулирование механохимических процессов.

Рассмотрение повреждений типа смятие, электроэрозии, коррозии, кавитации, косвенно связанных с процессами трения, необходимо для оценки роли этих явлений с точки зрения надежности и долговечности.

Различные виды изнашивания можно 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. А.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 трущиеся тел с механическим удалением продуктов взаимодействия.

Возникновение металлических связей происходит при интенсивной деформации поверхностных объемов металла обусловленной атермической пластичностью.

Пластическая деформация в этих условиях вызывает изменение состояния поверхности, разрушение пленок окислов и адсорбированных пленок смазки, выход на поверхность ювенильных участков. В результате деформации происходит активизация металла поверхностных слоев. Данный вид износа возникает при трении скольжения с малыми скоростями.

Осповидный износ (усталостное повреждение) — процесс интенсивного разрушения поверхностей деталей машин при трении качения, обусловленный пластической деформаци­ей, внутренними напряжениями, особыми явлениями усталости металла и вы­ражающийся в образовании на поверхности трения микротрещин, трещин, единичных и групповых впадин. При этом виде износа скорости процессов, обу­словливающие явление усталости металла, превышают скорости других про­цессов, протекающих на поверхностях трения, поэтому процессы усталостного разрушения становятся преобладающими.

Основные характеристики и развитие усталостных повреждений определяются процессами повторной пластической деформации, упрочнением и разупрочнением металла поверхностных слоев, возникновения остаточных напряжений и особыми явлениями усталости. Разрушение поверхности при усталостных повреждениях характеризуется возникновением микротрещин, единичных и групповых впадин. Существуют предельные величины давления, при которых многократное приложение нагрузки вызывает характерные изменения структуры, в конечном итоге, приводящем к усталостному разрушению. Повреждения возникают в широком диапазоне изменения скоростей качения. Этот вил износа наблюдается в подшипниках качения и во многих других парах качения.

Смятие – объемная макроскопическая пластическая деформация металла деталей машин. Оно сопряжено с изменениями формы при нагрузках выше предела текучести. Деформация и смятие могут распространяться на весь объем деталей или на его значительную часть. При этом размеры деталей изменяются, но их вес остается неизменным. Смятие деталей может возникать при трении и быть вызвано передачей усилий, непосредственно не связанных со скольжением или качением поверхностей.