1.3. Изнашивание деталей при трении

Основные понятия, связанные с изнашиванием пар трение

Парой трения называют совокупность двух подвижно соединенных поверхностей деталей в условиях эксплуатации. Пара характеризуется материалом и формой обеих поверхностей, типом относительного перемещения, составом и свойствами рабочей среды. Таким образом, процесс трения не всегда может быть связанной с наличием пара трение. Например, зуб ковша экскаватора и вынимаемый грунт не являются парой трения, хотя здесь и имеет место процесс трения абразивных частиц грунта о поверхность зуба.

Изнашивание - процесс разрушения поверхности твердого тела, которое состоит в изменении его размеров или формы.

Износ - результат изнашивания, выраженный в единицах длины, объема, массы.

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к пути трения или к объему выполненной работы (или к другому показателю) (на 1 км пути, на 1 гектар пашни, на 1 тонну прокатанного металла и т.п.).

Скорость изнашивания - отношение величины износа к продолжительности изнашивания.

Износостойкость - величина, обратно пропорциональная интенсивности или скорости изнашивания.

Предельный износ детали - износ, при котором дальнейшая эксплуатация становится невозможной (вследствие выхода детали из порядка), неэкономичной или недопустимой в связи с снижением надежности.

Закономерности процесса изнашивания

Процесс изнашивания характеризуется тремя периодами: 1-й период – приработка (начальный период), 2-й период – установившийся, 3-й период – усиленного износа (аварийный).

Период приработки характеризуется большим износом. В течение этого периода площадь фактического контакта еще мала (следовательно, высоки контактные напряжения), происходит сглаживание неровностей поверхности, формирование рабочего рельефа.

Установившийся период характеризуется минимальным износом.

В течение аварийного периода износ резко нарастает. Это связано с необратимыми изменениями физико-механических свойств материалов, а также с ухудшением условий работы, причиной чего может быть нарушение режима смазки, возникновение дополнительных вибраций и динамических нагрузок в связи с износом деталей и увеличением зазоров между ними.

Различают 4 типовые кривые износа (рис.1.23), характерные для следующих режимов работы детали:

а) в процессе эксплуатации внешние условия не изменяются или их изменение не влияет на износ;

б) характерно для деталей с упрочненной поверхностью, после изнашивания которой износ резко возрастает;

в) установившийся режим отсутствует, сразу после приработки ухудшаются условия работы: в зону трения попадают абразивные частицы, происходит утечка смазки, возрастают динамические нагрузки и т.д.;

г) износ в период приработки очень мал. После определенного числа циклов нагрузки наступает усталостное разрушение.

Для увеличения сроков службы деталей необходимо сокращать 1-й период, максимально удлинять 2-й период и не допускать 3-й период изнашивания.

Рис.1.23. Кривые интенсивности изнашивания.

При анализе процесса изнашивания следует рассматривать три основные явления, протекающие во время трения, а именно: а) взаимодействие поверхностей трения; б) структурные изменения в поверхностных слоях металла; в) разрушение поверхностей. Эти явления протекают параллельно и влияют друг на друга.

Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молекулярным. Механическая составляющая связана с взаимным внедрением и сцеплением неровностей поверхностей. Молекулярная составляющая проявляется в процессах адгезии и схватывания. Схватывание присуще только металлическим поверхностям и характеризуется более сильной связью, чем адгезия. Молекулярное взаимодействие возможно на участках взаимного проникновения поверхностей при разрушении окисной или масляной пленки.

Изменения, которые происходят в поверхностных слоях трения, вызываются пластической деформацией, повышением температуры в зоне контакта и химической активностью окружающей среды.

Многократные деформации приводят к упрочнению (наклёпу) поверхностных слоев детали (если рабочая температура ниже Т_рекр металла). Накопление большого количества дефектов кристаллического строения приводит к появлению зародышевых микротрещин, которые при дальнейшей деформации развиваются, образовывая макродефекты. Поверхностный слой со временем становится “рыхлым”, его прочность снижается, облегчается протекание процессов разрушения.

Влияние температуры состоит:

а) в разупрочнении металла за счет развития рекристаллизации (снятия наклепа) и размягчения при нагреве. Нагретый металла приобретает высокую пластичность, что способствует разглаживанию его поверхности и повышению площади фактического контакта;

б) в усилении диффузии; за счет этого становится возможным обогащение поверхностных слоев определенными элементами (например, поверхность стали обогащается углеродом), коагуляция отдельных структурных составляющих, взаимное диффузное растворение материалов деталей пары трения;

в) в образовании закалочных структур при температурных “вспышках” и последующем резком охлаждении; этому способствует повышение давления, снижающее температуру Ас₁;

г) в образовании термических напряжений (за счет возникновения температурных градиентов). Термические напряжения ускоряют деформационные процессы и, таким образом, увеличивают дефектность поверхностного слоя;

д) в облегчении окисления.

Химическое влияние внешней среды проявляется:

а) в образовании защитных пленок, предотвращающих процессы схватывания;

б) во взаимодействии металла и присадок в маслах с образованием пленок, аналогичных к окислительным; эти пленки выполняют защитную функцию, если скорость их образования превышает скорость изнашивания;

в) в возможности насыщения поверхности углеродом и водородом в результате разложения смазочного материала при повышении температуры;

г) в активизации процесса разрушения за счет адсорбции (эффект Ребиндера) и коррозионных процессов.

Характер и интенсивность разрушения при трении определяются величиной скорости скольжение и давления в зоне трения (рис.1.24).

а)

б)

Рис.1.24. Влияние скорости и нагрузки при трении на интенсивность изнашивания: I - патологические процессы (приводят к схватыванию 1-го рода); II - нормальный режим трения; III - патологические процессы (вызывают схватывание 2-го рода).

Основная закономерность трения состоит в том, что при трении разнообразных поверхностей всегда существуют такие диапазоны V_к и Р, при которых износ остается минимальным и постоянным. Главная задача ученых и конструкторов состоит в расширении этой области в сторону больших величин V_к и Р за счет подбора материалов, смазки, упрочняющих обработок, усовершенствования конструкции узлов и других мероприятий.