Сущность процесса изнашивания

СУЩНОСТЬ  ПРОЦЕСС ИЗНАШИВАНИЯ 

     Износ проявляется в результате взаимодействия трущихся пар. Из-за волнистости и  шероховатости при взаимодействии поверхностей трения образуются пятна  касания, в которых участвуют  выступы с покрывающими их пленками и находящийся под ним материал. При перемещении одной поверхности относительно другой происходит соединение и разъединение контактов, а лежащий под ним материал значительно деформируется.

     Образующиеся  и исчезающие при совместном действии нормальных и тангенгенциальных сил пятна касания при взаимодействии поверхностей трения называются фрикционными связями.

     Поверхностные тонкие слои трущихся материалов изменяются главным образом под действием деформаций, приводящих их к нагреву. Изменение так же происходит из-за физического и химического взаимодействия поверхности материала с окружающей средой, в результате чего происходит адсорбционное понижение прочности материалов, диффузионное насыщение их элементами и, наконец, окисление их кислородом воздуха.

     Рисунок 1.1 – Виды нарушения фрикционных связей 

     В результате процесса трения в зоне трения образуются материалы с новыми свойствами по сравнению с исходными.

     Трение  имеет действительную молекулярно-механическую природу, обусловленную деформированием  материалов тонкого поверхностного слоя и преодолением межмолекулярных связей, возникающих между сближенными участками трущихся поверхностей (мостиков холодной сварки).

     Различают пять видов нарушения фрикционных  связей (рис. 1.1).Виды 1-3 получают при  механическом взаимодействии, а последние два вида 4 и 5 – при молекулярном. В зависимости от величины адгезии и отношения глубины внедрения h к радиусу R внедряющейся неровности и будет происходить: 1- упругое оттеснение металла; 2 – пластическое оттеснение металла; 3 – срез внедрившегося материала; 4 – схватывание пленок и их разрушение; 5 – схватывание поверхностей, сопровождающейся глубинным выравниванием металла. Переход от одного нарушения фрикционных связей к другому зависит от температуры поверхности трения, молекулярного взаимодействия, а так же от глубины взаимного внедрения неровностей, влияющего на характер механического взаимодействия поверхностей, физико-механических свойств металлов и микрорельефа поверхностей трения.

     Упругое оттеснение металла происходит в  результате упругой деформации отельных микронеровностей на поверхности трения, когда нагрузка воспринимается этими микронеровностями. Сначала микронеровности деформируются упруго, а при дальнейшем увеличении нагрузки – пластически, вызывая пластическое оттеснение металла. Поверхностные слои металла при пластическом деформировании упрочняются, микронеровности выглаживаются. Повторное нагружение поверхности вызывает пластическую деформацию микронеровностей уже при большей нагрузке. В результате многократного повторного деформирования в поверхностном слое металла сначала образуется строчечная структура, а затем после использования всех плоскостей скольжения металл в этом слое приходит в состояние перенаклепа и делается хрупким. Многократные растягивающие напряжения, возникающие в поверхностном слое на поверхности, которые разрастаются и вызывают отделение кусочков с тонкого упрочненного хрупкого слоя, образуя частицы износа.

     Микрорезание  происходит в том случае, если на поверности трения имеется твердая частица абразива, иди частица износа, или контактирующий выступ, который внедряется на глубину (0,2 ÷ 0,3) R.

     Нарушение фрикционных связей видов 4 и 5 (рисунок 1.1) зависит от соотношения прочности  пленки и прочности основного  металла, а также от напряженного состояния поверхностного слоя металла. Вид 4 фрикционных связей имеет место, если прочность пленки меньше прочности основного металла. Когда же прочность пленки на поверхности металла оказывается больше прочности основного металла, то имеет место вид 5. Таким образом, переход от схватывания пленок к схватыванию с основным металлом, сопровождающемуся глубинным выравниванием металла, обуславливается соотношением прочности поверхностных пленок и прочности основного металла, т.е. зависит от градиента механических свойств по глубине слоя.

     На  основании изложенного можно  сделать следующие выводы. Изнашиванием называется процесс постепенного изменения  размеров при трении, проявляющийся  в отделении с поверхности  трения материала, и (или) при его остаточной деформации. Результат изнашивания называется износом.

     Основными причинами износа деталей автомобиля является усталость их поверхностных  слоев при упругом деформировании и появление хрупкого тонкого  поверхностного слоя при повторной  пластической деформации. В связи  с этим одной из наиболее важных характеристик износостойкости будет способность поверхностных слоев противостоять повторным деформациям.

     Величина  износа поверхностей деталей обуславливается  влиянием внешних факторов, к которым  относятся:

• Давление
• Характер приложения нагрузки
• Скорость относительного перемещения трущихся тел и ее изменение во времени
• Температурный режим
• Форма и размер поверхностных неровностей и трущихся поверхностей
• Способ подвода смазки
• Количество и качество смазки
• Присутствие абразивов в месте контакта
• Полнота и удалении продуктов изнашивания из зоны трения
• И другое

     При изменении внешних факторов, например скорости скольжения, нагрузки и температуры, происходят изменения исходных свойств металла пар трения, а изменение внешней среды и состояние трущихся поверхностей определяют трение без смазки, граничное и жидкостное трения. При жидкостном трении величина износа при разных других условиях будет минимальной по сравнению с граничным трением и трением без смазки (сухим). Влияние внешних факторов на величину износа деталей автомобилей подробно изучено, и многие конкретные данные приведены в специальной литературе.

     При оценке влияния того или иного  фактора на величину износа деталей  следует учитывать его способность  вызывать определенный вид нарушения  фрикционных связей. Действие того или иного фактора будет уменьшать износ, и, следовательно износостойкость пары трения возрастет переход от вида 3 (рис.1.1) нарушения фрикционных связей к виду 1, а от вида 5 к виду 4. Если увеличение (или уменьшение) величины действующего фактора будет способствовать переходу от вида 1 к виду 2, а от вида 2 к виду 3 фрикционных связей, то износ детали будет увеличиваться, а износостойкость снижаться.

     При износе поверхности трения изменяются линейные размеры деталей, их диаметры, нарушается правильность их геометрической формы (из-за неравномерного износа), например у цилиндрических деталей появляется овальность, конусность, бочкообразность, у плоских деталей – неплоскостность, у ступенчатых валов – неконцентричность поверхностей, у корпусных деталей – непараллельность осей отверстия и т.д.

     Результатом контактной усталости металла являются образующиеся на поверхности трения раковины, в частности такие повреждения  появляются на рабочих поверхностях шестерен, на беговой дорожке шариков и роликовых подшипников качения.

     Обеспечение долговечности автомобилей, безотказность  их работы – одна из наиболее актуальных задач в автомобилестроении и  ремонтном производстве. Решение  ее связано прежде всего с обеспечением высокой износостойкости деталей. Помимо рационально выбора материала, методов его упрочнения существует немало различных конструктивных приемов, которые позволяют увеличить срок службы деталей, работающих в условиях трения и изнашивания.

     Износ обычно характеризуется интенсивностью изнашивания l, представляющей собой отношения величины износа ∆h к обусловленному пути ∆L, на котором происходило изнашивание.

                                                                                                                                 (1.1)

     Достижение  последних лет в области исследования природы контактного взаимодействия твердых тел позволили получить следующую расчетную формулу для интенсивности изнашивания:

      ,                                                                                                             (1.2)

     где - отношение глубины внедрения единичной неровности к ее радиусу.

      - отношение номинального давления  к фактическому.

     K – постоянная, характеризующая распределение неровностей по высоте, К=0,18÷0,22.

     n – число циклов до разрушения неровностей.

     В 

     В формуле (1.2) первое безразмерное отношение  определяется видом взаимодействия на поверхности трения (упругое, пластической, микрорезание). Поэтому . Второе безразмерное отношение определяется размерами и формой детали и изменяется в пределах 0,1÷0,001. Приблизительно эту величину можно вычислить, если найти отношение номинального давления к твердости. Третье безразмерное отношение может определить, если коэффициент К разделить на число циклов до разрушения n. Число циклов до разрушения n можно определить экспериментально или по формуле:

      ,                                                                                                                  (1.3)

     где σ_в– предел прочности;

     f – коэффициент трения;

     t – показатель степени, зависящий от свойств смазки и механических свойств трущихся тел. В условиях упругого контакта он может изменяться в пределах 10 ÷15.

     На  основании молекулярно-механической теории трения величину коэффициента трения можно определить по формуле:

                                                                                                           (1.4)

     где τ_а – сопротивление срезу образовавшейся связи;

     β – коэффициент упрочнения адгезионной связи;  

     Накапливая  опыт расчета интенсивности изнашивания  отдельных поверхностей детали можно  разработать расчетные методы прогнозирования  повеления отдельных деталей, агрегатов и машины при их эксплуатации, что позволит сократить объемы испытаний на надежность и долговечность и ускорить создание новой техники.

     Интенсивность изнашивания можно снизить: уменьшением  удельного давления на поверхности  трения; равномерным распределением нагрузки по трущимся поверхностям; применением смазывающихся материалов ( пластмасс), ротопринтного метода смазки, соответствующих смазок с присадками, которые позволяют увеличить долговечность в 1,5 – 2,0 раза. В несколько раз можно уменьшить износ деталей, используя эффект безысходности, состоящий в том, что на поверхности трения образуется тончайший слой металла, получающийся в результате воздействия поверхностно-активных веществ на легирующие компоненты сплава в процессе трения. Благодаря особым свойствам этого разупрочняющего слоя он практически не изнашивается и обладает низким внутренним трением.

     Износ можно существенно уменьшить, если принять необходимые меры, предотвращающее  попадание в зону трения пыли и  абразива.

     В местах предполагаемого износа целесообразно предусматривать сменные износостойкие вставки, применять компенсаторы износа трущихся пар и устройства, позволяющие автоматически поддерживать оптимальную величину зазоров. Конструкция автомобиля должна обеспечивать возможность ремонта изнашивающихся деталей и легкой замены их в процессе эксплуатации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Министерство  Образования Республики Беларусь