Виды изнашивания: классификация и характеристики износа

Под изнашиванием понимают постепенное разрушение поверхностей трения различных пар. Существует множество видов изнашивания. Они обусловлены различными причинами. Но всех их объединяет одно – частицы отделяются от основного материала. Это приводит к нарушению в работе механизмов, а в иных случаях может вызвать их поломку. Увеличиваются зазоры в соединениях, посадки начинают бить в результате образования значительного люфта. В данной статье рассмотрены основные виды изнашивания, даются их характеристики и общая классификация.

Особенности абразивного изнашивания

Абразивом называется мелкодисперсный материал природного или искусственного происхождения, обладающий значительной твердостью, достаточной для нанесения царапин на другие, менее твердые, материалы.

Вид изнашивания поверхностей, при котором наблюдается разрушение структуры и целостности поверхностного слоя при взаимодействии с твердыми микрочастицами, называется абразивным. Следует отменить, что для подобного рода разрушений скорость трения должна быть весьма значительной (несколько метров в секунду). Хотя при длительной работе разрушение наступает и при меньших скоростях и усилиях зажима.

В роли абразивных веществ могут выступать как неподвижно закрепленные объекты (твердые фазы сталей и сплавов), так и подвижные посторонние частицы, попавшие в зону контакта трущихся поверхностей (песок, пыль и другие).

На величину абразивного изнашивания и его интенсивность влияют следующие факторы:

• природа происхождения абразивных частиц;
• среда эксплуатации механизмов (степень агрессивности);
• свойства материалов пар трения;
• ударные нагрузки;
• температурные показатели и многие другие.

Абразивный износ твердыми частицами (зернами)

Такой вид механического изнашивания наступает при контакте абразивных зерен с металлом или другим материалом. Показатель твердости таких частиц значительно превышает значение показателя твердости самого металла. Это приводит к деформации материалов пар трения, возникновению усталостных напряжений, истиранию поверхности.

Если механизм работает в условиях частых знакопеременных нагрузок, то эффект вредного воздействия абразива усиливается. В этом случае частица абразива оставляет на поверхности металла не только риски, но и вмятины.

С увеличением фракции абразивного вещества увеличивается и абразивный износ. Частицы абразивов являются весьма твердыми, но в то же время и хрупкими. Поэтому крупные тела могут размалываться на более мелкие.

Особенности окислительного изнашивания

Данный вид изнашивания возникает в том случае, когда на поверхности трущихся деталей возникает рыхлая пленка окислов, которая быстро удаляется с поверхности в результате трения. Большинство машиностроительных материалов склонны к окислению на воздухе при повышенных температурах. Поэтому такому виду изнашивания деталей подвержены механизмы, которые работают без смазки и без системы охлаждения.

Чем больше скорость разрушения окисной пленки и чем больше скорость ее образования, тем интенсивнее происходит износ поверхностей.

Такой вид изнашивания характерен для шарнирных и болтовых соединений, различных подвесных механизмов, да и вообще для всех узлов, работающих без смазки.

С увеличением скорости трения увеличивается температура трущихся поверхностей. Это приводит к интенсификации разрушительных процессов. Аналогичное воздействие оказывает и увеличение ударных нагрузок.

Изнашивание под влиянием пластической деформации

Данный вид изнашивания деталей машин характерен для высоконагруженных узлов. Сущность его заключается в изменении геометрических форм изделия под действием значительных нагрузок.

Он наиболее характерен для шпоночных и шлицевых соединений, а также резьбы, штифтов и так далее.

Подобные деформации могут возникать и в зубчатых соединениях. Причем они не обязательно должны быть быстроходными. Ключевой фактор здесь – нагрузка.

Нередко подобные деформации появляются на железнодорожных рельсах и колесах подвижного состава. Для предотвращения необходимо организовывать своевременную профилактику и обследование элементов конструкции.

Изнашивание в результате выкрашивания

Представленная классификация видов изнашивания не будет полной, если упустить из виду так называемый износ в результате выкрашивания. Его сущность заключается в следующем. При тяжелых (возможно, даже экстремальных) условиях работы, поверхностные слои трущихся деталей претерпевают структурные и фазовые превращения. Причинами в разных случаях выступают повышенные температуры, условия нагрева и охлаждения, высокое давление и другие. Свойства полученных слоев значительно отличаются от свойств исходного материала. Как правило, эти фазы являются хрупкими и при нагрузках разрушаются.

Так, на стали и чугуне в процессе трения без смазки образуются характерные белые полоски. Эти участки невозможно вытравить даже раствором азотной или плавиковой кислот на спирту. Специалисты в области металловедения называют это образование белым слоем. Он имеет довольно большую твердость по Роквеллу и очень хрупкий. Одна лаборатория провела фазовый и структурный анализ белого слоя. Выяснилось, что он представляет собой механическую смесь из мартенсита и цементита. В нем также содержится незначительное количество феррита. Последнего в нем совсем мало и он не может уменьшить твердость.

Образование (синтез) этого вещества сопровождается возникновением вредных внутренних растягивающих и сжимающих сил. Когда векторы внутренних напряжений совпадают с внешними нагрузками на деталь, на ее поверхности в области белого слоя образуются незначительные трещины. Эти микротрещины являются концентраторами и накопителями напряжений, что приводит к хрупкому разрушению изделия в целом.

Изнашивание посредством феттинг-коррозии

Этот процесс возникает на поверхностях, которые плотно контактируют друг с другом. Причиной являются колебания. Следует отметить, что материалы тел пары трения могут быть самыми разными (металл-металл или неметалл-металл).

Это явление возникает уже при минимальных перемещениях тел (порядка 0,025 микрометров).

В результате колебаний на поверхностях возникают очаги коррозии, которые разрастаются и приводят к разрушению поверхностного слоя.

Износ посредством вибрационной кавитации

Данный вид изнашивания возникает при работе изделий в жидкостной среде. Хотя он может возникать и при попадании на деталь машины или механизма струи жидкости. Физика процесса следующая. Давление жидкости на границе фазового раздела (между жидкостью и твердым телом) падает, что приводит к возникновению так называемых кавитационных пузырьков. Интенсивность такого износа зависит от содержания воздуха в жидкости и от внешнего давления.

Катализатором может послужить звуковое колебание. Особенно вредными в данном случае являются колебания ультразвукового спектра. Очень часто подобное вредное явление возникает в трущихся частях двигателей внутреннего сгорания. Результаты исследовательских работ свидетельствуют о том, что износ в результате звуковой кавитации происходит в три, а то и в четыре раза быстрее, чем при трении.

Износ в результате образования термических трещин

Данная проблема характерна для колес железнодорожных вагонов и локомотивов. В ходе движении состава машинисту приходится часто тормозить. Это приводит к проскальзыванию колес и их нагреву. При наборе скорости трущаяся поверхность довольно быстро остывает. Такое термоциклирование приводит к образованию множества трещин на поверхности колеса. Это существенно ускоряет износ изделия. В настоящее время для производства железнодорожных колес используют специальные легированные стали. А вот раньше применяли стали обыкновенного качества. Старые колеса и сегодня используются на многих поездах, поэтому эта проблема по-прежнему актуальна.

Способы борьбы с термическими трещинами

Наиболее действенным мероприятием по борьбе с термическими трещинами будет обеспечение интенсивного охлаждения. Для этого могут использоваться специальные масла и смазки. В случае с колесами железнодорожных составов эта мера, по понятным причинам, не годится. В таком случае можно поиграть на химическом составе материала и подобрать более выгодную с этой точки зрения марку стали. Определенные марки легированных сталей имеют низкий коэффициент расширения. И это свойство можно выгодно использовать.

Некоторые особенности эрозионного изнашивания

Рассматривая виды трения и изнашивания, нельзя упустить из виду так называемое эрозионное изнашивание. Говоря простым языком, это разрушение поверхностей под воздействием окружающей среды.

В инженерном деле под этим понятием понимается разрушение поверхностей деталей машин и узлов механизмов под воздействием факторов окружающей среды. К таким факторам влияния можно отнести потоки воздуха и жидкости, пар или разнообразные газы. Причиной износа является, как и прежде, трение. Только в этом случае на поверхность воздействуют не частицы абразива, а молекулы газа или жидкости.

В ходе этого процесса возникают микротрещины. Молекулы жидкости и пара под высоким давлением проникают в них и способствуют разрушению всех поверхностных слоев изделий.

Жидкость или пар могут содержать и абразивные частицы во взвешенном состоянии. В этом случае такая смесь будет вызывать абразивно-эрозионное разрушение и изнашивание.

Усталостное изнашивание и его характеристики

Виды изнашивания и нарушения геометрии весьма многообразны. Много проблем инженерам–конструкторам и инженерам-механикам доставляет усталостное выкрашивание поверхностей деталей. Этот «недуг» очень коварный. Явление усталостного выкрашивания возникает в деталях, которые работают на протяжении длительного времени в условиях знакопеременных нагрузок. Это характерная «болезнь» зубчатых соединений.

Этот вид изнашивания сопровождается зарождением трещин на поверхности и их проникновением вглубь изделия. На незначительной площади поверхности возникает целая сеть таких вот микротрещин. Под воздействием давлений и температур небольшие разрозненные кусочки металла отслаиваются от основного тела и отпадают. Немаловажную роль в этом процессе играет смазка (масло), которая проникает в микротрещины и содействует разрушению.