Разрушения поверхностного

Для испытания на контактную усталость применяют трсхроликовые двухкон-тактпые машины, в которых испытуемый образец обкатывается под давлением между двумя валами (роликами), а также машины, в которых плоская поверхность подвергается контактному нагружению при обкатке шарами. Контактная выносливость характеризуется ограниченным пределом усталостного выкрашивания о„, т. е. максимальным нормальным напряжением цикла <Тшх> при котором не наблюдается разрушения поверхностных слоев испытуемого металла при данной базе испытания. Предел контактной выносливости определяется на базе 5>107—2'108 циклов (в зависимости от материала). За критерий разрушения принимают начало прогрессирующего выкрашивания, которое может привести к выкрашиванию по всей поверхности. Минимальный размер выкрашивания должен превышать половину малой полуоси контактной площади (D ~2> 0,56). По результатам испытания строят кривую контактной усталости.

Износостойкостью должны обладать детали, работающие в условиях трения (опорные части осей и валов в подшипниках, шарики и ролики в подшипниках качения, зубья зубчатых колес, поверхности фрикционных колес, профили кулачков и т. д.). Под износостойкостью понимают способность трущихся поверхностей противостоять процессу разрушения поверхностных слоев трущихся тел, который приводит к уменьшению их размеров (износу) в направлении, перпендикулярном поверхности трения.

Поскольку энтропия является функцией состояния системы, ее изменение при переходе трибосистемы из одного состояния в другое в течение некоторого времени не зависит от пути и может быть выражено изменением различных параметров: температуры, давления, массы и т.п. В случае стационарного состояния трибосистемы удельная энтропия S* активных объемов материала остается постоянной, а изменяется только масса трибосистемы вследствие разрушения поверхностных микрообъемов и переноса их в окружающую среду. Изменение массы m(t) за бесконечно малый промежуток времени равно производной dmldt = т, а за конечный отрезок времени t масса изменяется на величину Am = \rndt. За этот же отрезок времени изменение энтропии S трибосистемы, функционирующей в стационарном режиме, определяется произведением

Окислительным изнашиванием называют процесс разрушения поверхностных структур, образующихся на металлических поверхностях при трении в присутствии атмосферного кислорода. В отличие от других видов коррозионно-механического изнашивания оно происходит при отсутствии агрессивной среды и характеризуется малой шероховатостью изнашиваемых поверхностей, на которых образуются пленки окислов. Эти пленки разрушаются при длительном трении и образуются вновь, а продукты износа состоят из окислов.

Однако не следует преувеличивать значимость этих недостатков. Известно, например, что реализация таких перспективных режимов трения, как избирательный перенос и эффект аномально низкого трения, связана с модификацией поверхностных слоев субмикронной толщины [80]. Так как площадь фактического контакта при трении твердых тел составляет, как правило, 10~3-10^1 номинальной, в каждый данный момент времени в контакте находится незначительное количество самых высоких микронеровностей и влияние ионного легирования проявляется на глубине, превышающей толщину шероховатого слоя. Следовательно, ионно-лучевое модифицирование может существенным образом влиять на процессы деформации и разрушения поверхностных слоев, в особенности при мягких режимах взаимодействия. Что касается ограничений по концентрации легируемой примеси, то можно отметить, что в ряде случаев для заметного роста износостойкости оказывалось достаточно незначительного изменения химического состава поверхностного слоя. Так, в работе [82] при легировании металлов иттрием заметный рост износостойкости наблюдался уже при концентрации примеси, не превышающей тысячных долей процента. При необходимости достижения высоких концентраций имплантируемых элементов, превышающих дозу насыщения (максимально достижимую концен'фацию легирующей примеси, офаниченную распылением поверхности), может использоваться ионное перемешивание, когда легирование осуществляется за счет внедрения атомов предварительно нанесенной на поверхность пленки, а не потока бомбардируемых ионов. Путем совершенствования конструкции ва-

Общая характеристика процесса изнашивания. Многие детали машин выходят из строя вследствие изнашивания - разрушения поверхностных слоев трущихся тел, приводящего к уменьшению их размеров в направлении, перпендикулярном поверхности трения. Такие отказы связаны с потерей точности машин, приборов и инструментов, снижением коэффициента полезного действия машин, снижением прочности деталей из-за появления динамических нагрузок и уменьшения сечений, увеличением шума и другими негативными последствиями.

При этом, как показали многочисленные исследования, устанавливается та шероховатость поверхности, которая соответствует данному процессу разрушения поверхностных слоев в период нормального износа. Она может стать более грубой или более гладкой, чем исходная шероховатость. Установление технологической шероховатости, близкой к эксплуатационной, сводит к минимуму

Следует отметить, что адгезионное схватывание относится к недопустимым видам и является следствием нарушения нормальной -эксплуатации машин или ошибок при подборе материалов. Стараются также избежать, процессов изнашивания, при которых возникает микрорезание, так как при этом значительно возрастает интенсивность процесса разрушения поверхностных слоев. Поэтому основные причины разрушения микрообъемов связаны с усталостными процессами. ;.

2. Усталостная природа изнашивания. Последние годы все большее распространение получает усталостная (кумулятивная) теория износа, когда основная причина разрушения поверхностных слоев связывается с возникновением усталостных трещин и отделением микроскопических чешуек материала или его окислов. При этом процесс изнашивания рассматривается как кумулятивный, т. е. суммирующий действие отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частицы износа. Как правило, наличие пленки смазки, возникновение окислов, тепловой эффект и ряд других факторов влияют на интенсивность развития усталостного процесса, не изменяя его природы. Для объяснения физической сущности явлений усталости можно использовать исследования процессов развития усталостных трещин на базе представлений о вязкости разрушения при циклическом нагружении [204].

Образование на поверхностях металла тонких окисных пленок приводит к тому, что взаимодействуют уже не исходные материалы. Это влияет на процесс разрушения поверхностных слоев следующим образом.

2. Влияние смазки. Сильное влияние смазки на интенсивность изнашивания пар трения общеизвестно [51; 90, 229, 246]. При сухом трении имеет место наибольшая скорость изнашивания, так как здесь создаются условия для возникновения молекулярного взаимодействия и таких явлений, как повышение температуры, концентрация давлений на отдельных участках, что интенсифицирует процесс разрушения поверхностных слоев. При работе деталей машин стремятся избежать сухого трения.

Для длительно работающих быстроходных передач N^ ^ NffGa> следовательно, ZN = 1, что и учитывает первый знак неравенства в формуле (2.1). Второй знак неравенства ограничивает допускаемые напряжения по условию предотвращения пластической деформации или хрупкого разрушения поверхностного слоя: Z^max — = 2,6 для материалов с однородной структурой (улучшенных, объемно-закаленных) и Z/vmax = 1,8 для поверхностно-упрочненных материалов (закалка ТВЧ, цементация, азотирование).

Целью расчета является предотвращение остаточных деформаций или хрупкого разрушения поверхностного слоя или самих зубьев при действии пикового момента 71ИК. Действие пиковых нагрузок оценивают коэффициентом перегрузки Ктр=Т1ШК/Т, где T=T\ = Tmax — максимальный из длительно действующих (номинальный) момент, по которому проводят расчеты на сопротивление усталости (см. рис. 2.2).

Для предотвращения остаточных деформаций или хрупкого разрушения поверхностного слоя контактное напряжение а#тах не должно превышать допускаемое напряжение [а]Ягаах;

Целью расчета является предотвращение остаточных деформаций или хрупкого разрушения поверхностного слоя ILIU самих зубьев при действии пикового момента 7^ик. Действие пиковых нагрузок оценивают коэффициентом перегрузки А"11С, = =TtmJT, где Т= Т\ — Ттях — максимальный из длительно действующих (номинальный) момент, по которому проводят расчеты на сопротивление усталости (см. рис. 2.2).

1) расчеты на прочность активных поверхностей зубьев включают расчет на контактную усталость — для предотвращения усталостного выкрашивания и расчет на контактную прочность при действии максимальной нагрузки — для предотвращения остаточных деформаций или хрупкого разрушения поверхностного слоя;

Коррозионный износ. Коррозионный износ — наиболее распространенный вид износа оборудования химических и нефтеперерабатывающих заводов. Его предотвращение или уменьшение позволяет поддер-живате стабильное состояние оборудования в условиях эксплуатации. Под коррозией понимают разрушение поверхности металла, являющееся следствием протекания химических или электрохимических процессов. Сущность этих процессов, характер и результат их протекания определяются взаимодействием металла со средой. Коррозия бывает сплошной, местной, межкристаллитной и селективной. При сплошной коррозии поверхность детали (узла, аппарата) изйашивается относительно равномерно. По степени равномерности коррозионного разрушения поверхностного слоя различают сплошную равномерную и сплошную неравномерную коррозии. Равномерная коррозия протекает в слабокислых растворах солей и кислот, а также в тех случаях, когда контакт среды с поверхностью детали происходит без завихрений. При местной коррозии разрушение распространяется не по всей поверхности контакта со средой, а охватывает только отдельные участки поверхности и локализуется на них. При этом образуются кратеры и углубления, развитие которых может привести к появлению сквозных отверстий. Разновидностями местной коррозии являются коррозия отдельными пятнами, язвенная и точечная. Межкристаллшпная, или интеркри-сталтапная, коррозия — разрушение металлов по границам зерен. Этот вид коррозии характерен для деталей, изготовленных из хромоникелевых аустешггных сталей, широко применяемых в химическом машиностроении, а также из медноалюминиевых (дюралюминий), магниевоалюминие-вых и некоторых других сплавов. Глубоко проникшую межкристаллитную коррозию называют транскристаллитной. Селективная, или структурно-избирательная, коррозия заключается в разрушении одной или одновременно нескольких структурных составляющих металла.

Виды изнашивания. Механизм разрушения поверхностного слоя различный из-за многообразия изменений, возникающих в контактном слое. Различают механическое (усталостное, абразивное), молекулярно-механическое, коррозионно-механи-ческое (окислительное, фреттинг-коррозия и т. д.) изнашивание. По характеру промежуточной среды различают изнашивание при трении без смазочного материала, изнашивание при граничном трении, изнашивание при наличии абразива. По характеру деформирования поверхностного слоя изнашивание может происходить при упругом и пластическом контакте, при микрорезании.

Коррозионный износ. Коррозионный износ — наиболее распространенный вид износа оборудования химических и нефтеперерабатывающих заводов. Его предотвращение или уменьшение позволяет поддер-живачъ стабильное состояние оборудования в условиях эксплуатации. Под коррозией понимают разрушение поверхности металла, являющееся следствием протекания химических или электрохимических процессов. Сущность этих процессов, характер и результат их протекания определяются взаимодействием металла со средой. Коррозия бывает сплошной, местной, межкристаплитной и селективной. При сплошной коррозии поверхность детали (узла, аппарата) изнашивается относительно равномерно. По степени равномерности коррозионного разрушения поверхностного слоя различают сплошную равномерную и сплошную неравномерную коррозии. Равномерная коррозия протекает в слабокислых растворах солей и кислот, а также в тех случаях, когда контакт среды с поверхностью детали происходит без завихрений. При местной коррозии разрушение распространяется не по всей поверхности контакта со средой, а охватывает только отдельные участки поверхности и локализуется на них. При этом образуются кратеры и углубления, развитие которых может привести к появлению сквозных отверстий. Разновидностями местной коррозии являются коррозия отдельными пятнами, язвенная и точечная. Межкристалтапная, или интеркри-сталлитная, коррозия — разрушение металлов по границам зерен. Этот вид коррозии характерен для деталей, изготовленных из хромоникелевых аустенитных сталей, широко применяемых в химическом машиностроении, а также из медноалюминиевых (дюралюминий), магвиевоалюминие-вых и некоторых других сплавов. Глубоко проникшую межкристаллитную коррозию называют транекристаллитной. Селективная, или структурно-избирательная, коррозия заключается в разрушении одной или одновременно нескольких структурных составляющих металла.

Поверхностно-активные вещества оказывают двоякое действие на протекание процессов изнашивания. С одной стороны, их наличие в смазке интенсифицирует процесс разрушения поверхностных слоев за счет проявления эффекта П. А. Ребиндера (в том числе расклинивающего действия смазки в микротрещинах). С другой стороны, поверхностно-активные вещества до определенной их концентрации в смазке значительно снижают силы трения и в результате силовые нагрузки на микровыступы уменьшаются. Суммарное влияние поверхностно-активных веществ на скорость разрушения поверхностного слоя зависит от их количественного содержания в смазке и может как интенсифицировать, так и замедлять процесс усталостного изнашивания. Поэтому большое значение имеет применение специальных противоизносных присадок 126].

сил трения на этих участках возникает продольная шероховатость регулярного профиля. Продольная шероховатость может образовываться в условиях идеально упругого контакта за счет разрушения поверхностного слоя под влиянием сил трения. Если износ идет за счет отшелушивания пленок окисла, то продольная шероховатость практически не наблюдается. Если жесткий индентор движется по упругому полупространству, покрытому достаточно толстым слоем пластического материала, то механизм возникновения шероховатости аналогичен только что рассмотренному. Именно по этому механизму образуются неровности перед светофором.

Из практики известно, что конструктивные элементы с покрытиями выходят из строя не из-за недостаточной химической стойкости последних, а главным образом из-за механического разрушения поверхностного защитного слоя, вызванного механическими напряжениями.