Адсорбционное понижение прочности трущихся тел

Эффект Ребиндера. За счет адсорбирования и попадания в микропоры трущихся тел поверхностно-активных веществ (ПАВ) про­исходит интенсивное развитие подповерхностных трещин и разу­прочнение поверхностного слоя (преимущественно по межкристал­лическим поверхностям). В качестве ПАВ выступают полярные и не­полярные молекулы, а в ряде случаев и металлы в жидком состоя­нии по отношению к другим металлам.

Например, ртуть по отношению к цинку, жидкая медь - к стали, висмут - к меди и т.д. При большом количестве ПАВ микротрещины мо­гут проникнуть внутрь металла и, в конечном счете, привести к разруше­нию деталей узла трения.

Физически адсорбированные молекулы приводят к уменьшению свободной поверхностной энергии трущихся тел, уменьшению моле­кулярной составляющей трения и сдвиговых напряжений в поверхно­стных слоях. В конечном счете, это может привести и к уменьшению интенсивности изнашивания пар трения.

Температурное воздействие. Выделяющаяся в результате трения энергия в своей основе реализуется в виде тепла, сконцен­трированного в зоне трения. Нагрев в замкнутом объеме поверхност­ных слоев до температуры 200...500°С приводит к изменению их прочности (для многих материалов с повышением температуры она уменьшается) и других механических параметров, изменению гео­метрических форм, площади фактического контактирования и допол­нительным термоциклическим напряжениям в поверхностном слое.

Нагрев твердых тел при трении одновременно приводит к резкому повышению их химической активности, изменению характера взаимо­действия тел не только друг с другом, но и с окружающей средой. Высо­кие градиенты температур, возникающие в поверхностных слоях, сильно

ускоряют диффузионные процессы, приводящие порой к весьма значи­тельному изменению атомарного состава в поверхностном слое тру­щихся тел, а, следовательно, и к изменению ряда свойств поверхностей трения, в том числе и свободной поверхностной энергии. Изменения, происходящие в поверхностных слоях, обусловленные диффузионными процессами, получили название трибомутации. Умело используя этот процесс, можно существенно сокращать период приработки трущихся тел (при сокращении затрат энергии), уменьшать износ изделия при об­катке узла трения и, благодаря этому, значительно увеличить срок его эксплуатации.

Температурные воздействия на поверхности трущихся тел в ряде случаев приводят к фазовым превращениям в трущемся материале и соответствующим изменениям его физико-механических характеристик и влияют на интенсивность износа трущихся тел. Имеются материалы, которые сами в процессе трения изменяют свою структуру и тем самым существенно увеличивают износостойкость узла трения.

Наклеп поверхностей трения. Высокие удельные давления и тем­пературные поля способствуют образованию новых, движению, выходу и закрытию дислокаций, закрытию микротрещин и уплотнению поверхност­ного слоя. В конечном случае, это чаще всего приводит к упрочнению по­верхностного слоя и повышению износостойкости, прежде всего, при аб­разивном изнашивании. При весьма значительных деформациях (при осадке материала кристаллической решетки более чем на 20...30%) мо­жет происходить развитие микротрещин и трущийся материал может су­щественно потерять свои механические свойства и быстро разрушиться.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Каковы механические виды и механизмы изнашивания, их раз­новидности? Методы и пути управления процессами изнашивания.

2. Каковы молекулярно-механические виды и механизмы изнашива­ния? Понятия положительного и отрицательного градиентов напряжений.

3. Каковы особенности водородного вида и механизма изнаши­вания в узлах трения?

4. В чем сущность коррозионно-механических видов изнашивания?

5. Каково влияние перехода механизма изнашивания на величи­ну износа трущихся тел?

89 Глава 8. ТРИ СТАДИИ ИЗНАШИВАНИЯ ТРУЩИХСЯ ТЕЛ

Износостойкость трущихся тел во многом определяется процес­сами, происходящими во фрикционном контакте, т.е. реальными дав­лениями, температурными процессами, которые в процессе эксплуа­тации пары трения меняются и наиболее явно выражены во времени.

Наиболее общий вид зависимости, получившей название В.Ф. Ло­ренца и представляющей суммарный износ от времени работы деталей узла трения, приведен на рис. 8.1. На рисунке показана зависимость бы­строты изменения линейного (объемного или массового) износа во вре­мени от исходного, равного нулевому для новых деталей до допустимо­го п_п, выше которого наступает катастрофический износ с последующим разрушением трущейся пары.

И

Рис. 8.1. Закономерности изменения линейного износа п и интенсивности

изнашивания I в процессе обкатки и эксплуатации трущихся тел:

п_п - предельный суммарный износ трущихся тел; П1 - суммарный износ

при обкатке; п₂ - суммарный износ при эксплуатации трущихся тел;

I - область обкатки; II - область периода эксплуатации трущихся тел;

II' - область повышения интенсивности изнашивания в процессе

эксплуатации пары трения; III - область катастрофического износа

По зависимости В.Ф. Лоренца можно выделить принципиально отличающиеся во времени и по механизму разрушения три стадии процесса изнашивания трущихся тел (1,М и III).

Первая стадия изнашивания, продолжительность которой со­ставляет незначительную долю от времени работы сопряжения, по­лучила название приработки пары или узла трения.

В этот период происходят процессы изменения геометрии поверх­ностей трения и физико-химических свойств обоих взаимодействующих фрикционных материалов. На этом этапе на площадях истинного кон­тактирования, во многом определяющихся исходной микрогеометрией и свойствами исходного материала, реализуются очень высокие давле­ния, температурные поля градиенты напряжений и температур. При их действии, а также в результате взаимодействия тел с окружающей сре­дой (воздухом, смазкой и т.д.) в зоне трущихся тел происходят значи­тельные деформационные процессы, диффузионные процессы, меня­ются молекулярные взаимодействия, свободная поверхностная энергия и др., в десятки раз ускоряется протекание химических реакций.

Направление этих изменений определяется принципом Ле Ша-телье-Брауна, в соответствии с которым любая система под внешни­ми воздействиями изменяется с максимальным ослаблением перво­начально существовавших взаимодействий. В результате адаптации системы к условиям нагружения в поверхностных слоях трущихся тел образуются такие структуры и макро- и микрорельеф, которые, наряду с формированием в процессе приработки на поверхностях трения вторичных структур различного происхождения, обеспечивают мини­мизацию энергетических затрат и локализацию зоны фрикционного разрушения (износа) в тонком поверхностном слое (рис. 8.2). Окисли­тельно-восстановительные процессы в поверхностных слоях и диф­фузионные процессы в подповерхностных слоях приводят к тому, что поверхностный слой трущихся тел по своему атомно-молекулярному составу и частицы, отделяющиеся от трущихся тел, могут существен­но отличаться от состава и физико-механических свойств исходного материала (по данным А. Жерве и Ю.М. Лужнова). Степень отличия этих свойств во многом связана с режимом нагружения трущихся тел и получила название трибомутации.

В свою очередь, происходящие в зоне фрикционного контакта значительные термоциклические напряжения могут оказывать влия­ние и на фазовые превращения, происходящие в поверхностных сло­ях. Правильное и направленное использование этих явлений может во многом повлиять на процессы, связанные с приработкой трущихся тел, и, в конечном счете, на затраты энергии и материалов и продол­жительность работы узла трения.

Рис. 8.2. Схема составляющих линейного износа трущейся пары тел: I - менее сложная деталь, способная к более легкой замене (например, подшипник); II - более дорогая и трудно заменяемая деталь (например, коленчатый вал); п_п = п₁ + п₂ - предельный износ, состоящий из износа при обкатке п₁ и износа тел в процессе эксплуатации пары трения п₂; П1 = п'1 + п"1 - износ при обкатке, соответственно I и II деталей; п₂ = п'₂ + п"₂- износ в процессе эксплуатации, соответственно I и II деталей

Исследованиями И.В. Крагельского показано, что в процессе приработки устанавливается определенная для данной трибосистемы шероховатость, не зависящая от величины и характера первоначаль­ной шероховатости, полученной в результате технологической обра­ботки. Она определяется качеством используемого материала и со­ставом окружающей среды (воздуха, смазки и т.д.), а по своей вели­чине установившаяся шероховатость может оказаться как больше, так и меньше исходной, полученной при технологической обработке.

Схема формирования установившейся равновесной шерохова­тости приведена на рис. 8.3. Для очень гладких поверхностей боль­шую роль на фрикционное взаимодействие оказывает адгезионное взаимодействие между выступами трущихся тел. Молекулярное схва­тывание и вырыв части микровыступов приводят к образованию уже более высоких выступов (представленных в правой части рисунка). В результате этого процесса при формировании сил трения уменьшает­ся влияние адгезионных сил и начинают играть решающую роль де­формационные процессы, а высокие выступы при трении деформиро­ваться и срезаться. Таким образом, путем попеременного вступления в действие адгезионных и деформационных процессов достигается некоторая равновесная шероховатость, характеризующаяся реализа­цией минимума сил трения и интенсивности изнашивания.

В процессе приработки (рис. 8.1, 8.4) при трении выделяется большое количество материала трущихся тел, по своему объему поч-

ти соизмеримого с износом трущихся тел за весь срок нормальной эксплуатации уже приработанной трибосистемы. Во время приработки сглаживаются и в значительной степени «снимаются» несоответствия в конструкции узла трения, приобретенные как при изготовлении его деталей (например, такие, как несоблюдения в плоскостности, откло­нения в углах и диаметрах контактирующих тел), так и при сборке узла трения (недостаточная посадка, перекосы и т.д.).

*

Зона микрорезания

Рис. 8.3. Формирование равновесной шероховатости по И.В. Крагельскому

Нср,мкм

Рис. 8.4. Влияние времени приработки на высоту неровности Н_ср

(пара трения стальной вал — бронзовый вкладыш): 1 - Н_ср = 5,4 мкм;

2 - Н_ср = 0,5 мкм (трение по бронзовым вкладышам)

Во второй стадии изнашивания фрикционных пар (см. рис. 8.1) трение стабилизируется, интенсивность изнашивания снижается и в среднем остается практически неизменной. Исключением из этого мо­гут быть отдельные всплески на этой зависимости, вызванные наруше­ниями в режиме эксплуатации узлов трения. Например, при запуске двигателя, когда в узлы трения еще не попала смазка, или при работе с низкими температурами, когда в зоне трения реализуется режим мас­ляного голодания, или в условиях, когда увеличиваются внешние воз­действия, например, перегруз автомобиля или движение по крутому подъему. Эти всплески интенсивности изнашивания обычно бывают непродолжительными и поэтому не сильно искажают общую картину интенсивности изнашивания узлов трения машин. Однако они свиде­тельствуют о том, что к обслуживанию узлов трения машин в условиях эксплуатации следует относиться с большим вниманием, поскольку при длительной недооценке этих процессов они могут значительно повы­сить угол наклона кривой на участке 1-2 (см. рис. 8.1), т.е. привести к росту интенсивности изнашивания и сокращению периода нормальной эксплуатации узла трения. В процессе постепенного изнашивания тру­щихся тел увеличиваются зазоры в сочленениях машины, могут возни­кать перекосы и перераспределение усилий и нагрузок между парами трения. Это приводит к тому, что к концу этого периода износ трущихся тел несколько повышается, внешние воздействия увеличиваются, и период относительно стабильной работы узла трения заканчивается.

Третья стадия изнашивания начинается с момента, когда под действием динамических факторов резко увеличивается интенсив­ность изнашивания, достигая своей катастрофической величины, и узел трения выходит из строя (повреждается). Для разных материа­лов и конструкций узлов трения представленные выше стадии изна­шивания будут разными по величине и крутизне хода кривых, однако общий характер их по форме сохраняется.