Изнашивание поверхностей деталей

 

Механизм и виды изнашивания

 

Изнашивание – это процесс разрушения или отделения материала с поверхности детали при трении.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (например, в мкм).

При сухом трении смазочный материал между трущимися поверхностями практически отсутствует. При этом наблюдается механическое зацепление микронеровностей и молекулярное взаимодействие поверхностей в зонах контакта. В этом случае сила трения выражается законом Амонтона-Кулона [12]:

 

 

,                                                      (2.1)

 

где  – нормальная сила;  – коэффициент трения скольжения.

 

Коэффициент  зависит от величины микро- и макро-неровностей поверхностей, скорости относительного их скольжения, физических свойств трущихся материалов и температуры. Величина коэффициента трения  “чистых” металлов для металлических пар лежит в пределах от 0,06 до 0,20.

При граничном (полусухом, полужидкостном) трении молекулы масла адсорбируются кристаллической решеткой металла, образуя несколько слоев упорядоченных молекул, толщиной около 0,1 мкм. Это позволяет несколько снизить пластические деформации металлов и уменьшить, таким образом, крайне негативные последствия сухого трения.

При жидкостном трении контакт поверхностей заменяется трением слоев смазки. Коэффициент трения выражается соотношением

 

 

 ,                                                   (2.2)

 

где  – коэффициент пропорциональности;  – коэффициент динамической вязкости;  – скорость относительного перемещения;  – нормальная сила.

 

Виды изнашивания деталей автомобиля следует квалифицировать согласно рис.2.1 [9,12].

 

4. Эрозионное

Виды изнашивания

5. Кавитационное

1.Механическое

2.Молекулярно-механическое

3.Коррозионно-механическое

1.1.

1.2.

1.3.

1.4.

2.1.

2.2.

3.1.

3.2.

 

Рис.2.1. Виды изнашивания деталей автомобилей

 

1. Механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий.

1.1.  Абразивное изнашивание проявляется вследствие попадания между трущимися поверхностями так называемых абразивных частиц. Эти частицы имеют большую твердость, чем твердость поверхность трения, пластически деформируют поверхность трения, образуя на них риски и царапины.

1.2.  Изнашивание при пластическом деформировании сопровождается изменением макрогеометрических размеров детали без потери массы под действием передаваемой нагрузки и под влиянием сил трения, что сопровождается перемещением металлов в сторону скольжения.

1.3.  Изнашивание при хрупком разрушении заключается в том, что поверхностный слой трущихся деталей в результате трения и деформирования (чаще многоциклового) подвергается интенсивному наклепу, становится хрупким и разрушается. Этот вид изнашивания первоначально происходит по механизму предыдущего вида изнашивания, но характерен более высокими нагрузками в контакте трения, что и приводит к образованию наклепа и последующему разрушению поверхностей деталей уже с потерей массы.

1.4.  Усталостное изнашивание (“питтинг”) заключается в образовании на поверхности трения усталостных трещин под действием повторных знакопеременных сил. Впоследствии микротрещины растут и выкрашиваются. При этом росту трещин и выкрашиванию в них материалов способствует смазка, работающая по механизму расклинивания.

2. Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате молекулярного взаимодействия трущихся поверхностей. Часто наблюдается при недостатке смазки, больших нагрузках, температурах и скоростях скольжения.

2.1.  Изнашивание схватыванием (схватывание первого рода). Заключается в микросваривании участков трущихся поверхностей, после последующего их взаимного перемещения возникшая связь разрушается.

2.2.  Адгезионное (тепловое) изнашивание (схватывание второго рода). Первые этапы идентичны предыдущему виду изнашивания, а далее схватывание контактирующих поверхностей разъединяется не в месте сваривания, а происходит с переносом части одного металла на поверхность другого (адгезия металла). При более жестких условиях трения трущиеся сварившиеся металлы вообще могут не разъединиться, что приводит к заклиниванию или полной потере подвижности контактирующих деталей.

3. Коррозионно-механическое изнашивание. Это механическое изнашивание, усиленное явлениями коррозии.

3.1.  Окислительное изнашивание. Под действием химически агрессивных сред (вода, неорганические и органические кислоты) на трущихся поверхностях образуются оксиды металлов. Суть коррозионных явлений в автомобилях подробно рассмотрена в разделе 3.3.5. Износостойкость оксидов существенно ниже износостойкости основных металлов. После выработки оксидов металлы оголяются и опять окисляются. В результате общий износ поверхностей деталей интенсифицируется.

3.2.  Фреттинг-коррозионное изнашивание характерно для поверхностей трущихся деталей, подверженных помимо окисления вибрациям. Частицы оксидных пленок не только истираются, но и отделяются с поверхностей, таким образом, увеличивается износ металлов.

4. Эрозионное изнашивание заключается в вырывании частиц материалов деталей с поверхностей, омываемых газами с высокой температурой и скоростью.

5. Кавитационное изнашивание происходит при омывании твердого тела жидкостью. Обусловлено местными изменениями давлений и температур.

 

Методы измерения износов

Наиболее практичным является метод искусственных баз или метод лунок, вырезанных на поверхности трения детали [3,9]. В процессе испытаний обмеряют геометрические характеристики лунки на новой детали и после ее демонтажа при определенном пробеге. По разнице в измерениях судят о реальных износах поверхностей (рис.2.3).

 

 

Рис.2.3. Измерение износов методом лунок

 

Величины износов  вычисляются для плоских поверхностей по выражению (2.3), для цилиндрических поверхностей с радиусом R – по выражению (2.4)

,                                                 (2.3)

,                                    (2.4)

где  – радиус лунки;  – длина старой лунки;  – длина изношенной лунки;  – искомый износ; “+” в формуле, если поверхность выпуклая; “–” вогнутая.

 

Широкое применение для измерения износов поверхностей деталей на заводах-изготовителях автомобилей нашел метод наложения макропрофилограмм (рис.2.3). Этот метод часто используется при обмере цилиндрических поверхностей и отверстий путем снятия и наложения макропрофилограмм новой и поработавшей детали.

2

1

3

 

Рис.2.3. Измерение износов методом наложения макропрофилограмм:

 

 – метка для совмещения;  – длина измеренного участка; 1 – в поперечном сечении;

2 – в продольном сечении; 3 – совмещенные профилограммы;         – до изнашивания;                       

      – после изнашивания

 

Существуют методы измерений износов деталей автомобилей по косвенным показателям. Это метод спектрального анализа, заключающийся в сжигании масляных проб в вольтовой дуге, сборе продуктов сгорания в призму и получении, за счет пучка света, интерференционной картинки, на которой примеси каждого металла имеют свой цвет, а по ширине линий спектра судят о количестве металла в масляной пробе и метод радиоактивных изотопов [3], основывающийся на изменении величины радиоактивного излучения при определенных износах после вскрытия радиоактивных вставок.