Сучасні теорії й механізми зношування твердих тіл

1.1.1 Сучасні теорії й механізми зношування твердих тіл

Гідроабразивне зношування - це відділення з поверхні тертя матеріалу або його пластичне деформування під впливом твердих часток, що захоплюються потоком рідини, що супроводжується зміною розмірів тіла, що зношується. Цьому виду зношування зазнають трубопроводи, деталі бурових установок, земснарядів, польових машин, водного транспорту, турбін насосів, сопла й дефлектори дощувальних установок. Механізм і інтенсивність зношування матеріалів залежать від кута атаки  часток. Якщо а =90° (частки падають перпендикулярно до поверхні, що зношується), можливі наступні види зношування твердих тіл: крихке руйнування, зношування внаслідок пластичного деформування, перенаклеп з наступним відділенням матеріалу у вигляді лусочок. У цьому випадку найбільшу зносостійкість мають матеріали, здатні витримувати без руйнування багаторазові деформації (гума, полімери, полімеркераміка ), найменшої - тендітні (стекло, базальт). Зі зменшенням зростає роль мікрорізання й малоциклової втоми. У цьому випадку більш зносостійкими стають метали. Хімічна активність вологи також впливає на механізм зношування. Так, вода при терті сприяє прискоренню окиснення металу й утворенню вільного водню, що гарантує більш інтенсивне зношування. Експериментально встановлене, що підвищення твердості чистих металів і сталі викликає збільшення їх зносостійкості. Гідроабразивна зносостійкість пластмас нижче, чим металів. Однак на відміну від металів збільшення кута атаки абразивних часток приводить до підвищення їх зносостійкості, і по цій характеристиці полімерні матеріали (особливо гуми й поліуретани) наближаються до металів. Даний ефект пояснюється високим рівнем розсіювання енергії удару й релаксацією напруг, що виникають у поверхневому шарі полімеру при ударі частки. Ці фактори пов'язані з деформаційними властивостями полімерів, про що свідчить кореляція їх опору зношуванню з модулем пружності. Установлене, що незалежно від кута атаки абразивних часток їм при гідроабразивному зношуванні монотонно зменшується з ростом модуля пружності полімерних матеріалів. Таким чином, полімери мають перевагу в порівнянні з металами по гідроабразивній зносостійкості при більших кутах атаки й малої енергії удару, обумовленою масою й швидкістю часток абразиву. Особливо ефективне застосування полімерних матеріалів при гідроабразивному зношуванні в агресивних середовищах. Газоподібне зношування - це відділення з поверхні тертя матеріалу або його пластичне деформування під впливом твердих часток, що захоплюються потоком газу, що супроводжується зміною розмірів тіла, що зношується. Цьому виду зношування зазнають деталі пневмотранспортних обладнань, газових турбін, дезінтеграторів, гірничо-шахтного устаткування, молотки дробарок, обшивка літальних апаратів, лопатки вентиляторів, сопла піскострумінних автоматів, вихлопні труби. Кінетична енергія твердих часток витрачається на деформування, розігрівши й руйнування поверхневого шару деталі, що зношується, а також на трибохімічні реакції, емісію електронів і прискорення часток після удару. Механізм газоподібного зношування визначається структурою й механічними властивостями матеріалів, що зношуються, а також кутом атаки, швидкістю й розмірами абразивних часток. При малих кутах атаки, коли реалізується упругопластичний (матеріал з низькою твердістю) ковзний контакт абразивних часток з поверхнею, що зношується, частки зношування виникають у результаті багаторазового пластичного деформування матеріалу абразивом. На поверхні тертя утворюються витягнуті в напрямку V лунки (канавки), на краях яких розташовуються гребінці пластично деформованого матеріалу. Після багаторазових ударів абразивних часток і деформацій матеріалу відбувається його окрихчення й відділення від поверхні тертя. Таким чином, зношування є результатом пластичного деформування матеріалу і його малоциклової втоми. З підвищенням твердості матеріалу лунки стають менш глибокими, менший обсяг поверхневого шару зазнає деформаціям і наклепу. При цьому вплив пластичних деформацій і утоми на процес зношування знижується, що викликає зменшення І. В окремих випадках можливе мікрорізання з утворенням стружки. Ерозійне зношування - це процес відділення з поверхні твердого тіла часток матеріалу під впливом, що рухається щодо нього рідкого або газового середовища, що не містить абразивних часток, що супроводжується зміною розмірів цього тіла. Спостерігається ерозійне зношування при впливі високошвидкісного потоку рідини, газу або пари. Зокрема , цьому виду зношування зазнають відсічні крайки золотників, клапани гідроапаратури, не прироблені поршневі кільця двигунів (потік газів зношує метал у місцях нещільного прилягання кільця до циліндра), лопати гребних гвинтів, деталі літальних апаратів, сопла ракетних двигунів. Процес ерозійного зношування можна умовно розділити на два етапи. На першому етапі руйнування обумовлене тертям середовища, що рухається, про поверхню твердого тіла. Молекули газу або рідини, взаємодіючі з атомами поверхні твердого тіла, що й захоплюються потоками середовища, що рухається, "витягають" окремі атоми з поверхні, а згодом розхитують і вимивають окремі мікрообсяги матеріалу. Значно більш відчутний внесок у зношування вносить динамічна дія потоку. Воно обумовлене ударною дією молекул середовища на поверхню твердого тіла. Таке зіткнення супроводжується вириванням більших часток (груп зерен з несприятливою орієнтацією структурних утворів щодо діючої сили) і тому в більшій мірі визначає інтенсивність зношування. У пластичних матеріалах руйнування поверхні має місце лише на останній стадії, а в початковий період накопичуються мікропластичні деформації, матеріал наклепується. Коли вичерпується здатність металу до зміцнення, відбувається "вимивання" часток матеріалу. Таким чином, перший етап ерозійного зношування закінчується утворенням на поверхні тертя тріщин або поглиблень, що розташовуються в напрямку руху середовища. Він характеризується низькою інтенсивністю зношування. Другий етап обумовлений розвитком мікротріщин або інших дефектів поверхні, викликаним розклинюючою дією молекул середовища, що рухається, впроваджуються в обсяг цих дефектів з великою швидкістю. Ударна дія молекул обумовлена не тільки високою швидкістю потоку середовища, але й турбулентністю її руху поблизу дефектів поверхні. Розвиток мікротріщин можливо також внаслідок прояву ефекту Ребиндера. Цей етап характеризується більш високою інтенсивністю зношування. Найбільш істотний вплив на інтенсивність ерозійного зношування виявляє склад середовища, що рухається. Так, при згорянні бензину в камері внутрішнього згоряння утворюються пара, двоокис вуглецю, оксиди сірки й азоту, з'єднання хлору. Результатом взаємодії цих з'єднань є утворення вугільної, сарної, азотної й соляної кислот. Конденсація кислот на стінках циліндра, поршня й поршневих кілець приводить до ерозійно-корозійного зношування перерахованих деталей. Газовий потік сприяє відділенню продуктів корозії з поверхонь тертя і їх видаленню. Очевидно, що інтенсивність зношування в таких умовах значною мірою визначається хімічною активністю середовища. Ерозійне зношування ставиться до слабовивченим видам. Порівняно велика кількість досліджень виконана тільки по вивченню ерозії твердих тіл дощовими краплями. Тому про відносну зносостійкість різних класів матеріалів можна обіцяти по отриманих Р. Лангбейном даним про швидкість зношування твердих тіл краплями дощу (мал. 7.15). Видно, що найменшою стійкістю до зношування має скло й полімерні матеріали. Кераміка, незважаючи на високу крихкість, є більш зносостійкою. Максимальний опір ерозійному зношуванню виявляють метали, якщо середовище, що рухається, не є хімічно активною.

Рис 1.1. Швидкість зношування різних матеріалів краплями дощу

Кавітаційне зношування - це процес руйнування поверхневого шару твердого тіла рідиною, що швидко рухається зі змінною швидкістю, що містить пухирці газу (каверни), які схлопуються в поверхні цього тіла. Цьому виду зношування зазнають вузли тертя, що працюють в умовах гідродинамічного змащення; лопатки гідротурбін; деталі гідроапаратури, насосів і гребних гвинтів; трубопроводи; зовнішні поверхні циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, охолоджуваних водою; корпуса судів, торпед і підводних човнів. Кавітація являє собою спостережуваний в обсязі рідини процес зародження, росту й схлопування каверн - замкнених порожнин (пухирців),які можуть містити газ або пара. Вона виникає при зниженні тиску в обсязі рідини. Існує кілька класифікацій кавітації, кожна з яких різниться принципом, покладеним у її основу. За умовами виникнення й фізичним особливостям розрізняють наступні види кавітації: що переміщається (пухирці рухаються разом з рідиною); приєднана (потік рідини відривається від границі твердого тіла з утвором порожнини, що містить дрібні нестаціонарні каверни); вихрова (пухирці утворюються в центрі вихрів, що виникають у зонах, де мають місце більші дотичні напруження, наприклад на кінцях лопат гребних гвинтів вібраційна (виникає внаслідок вібрацій поверхні твердого тіла або пульсації тиску в рідині). За умовами прояву розрізняють кавітації: профільну (потік рідини відривається від обтічного профілю й утворює каверни), щілинну виникає при русі рідини через зазор), зривну (утворюється при обтіканні нерівностей поверхні, що зношується). Процес кавітаційного зношування включає три стадії: зародження й ріст І кавітаційних пухирців, їх схлопування й гідродинамічний удар. Виникнення кавітації, тобто перехід локальних обсягів рідини в пароподібний стан, можливо шляхом зниження статичного тиску або підведення до неї теплової, електричної або іншої енергії. Розглянемо ці стадії на прикладі кавітації в потоці рідини, що рухається по каналу зі змінним перетином. Зміна перетину може бути викликана звуженням каналу (сопла, канали турбомашин, улита насоса) або наявністю перешкоди розташованого в потоці рідини (трубопроводи, що містять клапани й розподільні обладнання, витратоміри проточного типу, сполучення, у яких товщина зазору порівнянна з максимальною висотою виступів шорсткуватої поверхні). При обтіканні перешкоди швидкість руху й динамічний тиск рідини збільшуються, а статичний тиск падає до величини, що забезпечує паротворення. Розрив суцільного потоку й інтенсивне паротворення відбуваються в тих областях, де нерозчинений газ або неконденсована пара, завжди наявні в рідині, знижує на 3, 4 порядка її міцність на розрив (теоретично вона може досягати 1000 МН/м'). Ці області утворюють ядра кавітації / (мал. 1.3) які, потрапляючи в зону низького статичного тиску, виростають у навігаційні пухирці 2 - порожнечі, заповнені пором або газом (повітрям). Повітря, що виділяється з рідини, або газ полегшує утворення пухирців. Однак у пухирці зміст газу незначно вище, чим у рідині, оскільки час його існування становить мікросекунди, а цього недостатньо для помітної дифузії газу або повітря через рідину до каверн. Останні, розміром порядку десятків мікрометрів, переміщаються потоком рідини, збільшуючись у розмірах. При досягненні максимального розміру пухирця потенційна енергія W_н навколишньої його рідини

де Нт- радіус каверни; рк -тиск навколишньої каверну рідини; рн тиск насичених пар у пухирці.

Після обтікання нерівності (збільшення перетину каналу) швидкість руху рідини зменшується, а статичний тиск росте. Тут відбувається конденсація пари й розчинення газу, що супроводжуються схлопуванням пухирця. При цьому запасена потенційна енергія перетворюється в кінетичну енергію молекул рідини. Це сприяє виникненню надлишкового тиску, нагріванню локальних ділянок поверхні твердого тіла й протіканню хімічної й електрохімічної корозії.

Однак визначальним результатом схлопування кавитаційних пухирців є механічний вплив рідини на поверхню твердого тіла, що приводить до її руйнування. Багаторазовий вплив мікроструменів описаного характеру на ту саму ділянка поверхні приводить до локального руйнування поверхні твердого тіла.

При впливі на метал розбудовуються пластичні деформації й з'являються лінії зрушення по границях зерен, а згодом утворюються ультрамікротріщини, які, розбудовуючись, приводять до викрошування часток матеріалу й появі поглиблень.

При пластичному деформуванні на поверхні тіла, що зношується, з'являються поглиблення, які збільшуються, тому що кожне з них концентрує (фокусує) ударні хвилі від наступного схлопування пухирців.

На краях поглиблень утворюються ободки пластично деформованого матеріалу, які, досягши критичного обсягу, відділяються від тіла, що зношується. У результаті поверхня твердого тіла покривається поглибленнями у вигляді видавлених кратерів.

Швидкість плину рідини визначає розміри й частоту утвору пухирців і, отже, інтенсивність кавітаційного зношування.

Втомне зношування - це процес руйнування поверхні тертя твердого тіла, викликаний повторно діючими циклами напруг (деформацій), амплітудне значення яких не перевищує межі міцності матеріалу. Виникає в результаті багаторазового пластичного або пружного відтискування матеріалу, що зношується тіла, що впровадилися нерівностями тіла, що сполучається з ним контр. тіла.

Цього виду зношування зазнають підшипники кочення й ковзання, шейки колінчатих валів, кулачкові механізми, зубчасті передачі гальмові й фрикційні диски.

Основні положення втомної теорії зношування

Згідно з втомною теорією, зношування обумовлене наявністю наступних факторів:

• дискретним характером взаємодії тертьових тіл, тобто взаємодією нерівностей контактуючих поверхонь на дискретних ділянках, що утворюють фактичну площу контакту;

• багаторазово повторюваними імпульсним тепловим впливом і деформаціями локальних обсягів матеріалу поверхневого шару в зонах контакту з нерівностями контр тіла;

• наявністю мікродефектів структури і їх акумуляцією в поверхневому шарі тіла, що зношується, у процесі тертя;існуванням характерного для кожного матеріалу граничного стану, що визначає умови його руйнування (наприклад, гранична щільність енергії, накопиченої в локальному обсязі).

Окисне зношування - це процес зміни лінійних розмірів тертьових тіл, обумовлений руйнуванням оксидних плівок, безупинно поновлюваних внаслідок взаємодії активного пластично деформуючого поверхневого шару металу з киснем повітря або мастильного матеріалу. Окисне зношування є частковим випадком корозійно-механічного. Протікає воно в умовах, коли метал вступає в хімічну реакцію з окиснювачами навколишнього середовища або мастильного матеріалу. Окисне зношування відбувається, коли швидкість утвору плівок оксидів більше або дорівнює швидкості їх руйнування. А якщо ні, то можливе протікання інших видів зношування, наприклад адгезійного. Цьому виду зношування зазнають підшипники кочення, шарнірно-болтові з'єднання, металеві колеса фрикційних передач, поршневі палаци двигунів, деталі гідравлічних насосів і двигунів внутрішнього згоряння. Про існування кореляції між інтенсивністю зношування й процесом окиснення свідчать результати вивчення впливу нормального навантаження на /_m і зміст у продуктах зношування оксидів заліза Fe₂O₃ і FeО, що охороняють чистий метал від ушкодження. Видне, що максимальної інтенсивності зношування (мал. 1.5, а) відповідає мінімальний зміст у частках зношування Fе₂О₃ і максимально - чистого металу (мал. 1.5). Це свідчить про істотний вплив на 1_m адгезионного зношування контакту, що має місце на ділянках, слабко захищених оксидами. Мінімальна інтенсивність зношування спостерігається тому випадку, якщо товщина плівки Fe₂O₃ достатня для захисту основного металу від схоплювання. При цьому зміст Fe₂O₃ у продуктах зношування перевищує 60 %.

Рис 1.4 Вплив тиску на інтенсивність зношування середньовуглецевої сталі (а) і склад часток зношування (б), що утворюються мри терті її по твердій хромистій сталі.

Зношування в наслідок пластичної деформації. Цей вид зношування являє собою зміна розмірів і форми тертьового тіла в результаті пластичної деформації поверхневого шару або окремих його ділянок. Часто цей вид зношування називають зминанням Зминанню зазнають сідла кульових клапанів, зуби шестірень, нарізні сполучення, бандажі коліс залізничного транспорту, голівки рейок підшипники ковзання, виконані з м'яких сплавів, дріт, що простягається через фильєру меншого діаметра. Найбільше часто цей вид зношування спостерігається при низьких швидкостях. Ковзання й високих навантаженнях, тобто при умовах, коли температура фрикційного нагрівання поверхневого шару недостатня для виникнення схоплювання й заїдання тертьових тел. Зминання має місце й при високих швидкостях ковзання, що приводять до нагрівання поверхневого шару тертьового тіла до високих температур. Однак у цьому випадку поверхні тертя тіл, що сполучаються, повинні бути розділені високоміцною оксидною або мастильною плівкою. Найчастіше, особливо при відсутності мастильного матеріалу в зоні тертя, зминання переходить у заїдання. Пластична деформація, що викликає плин матеріалу, може відбуватися як на локальних ділянках контакту, так і поширюватися на весь обсяг деталі. Найбільш характерне зминання для деталей з м'яких металів і сплавів. Зминання є однією із причин, що стримують застосування полімерів і композитів на їхній основі у вузлах тертя, що працюють у режимі "пуск - зупинка". Яскраво виражені реологічні властивості цих матеріалів сприяють розвитку значних по величині контактних деформацій і зближенню контактуючих деталей при нерухливому контакті. Це й свою чергу є причиною збільшення товщини, що утягується в пластичну деформацію поверхневого шару при перехід до динамічного тертя. Зминання, хоча й меншою мірою, спостерігається навіть у тендітних матеріалів, що є результатом одночасного впливу високих механічних навантажень і локальних температур на фрикційному контакті, водневе зношування.

Це процес насичення воднем під поверхневого шару металу при терті, що супроводжується утвором численних мікротріщин і диспергуванням металу в інтенсивно деформуючій зоні. При перенасиченні металу воднем можливо його зношування внаслідок грузлого плину поверхневого шару. Цьому виду зношування зазнають сталеві й чавунні деталі при терті про воднемісткий матеріал або у воднемісткому середовищі. В якості такого матеріалу можуть служити композитні матеріали на основі полімерів, а в якості середовища - мастильні матеріали, розкладання яких супроводжується виділенням водню. Слід відрізняти водневе зношування диспергуванням при терті від водневого окрихчення металу при об'ємному навантаженні. В останньому випадку об'ємне руйнування зразка відбувається й результаті росту магістральної тріщини. Водневе окрихчення характеризується також більш низкою. чим при водневому зношуванні, концентрацією водню й більш рівномірним його розподілом за обсягом зразка. Другий механізм руйнування сполучений з переходом поверхневого шару сталі у в’язкотекучіший стан при температурах (порядку 800 *З). значно менших температури плавлення й близьких до температури фазового  перетворення. Уважається, що при перенасиченні воднем зникаючої -фази послабляються міжатомні зв'язки виникає грузлий плин металу. При цьому відбувається "намазування" металу на поверхню контр тіла. Зменшення інтенсивності водневого зношування можливо шляхом легування стали ванадієм, хромом і піаном, застосуванням мастильних матеріалів, мало підданих гідрогенізації, наповненням кому нош юний металами. Структурно-фазовий склад обумовлює розвиток контактному пружно - пластичної деформації і яка відіграє визначальну роль у протіканні процесів адсорбції, дифузії й топохімічих реакцій у матеріалі при терті.

Процеси структурної активації при цьому визначаються кінетикою зародження й руху не доскональному кристалічної будові контактній зоні деформації [14]. Для зменшення кількісного рівня структурно - термічної активації при терті діючим є застосування методів зміцнення [19]. Відомі численні спроби зв'язати результати зносу з вихідними характеристиками фізико-механічних властивостей, хімічного складу й структури матеріалів пари тертя [15-18]. В окремих випадках шляхом спеціального моделювання умов такий зв'язок вдавалося встановити, але спроби поширити отримані закономірності на більш широкий діапазон умов зношування не мали успіху [15,17]. Вплив легування на фазовий склад, як поверхневих шарів покрити , так і на утвір вторинних структур вивчене не досить. Вирахуванні опосередковані дані й, у першу чергу, результати випробувань на знос, свідчать про те, що зі зміною фазового складу покриттів, змінюється й хімічний склад вторинних структур. Оскільки інтенсивність зношування є, як відомо, структурно почуттєвою характеристикою, можна зробити висновок, що це обумовлене в першу чергу зміною хімічного складу вторинних структур [22]. Однак прямих досліджень по цім питанню виконане мало. У роботах [14,19] з позицій системного підходу запропонована теоретична модель підвищення зносостійкості на основі інтеграції сучасних досягнень матеріалознавства, трибології, технологічних і конструкційних положень структуроутворення, яке відповідає умовам стійкого прояву режиму структурної пристосованості. При цьому показане, що принциповим напрямком проблеми підвищення зносостійкості є усунення, що ушкоджується, яка реалізується на базі трибологічного забезпечення оптимальної сумісності матеріалів і створення структурних умов антифрикційності . Крім того, другим напрямком підвищення опору зносу є зниження інтенсивності зношування за рахунок створення вторинних структур із заданими властивостями. Загальної для них буде поверхнева локалізація ультрадисперсної будови, здатність мінімізувати руйнування поверхневого шару й екранувати не припустимі процеси скрипіння.

Одержання на контактних поверхнях вторинних структур із заданими властивостями суттєво залежить від хімічного складу застосовуваних компонентів, що, як показано, вибираються на базі основних положень триботехнічного матеріалознавства й теорії легування [20]. Підвищення зносостійкості поверхневих шарів і розширення діапазону структурної пристосованості при терті може бути обумовлене так само впливом певних конструкторських і технологічних засобів, які визначають склад і будова покрити й виявляють собою, з одного боку, керування навколишнім середовищем за рахунок використання масел (олив), які містять хімічні й поверхнево-активні домішки, створення позитивного градієнта механічних властивостей; додавання хімічно активних високотемпературних модифікаторів; застосування твердо- мастильних матеріалів; утвір на робочих поверхнях фаз і з'єднань, які легко плавляться; з іншого боку - за рахунок внутрішньої перебудови структурно-фазового складу поверхневих шарів і цілеспрямованого додавання легантив; сумісності матеріалів; застосування спеціальних методів термічної обробки й створення аморфно-кристалічних структур [7]. Таким чином, стабілізація фазового складу й внутрішньозернової структури покрити може здійснюватися шляхом раціонального з'єднання конструкторських і технологічних засобів з обліком трибологічних і матеріалознавських положень, які дозволяють керувати будовою й властивостями матеріалів пари тертя в потрібному напрямку й регулювати температуру зони тертя, забезпечуючи в процесі експлуатації умови перехід до режиму структурно-енергетичної пристосованості.