Зношування. Види, характеристики і закономірності процесу

Для дослідження процесу зношування необхідно мати уяву про основні поняття, які використовуються при вивченні явищ, що відбуваються при контакті та відносному переміщенні тіл, а саме: про поняття зовнішнього тертя, сил тертя, мащення, зношування і зносу.

Зовнішнє тертя – явище опору відносному переміщенню, що виникає між двома тілами в зонах стикання поверхонь по дотичних до них, яке супроводжується дисипацією енергії.

Дисипативність процесу тертя характеризується перетворенням зовнішньої роботи, витраченої на подолання сил тертя, у теплову, хімічну, електричну, електромагнітну та інші види енергії. Незначна частина роботи тертя витрачається на збільшення внутрішньої енергії поверхневих шарів контактуючих тіл (не більше кількох відсотків).

Зовнішнє тертя класифікується залежно від особливостей відносного руху і наявності мастила на поверхнях тертя (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Класифікація видів тертя

Ознака класифікації	Вид тертя
Наявність відносного руху	Тертя спокою і тертя руху
Характер відносного руху	Тертя ковзання, тертя кочення, тертя кочення з проковзуванням
Наявність мастильного матеріалу	Тертя з мастильним матеріалом і тертя без мастильного матеріалу

Сила тертя – сила опору при відносному переміщенні одного тіла по поверхні іншого під дією зовнішньої сили, тангенціально спрямованої до спільної межі між цими тілами.

Мащення – дія мастила, внаслідок якої між двома поверхнями зменшується сила тертя і (або) інтенсивність зношування.

Зношування – процес відокремлення матеріалу від поверхні тертя твердого тіла і (або) збільшення його залишкової деформації в умовах тертя, що виявляється в поступовій зміні розмірів, форми і (або) маси тіла.

Знос – наслідок зношування, який визначається в прийнятих одиницях – довжини, об'єму, маси тощо.

Взаємодія тіл при зовнішньому терті локалізована в дуже тонких поверхневих шарах. Фізико-механічні й хімічні властивості цих шарів відрізняються від аналогічних властивостей основного матеріалу тіл. Ця різниця пояснюється, в основному, змінами в поверхневих шарах, які відбулися в процесі механічної обробки, а також під впливом тертя.

Для з'ясування механізму зношування розглядають параметри, якими характеризуються поверхні деталей машин.

Комплекс властивостей, наданих поверхні тіла (деталі) у результаті її обробки, називається якістю поверхні.

Якість поверхні деталей визначається геометричними параметрами, залишковими напруженнями, структурою і зміцненням.

Геометричні параметри характеризують відхилення форми реальних поверхонь від ідеальних (за кресленням).

Розрізняють такі основні види відхилень форми поверхонь: (Рис. 2.2) макровідхилення, хвилястість, шорсткість.

Рис. 2.2. Схема відхилень форми поверхні твердого тіла: 1 – поверхня за кресленням; 2 – макровідхилення; 3 – хвилястість; 4 – шорсткість

Макровідхилення – це нерегулярне відхилення поверхні в цілому від заданої форми (овальність, конусоподібність та ін.).

Хвилястість – періодичні хвилеподібні мікровідхилення від геометричної форми у вигляді практично однакових за розмірами виступів і западин як у поздовжньому, так і в поперечному напрямах. Характеризується кроком хвилі та її висотою. Крок хвилі коливається в межах 0,25...14 мм, висота досягає 15 мкм.

Шорсткість – сукупність мікровідхилень геометричного профілю поверхні. Нерівності розташовані без певної закономірності, відстань між їх вершинами в багато разів менша від кроку хвилі хвилястості.

Залишковими напруженнями називають ті, які проявляються в матеріалі (металі) після припинення зовнішнього впливу силового і (або) температурного. Це залежить від способу обробки. Розрізняють гартівні, зварювальні, шліфувальні та інші залишкові напруження.

Наприклад, при механічній обробці металів на поверхневий шар деталі впливають сили, які виникають при різанні. Це викликає нагрівання поверхневого шару та його пластичне деформування. Середня температура поверхневого шару сталі при шліфуванні становить 300...400°С, а самої поверхні – 800...850°С.

Температури того ж порядку характерні і для швидкісного точіння. Нагрівання поверхневого шару металу викликає утворення в ньому після охолодження температурних напружень розтягу (рис. 2.3, а). Пластична деформація металу сприяє розвитку напружень стиску (рис. 2.3, б).

а) б)

Рис. 2.3. Епюри залишкових напружень у поверхневому шарі металу: а – напруження розтягу; б – напруження стиску; де s – напруження; h – відстань від поверхні

При сумісній дії температурного й силового факторів знак залишкових напружень в поверхневому шарі визначається впливом переважаючого фактора.

Наприклад, при фрезеруванні з різними швидкостями різання в поверхневому шарі можуть виникнути як стискуючі, так і розтягуючі напруження. Малі швидкості різання сприяють виникненню стискуючих залишкових напружень.

Залишкові напруження суттєво впливають на експлуатаційні властивості робочих поверхонь, оскільки вони алгебраїчно додаються до зовнішніх (робочих) напружень і можуть їх збільшити (або зменшити). Найнебезпечнішими вважаються розтягуючі напруження, які найчастіше приводять до зниження втомної міцності деталей.

Вплив силового й температурного факторів викликають також структурні та фазові зміни в поверхневому шарі матеріалу деталей, що обумовлює неоднорідність його будови. На поверхні шару матеріалу атоми мають вільні, неврівноважені зв'язки і більшу активність, ніж атоми всередині. Це створює в поверхневих шарах атомне (молекулярне) тяжіння мікрочастинок інших речовин із зовнішнього середовища. Відбувається адсорбція – утворення на поверхні плівки з газів, вологи, мастила і (або) абсорбція - поглинання цих речовин поверхнею. Крім цього, через вплив атмосферного кисню поверхня вкривається плівкою окислів. Під плівками є метал, який залежно від відстані до поверхні має різний ступінь деформації та зміцнення. Схематичну будову поверхні стальної шліфованої деталі і характер зміни мікротвердості поверхневого шару із глибиною наведено на рис. 2.4.

Залежно від виду і режиму обробки, матеріалу, мастильно-охолоджу-вальної рідини глибина поверхневого шару становить від 0,2 мкм (при поліруванні) до 2,0 мм (при чорновому точінні).

Складність процесів, які відбуваються при контактуванні тіл, обумовлює до виникнення різних теорій зовнішнього тертя: механічної, молекулярної, молекулярно-механічної, енергетичної та ін.

Найбільшого розвитку в інженерній практиці набула молекулярно-механічна теорія, запропонована І. В. Крагельським. Ця теорія базується на уявленні про двоїсту (молекулярно-механічну) природу тертя і дискретність контакту поверхонь при терті.

Рис. 2.4. Схема будови поверхневого шару шліфованої деталі (а) і зміна мікротвердості цього шару (б): 1 – адсорбована плівка газів, вологи і забруднень; 2 – плівка окислів; 3 – неклепаний шар з дуже деформованою кристалічною граткою; 4 – наклепаний шар з спотвореною кристалічною граткою; 5 – шар з природною початковою структурою; h – глибина шару

Розгляд контактування поверхонь з позиції молекулярно-механічної теорії дає таке уявлення про протікання цього процесу.

Внаслідок неминучої наявності макро- і мікровідхилень та хвилястості взаємне зіткнення двох оброблених поверхонь деталей, що контактують, відбувається не по номінальній площі , а тільки по її частині (рис. 2.5).

У зіткнення звичайно входять найвищі мікронерівності, сумарна площа контакту яких називається фактичною А_факт. Внаслідок деформацій мікронерівностей утворюються плями дотику, які становлять контурну площу дотику А_кон. Фактична площа контакту дорівнює сотим чи десятим часткам відсотка від номінальної площі, а контурна – кільком відсоткам.

Рис. 2.5. Схематичне зображення різних площ контакту: фактична (1) Афакт та контурна (2) Аконт площі контактування

При переміщенні однієї поверхні відносно другої плями дотику переміщуються, зникають або знову з'являються. Взаємодію виступів, що утворюють плями дотику поверхонь тертя, називають фрикційними зв'язками.

Тертя з точки зору молекулярно-механічної теорії – це процес подолання фрикційних зв'язків. Виникнення і порушення цих зв'язків обумовлює процес зношування.

За класифікацією І.В. Крагельського при взаємодії поверхонь розрізняють п'ять видів фрикційних зв'язків (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схематичне зображення фрикційних зв'язків при взаємодії поверхонь (а, б, в, г, д)

Вид фрикційного зв'язку визначається за відношенням глибини впровадження h одиничної нерівності до її радіуса кривизни R,а також за градієнтом механічних властивостей dτ/dh, що характеризує різницю міцності адгезійного зв'язку поверхневих шарів контртіла від міцності розташованих приповерхневих шарів (τ – опір зсуву).

При першому виді фрикційного зв'язку (рис. 2.6, а) здійснюється мікрорізання. Умовою протікання цього процесу є співвідношення h/R> 0,1 для незмащених поверхонь і h/R> 0,2–0,3– при наявності мастила. Мікрорізання потребує значних тисків для глибокого впровадження одиничної мікронерівності. При нормальних умовах роботи сполучень деталей мікрорізання практично не спостерігається.

Пластичне деформування (другий вид зв'язку) проявляється за умови h/R <0,1 (рис. 2.6, б). Поверхневий шар деталі при такому деформуванні зміцнюється, мікронерівності вигладжуються. Сили адгезії при цьому незначні.

Третій вид фрикційного зв'язку належить до пружного відтиснення матеріалу, тобто на контактуючих поверхнях здійснюється взаємодія в умовах пружної деформації – h /R <0,01 (рис. 2,6, в).

При четвертому виді зв'язку (рис. 2.6, г) виникає адгезійна взаємодія плівок, що утворюються на поверхнях тертя деталей. Цей вид фрикційного зв'язку відомий як позитивний градієнт механічних властивостей dτ/dh>0, коли поверхневі шари матеріалу (плівки) мають меншу міцність, ніж шари розташовані на певній глибині. Руйнування поверхонь локалізується в поверхневих шарах матеріалу або плівках, що виникли (або створені) на поверхні деталі. Якщо поверхні деталей, що контактують, мають позитивний градієнт механічних властивостей, то їх пошкодженість найменша.

За п'ятим видом фрикційного зв'язку (рис. 2.6, д) здійснюється схоплювання поверхонь, яке супроводжується глибинним "вириванням" матеріалу менш міцної поверхні. Для виникнення схоплювання основних матеріалів необхідні достатня величина міжмолекулярних (атомних) сил і попереднє руйнування плівок на поверхні деталей.

Перші три види фрикційних зв'язків характеризують механічну взаємодію поверхонь, четвертий і п'ятий – молекулярну.

Перераховані фрикційні зв'язки практично не існують відокремлено, найчастіше при контактуванні поєднується декілька їх видів. Складність вивчення та опису процесу зношування полягає в тому, що утворення й руйнування фрикційних зв'язків супроводжуються так званими перехідними процесами, виникненням локальних температур, адсорбційним насиченням поверхні тертя елементами з навколишнього середовища, від контртіла та хімічною взаємодією (окисленням) тощо.

Незважаючи на складність і різноманітність процесів, що впливають на зношування поверхонь, є основні, які переважають у даних конкретних умовах тертя. Вони визначають вид зношування і характер зносу поверхонь. Наприклад, за ДСТУ 2823, для уніфікації уявлень про основні процеси при зношуванні їх класифікують на три основні групи (табл. 2.2).

Таблиця 2.2. Види зношування

Ознака класифікації	Вид
Механічне зношування	Абразивне, гідро-газоабразивне, гідро-газоерозійне, кавітаційне, утомне, фретингове, адгезійне
Механохімічне зношування	Окиснювальне, фретинг-корозійне
При дії електричного струму	Електроерозійне

Механічне зношування – це зношування в результаті механічної дії. Руйнування поверхневого шару матеріалу відбувається в процесі силового впливу з боку зовнішнього середовища, яке рухається відносно поверхні тіла, рідини та ін. Різновиди механічного зношування обумовлені специфічними явищами, які викликають руйнування робочих поверхонь, а саме:

абразивне – механічне зношування матеріалу внаслідок різальної або дряпаючої дії на нього твердих частинок, які перебувають у вільному або закріпленому стані;

гідроабразивне (газоабразивне)відбувається внаслідок дії твердих частинок, що їх переносить поток рідини (газу);

гідроерозійне (газоерозійне)– механічне зношування в результаті дії потоку рідини (газу);

утомне – механічне зношування внаслідок руйнування від утоми в умовах багаторазового деформування мікрооб'ємів матеріалу поверхневого шару;

кавітаційне – механічне зношування в умовах руху твердого тіла відносно рідини, коли утворені в рідині парогазові бульбашки захлопуються біля поверхні, що призводить до створення локального високого тиску або температури;

фретингове – механічне зношування тіл, які перебувають у контакті в умовах коливальних відносних мікрозміщень;

адгезійне – механічне зношування при дії на контрповерхню нерівностей, які виникли в результаті схоплення, глибинного виривання та переносу матеріалу з однієї поверхні на іншу.

Механохімічне зношування відбувається через механічну взаємодію, яка супроводжується хімічною і (або) електрохімічною взаємодією матеріалу із середовищем. Різновиди цього зношування:

окиснювальне – механохімічне зношування, при якому основний вплив має хімічна реакція матеріалу з киснем або окислювальним навколишнім середовищем;

фретинг-корозійне зношування – механохімічне зношування контактуючих тіл при незначних коливальних відносних переміщеннях.

Електроерозійне – зношування матеріалу внаслідок дії на поверхню тертя розрядів електричного струму.

В умовах експлуатації деталі сільськогосподарських машин підлягають практично всім видам зношування, але окремі з них є переважаючими. Наприклад, абразивне зношення типове для робочих органів ґрунтообробних машин – лемешів, дисків та ін., деталей ходової частини – траків гусениць, котків та ін. Гідро-газоабразивне зношення спостерігається на деталях розпилювачів поливних установок, обпилювачів, водяних насосів.

Приклад гідроерозійного зношування – це руйнування робочих кромок золотників гідравлічних агрегатів, клапанів запірних та регулювальних пристроїв гідравлічних і парових систем.

Утомне зношування характерно для зубів шестерень та доріжок кочення підшипників.

Кавітаційному зношуванню підлягають зовнішні поверхні гільз циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, лопатки відцентрових насосів.

Фретингове зношування притаманне деталям нерухомих з'єднань типу корпус – підшипник, шліцьовий вал – шестерня.

Адгезійне зношування найчастіше спостерігається в парах тертя – ковзання (торцеві ущільнення гідросистем, колінчастий вал-вкладиш в умовах порушення режимів мащення).

Окиснювальне зношування відбувається в тому випадку, коли на контактуючих поверхнях виникають плівки окислів, які в процесі тертя руйнуються і знову утворюються. Цей вид зношування спостерігається в шарнірно-болтових з'єднаннях тяг і важелів механізмів керування.

Ковзаючі електричні контакти типу щітка-колектор є типовим прикладом з'єднання, де деталі зазнають дії електроерозійного зношування.

Розглянуті види зношення і пошкодження деталей машин не є вичерпними, оскільки з розвитком науки і техніки відбувається подальше вдосконалення понять і відповідно їх класифікацій.

Для оцінки зношування поверхонь тертя використовують регламентовані визначення характеристик процесу. До них належать поняття про граничні та допустимі зноси, швидкість та інтенсивність зношування.

Граничний знос – це знос, який відповідає граничному стану об'єкта або його складової частини.

Допустимий знос – знос, при якому об'єкт зберігає працездатність протягом установленого напрацювання (допустимий знос завжди менший від граничного).

Швидкість зношування – відношення величини зносу U до інтервалу часу t, протягом якого він виникає:

Інтенсивність зношування – відношення величини зносу до шляху тертя, уздовж якого відбувалося зношування, або до обсягу виконаної роботи.

Відповідно до одиниць виміру зносу розрізняють лінійну, об'ємну і масову інтенсивності зношування. Наприклад, лінійна інтенсивність зношування І_h розраховується за формулою:

, (2.1)

де ∆h=U_n – товщина зношеного шару, м; L – шлях тертя, де відбувається знос, м;

Для характеристики здатності матеріалу чинити опір зношуванню часто використовують термін "зносостійкість". Кількісно зносостійкість оцінюється величиною, яка є оберненою інтенсивності або швидкості зношування.

Визначення кількісних параметрів зносу, необхідних для характеристики вивчаємого процесу, здійснюється під час лабораторних досліджень, стендових та експлуатаційних випробувань. Залежно від призначення вимірювання зносу здійснюють одним з наведених основних методів: мікрометражним вимірюванням, зважуванням, визначенням продуктів зношування в мастилі, за допомогою поверхневої активації, вмонтованих датчиків та штучних баз та інші.

Метод мікрометражного вимірювання – найбільш поширений метод, який застосовується для виявлення динаміки і характеру зношування робочих поверхонь деталей. Він базується на визначенні зносу шляхом визначення розмірів деталей (або зразків) вимірювальними інструментами (мікрометрами, індикаторами та ін.) до і після зношування. Величина зносу визначається як різниця розмірів поверхонь деталей до і після зношування. До недоліків цього методу можна віднести наступне: необхідність розбирання вузла, складність повторювання вимірювання в одних і тих же точках, недостатня точність при невеликих значеннях зносу, значний вплив суб’єктивного фактору тощо.

Профілографування поверхонь – це графічне відображення мікротопографічного рельєфу зношеної поверхні за допомогою спеціальних приладів – профілографів. Отримані профілограми містять зображення поверхонь до і після зношування, обробка цих профілограм надає можливість визначити фактичний знос поверхонь.

Зважуванням визначається масовий сумарний знос поверхонь. Вимірювання складається з визначення різниці маси деталі до і після зношування. Недоліком методу є неможливість визначити значення зносу на різних поверхнях тертя та необхідність розбирати з'єднання.

Метод штучних баз полягає у визначенні зміни розмірів штучно нанесених заглиблень на поверхню, знос якої вивчається. Заглиблення виконують натисканням індентора (конусного або пірамідального) для отримання відбитків або вирізанням лунок. Найрозповсюдженим є метод вирізання лунок на поверхні тертя тригранним алмазним різцем, що обертається. На відміну від попереднього способу (нанесення відбитків), вирізання не створює напливів від тиснення, що надає більш реальну картину процесу, який досліджується.

Величина зносу плоскої поверхні з використанням вирізаних лунок (рис. 2.7) визначають за формулою:

, (2.2)

де ∆h – товщина зношеного шару (знос); h, h ₁ – відповідно глибина відбитка до і після зношування; ℓ, ℓ ₁ – відповідно довжина лунки до і після зношування; r – радіус, описаний верхівкою різця.

При визначенні зносу циліндричної поверхні користуються формулою:

, (2.3)

де R – радіус кривизни поверхні тертя на місці лунки.

Рис. 2.7. Схема визначення зносу методом вирізування лунок

У формулі (2.3) приймають знак "плюс" для опуклих, "мінус" – вгнутих поверхонь.

Для визначення зносу за вмістом продуктів зношування в мастилі періодично відбирають його проби з порожнин об'єкта, що експлуатується. Відібрані проби спалюються і за допомогою хімічного або спектрального аналізу золи спаленого масла визначається вміст елементів матеріалів, з яких виготовлені деталі. Цей метод не потребує розбирання вузла, але і не дає диференціювати знос різних поверхонь деталей з однаковим хімічним складом.

Метод визначення зносу деталей за допомогою поверхневої активації дає сталу інформацію про вузли діючих агрегатів, які зазнають тертя. Радіоактивність досягається опромінюванням деталей або установкою вставок у зони тертя. У першому способі продукти зношування виносяться маслом разом із радіоактивним ізотопом і проходять через лічильник імпульсів, що визначає радіоактивність масла, яка збільшується по мірі спрацьовування поверхонь деталей. При застосуванні вставок у процесі роботи і зношування активованої зони зменшується активність випромінювання, що реєструється спеціальною апаратурою.

Хід процесу зношування в часі має вигляд кривої залежності зносу u від часу t (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Залежність зносу від тривалості часу (обсягу робіт): І – стадія припрацювання; II – стадія нормальної роботи; IIІ – стадія аварійного зношування

Зношування відбувається в три стадії (періоди). На стадії І здійснюється припрацювання контактуючих поверхонь деталей (графік наводить зміни зносу тільки однієї з поверхонь). Ця стадія характеризується нестабільністю параметрів тертя, початковою високою швидкістю зношування du/dt, що обумовлено значними пластичними деформаціями нерівностей поверхневих шарів деталей, перебудовою технологічного мікрорельєфу поверхонь на експлуатаційний та зміною фізико-механічних властивостей.

Найтриваліша – стадія II. Ця ділянка кривої відповідає періоду нормальної роботи з'єднання після припрацювання. При нормальній роботі спостерігається стабілізація параметрів тертя, швидкість зношування відносно невелика і приблизно однакова і стала.

Знос деталей поступово спричиняє до погіршенню умов тертя при роботі з'єднань, у результаті чого швидкість зношування різко зростає. Цей період процесу зношування відповідає кривій на стадії III.

Криві зміни зносу в часі залежно від умов роботи деталей (виду з'єднання, фізико-механічних властивостей поверхонь тощо) можуть мати не всі три стадії вихідної (класичної) кривої, а дві або одну (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Приклади графіків процесу зношування: а – відсутня стадія нормальної роботи; б, в – відсутня стадія припрацювання

Представлення законів зношування в аналітичній формі – складне завдання і перебуває в процесі становлення.

Професор О. С. Проніков сформулював особливості, якими повинні характеризувати закони зношування. На його думку закони зношування в аналітичній формі – це залежність зносу від таких факторів:

– силових і кінематичних параметрів і, у першу чергу, від тиску на поверхню тертя і швидкості відносного ковзання (від факторів Р і V);

– параметрів, які характеризують склад, структуру і механічні властивості матеріалів трибосистеми;

– властивостей поверхневого шару деталей;

– видів тертя і мащення;

– зовнішніх умов, які впливають на процес зношування – температури, вібрації та ін.

Крім того, усі закономірності повинні описувати зміни зносу в часі.

Одна із загальних формул для розрахунку зносу u при множинному контакті за теорією І. В. Крагельського має вигляд:

, (2.4)

де К – стала, яка визначається формою і розташуванням по висоті одиничних нерівностей на поверхнях (звичайно К =0,2); – коефіцієнт перекриття, який залежить від відношення номінальної площі контакту А_a до фактичної А_r; h – глибина впровадження; R – радіус одиничної мікронерівності; Р_а, Р_r – відповідно тиск на номінальній А_а та фактичній А_r площинах контакту; п – кількість циклів, що приводять до руйнування об'єму, який деформується.

Відношення h/R визначає вид фрикційного зв'язку, умови тертя відношення Р_а/Р_r пов'язане з якістю поверхні, множник 1 /п характеризує опір втомі та вводить у рівняння часовий зв'язок.

Залежно від теорії контактування, матеріалів, пари тертя, умов роботи з'єднання, необхідної точності розрахунків, в теорії надійності розроблено методики та аналітичні вирази, за допомогою яких виконують інженерні розрахунки для багатьох видів зношування.