Навигация по таблицам
- Основная классификация видов износа
- Виды абразивного износа
- Характеристики адгезионного износа
- Механизмы усталостного износа
- Факторы влияющие на интенсивность износа
Основная классификация видов износа
| Вид износа | Механизм разрушения | Условия возникновения | Характерные признаки | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Абразивный | Механическое царапание и резание твердыми частицами | Наличие абразивных частиц между трущимися поверхностями | Царапины, риски, борозды в направлении движения | Горнодобывающее оборудование, сельхозтехника |
| Адгезионный | Схватывание и отрыв микрочастиц материала | Граничное трение, высокие контактные давления | Задиры, наволакивание материала, схватывание | Подшипники скольжения, поршневые группы |
| Усталостный | Накопление микротрещин при циклических нагрузках | Многократное повторное деформирование | Выкрашивание, питтинг, шелушение поверхности | Подшипники качения, зубчатые передачи |
| Коррозионный | Химическое взаимодействие с агрессивной средой | Присутствие коррозионно-активных веществ | Равномерная коррозия, язвенная коррозия | Морское оборудование, химическая промышленность |
| Эрозионный | Ударное воздействие потока частиц | Высокоскоростные потоки с абразивными частицами | Кратеры, волнообразные неровности | Лопатки турбин, трубопроводы |
| Кавитационный | Разрушение от схлопывания кавитационных пузырьков | Высокоскоростные потоки жидкости с перепадами давления | Мелкие точечные разрушения, губчатая поверхность | Насосы, гидротурбины, судовые винты |
Виды абразивного износа
| Подвид | Характер абразива | Механизм воздействия | Примеры оборудования | Методы защиты |
|---|---|---|---|---|
| Закрепленным абразивом | Твердые частицы жестко связаны с одной из поверхностей | Непрерывное резание и царапание | Шлифовальные машины, абразивный инструмент | Повышение твердости, специальные покрытия |
| Незакрепленным абразивом | Свободные частицы между трущимися поверхностями | Перекатывание и скольжение частиц | Дробилки, мельницы, транспортеры | Фильтрация, улучшение уплотнений |
| Газоабразивный | Твердые частицы в потоке газа | Ударно-абразивное воздействие | Пневмотранспорт, циклоны, дымососы | Резиновые футеровки, керамические покрытия |
| Гидроабразивный | Твердые частицы в потоке жидкости | Гидромеханическое разрушение | Землесосы, песковые насосы, гидротурбины | Износостойкие сплавы, полимерные покрытия |
Характеристики адгезионного износа
| Параметр | Характеристика | Влияющие факторы | Проявления |
|---|---|---|---|
| Температурный режим | Повышение температуры в зоне контакта | Скорость трения, нагрузка, теплопроводность | Изменение структуры металла, цвета побежалости |
| Сила адгезии | Межмолекулярное взаимодействие контактирующих поверхностей | Чистота поверхности, химический состав, кристаллическая структура | Схватывание, перенос материала |
| Пластическая деформация | Необратимые изменения формы в зоне контакта | Твердость материалов, величина нагрузки | Наклеп, упрочнение поверхностного слоя |
| Смазочные условия | Режим граничной или полужидкостной смазки | Вязкость смазки, скорость, нагрузка | Задиры, заедание при недостатке смазки |
Механизмы усталостного износа
| Стадия процесса | Механизм | Характерные особенности | Время развития |
|---|---|---|---|
| Зарождение микротрещин | Концентрация напряжений в дефектах структуры | Образование субмикроскопических трещин | 10-20% общего времени до разрушения |
| Развитие трещин | Циклическое раскрытие и закрытие трещин | Медленный рост трещин вглубь материала | 70-80% общего времени до разрушения |
| Окончательное разрушение | Достижение критического размера трещин | Выкрашивание частиц, образование раковин | 5-10% общего времени до разрушения |
| Питтингообразование | Слияние микротрещин и образование полостей | Характерные оспины на поверхности | Заключительная стадия процесса |
Факторы влияющие на интенсивность износа
| Группа факторов | Конкретные факторы | Влияние на износ | Способы регулирования |
|---|---|---|---|
| Эксплуатационные | Нагрузка, скорость, температура | Прямо пропорциональное увеличение износа | Оптимизация режимов работы |
| Материаловедческие | Твердость, структура, химический состав | Обратно пропорциональное влияние твердости | Термообработка, легирование, покрытия |
| Конструктивные | Точность изготовления, шероховатость | Снижение износа при улучшении качества | Прецизионная обработка, доводка поверхностей |
| Смазочные | Тип смазки, чистота, режим смазывания | Резкое снижение износа при качественной смазке | Выбор смазочных материалов, системы фильтрации |
| Внешней среды | Загрязненность, влажность, агрессивность | Ускорение коррозионно-механических процессов | Защитные покрытия, герметизация узлов |
Оглавление статьи
- Общая классификация видов износа по ГОСТ 27674-88
- Абразивный износ и его разновидности
- Адгезионный износ и механизмы его развития
- Усталостный износ в узлах трения
- Коррозионно-механические виды износа
- Факторы и механизмы влияющие на процессы изнашивания
- Методы защиты от износа и повышения износостойкости
Общая классификация видов износа по ГОСТ 27674-88
Изнашивание представляет собой процесс отделения материала с поверхности твердого тела и увеличения его остаточной деформации при трении, что проявляется в постепенном изменении размеров и формы тела. Согласно ГОСТ 27674-88 "Трение, изнашивание и смазка", износ является результатом изнашивания, выражаемым в установленных единицах длины, объема или массы.
Современная классификация видов износа основывается на механизме отделения продуктов износа от поверхности и условиях внешнего воздействия на поверхностный слой. По характеру воздействия различают три основные группы износа: механические, молекулярно-механические и коррозионно-механические.
Механические виды износа включают абразивный, усталостный и адгезионный типы, которые являются наиболее распространенными в промышленном оборудовании. Молекулярно-механические виды характеризуются сочетанием физико-химических процессов с механическим воздействием. Коррозионно-механические виды износа возникают при одновременном воздействии механических нагрузок и агрессивной среды.
Абразивный износ и его разновидности
Абразивный износ является одним из наиболее распространенных и разрушительных видов изнашивания в промышленности. Его сущность заключается в разрушении материала твердыми зернами абразива при пластическом деформировании и микрорезании трущихся поверхностей. Этот вид износа характерен для машин и оборудования горнорудного производства, строительной, дорожной и почвообрабатывающей техники.
Различают несколько разновидностей абразивного износа в зависимости от характера взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью. Износ закрепленным абразивом происходит, когда твердые частицы жестко связаны с одной из трущихся поверхностей и осуществляют непрерывное резание противоположной поверхности. Такой механизм типичен для шлифовальных операций и работы абразивного инструмента.
Износ незакрепленным абразивом характеризуется наличием свободных твердых частиц между трущимися поверхностями. При этом абразивные частицы могут перекатываться и скользить, вызывая менее интенсивное, но более равномерное изнашивание обеих поверхностей. Газоабразивный и гидроабразивный виды износа возникают при воздействии потоков газа или жидкости, содержащих твердые частицы.
Интенсивность абразивного износа определяется по формуле: I = Δm / (ρ × S × L), где:
I - интенсивность изнашивания, Δm - потеря массы образца, ρ - плотность материала, S - площадь изнашиваемой поверхности, L - путь трения.
Адгезионный износ и механизмы его развития
Адгезионный износ возникает при трении двух металлических поверхностей под нагрузкой в условиях пластической деформации металла в точках контакта. Развитие деформации сопровождается сближением поверхностей до активизации сил сцепления между атомами контактирующих металлов и возникновением адгезии на ограниченных участках.
Процесс адгезионного изнашивания можно разделить на несколько стадий. Первоначально происходит упругое, а затем пластическое деформирование микронеровностей контактирующих поверхностей. При достижении определенного уровня сближения атомы различных материалов начинают взаимодействовать, образуя адгезионные связи. Дальнейшее относительное перемещение поверхностей приводит к разрушению этих связей и отделению частиц материала.
Особенностью адгезионного износа является его зависимость от химического сродства контактирующих материалов. Металлы, образующие твердые растворы или интерметаллические соединения, проявляют высокую склонность к адгезионному схватыванию. Напротив, материалы с ограниченной взаимной растворимостью демонстрируют меньшую интенсивность адгезионного износа.
Температурный фактор играет критическую роль в развитии адгезионного износа. Повышение температуры в зоне контакта способствует активизации диффузионных процессов и увеличению площади фактического контакта. При этом снижается твердость материалов и возрастает их склонность к пластической деформации, что интенсифицирует процессы схватывания.
Усталостный износ в узлах трения
Усталостный износ характеризуется накоплением микроповреждений в поверхностных слоях материала при многократном повторном деформировании. Этот вид износа типичен для роликов и шариков подшипников качения, железнодорожных колес и рельсов, зубьев шестерен. Усталостный износ часто называют контактно-усталостным износом.
Механизм развития усталостного износа связан с циклическим воздействием контактных напряжений, которые вызывают попеременные упругие и пластические деформации в приповерхностных слоях материала. В результате многократного нагружения в структуре материала происходят необратимые изменения: накапливаются дислокации, образуются микротрещины, развиваются процессы субструктурных превращений.
Число циклов до разрушения определяется по уравнению Велера: N = C / σ^m, где:
N - число циклов нагружения, C - константа материала, σ - амплитуда напряжений, m - показатель степени (обычно 6-12).
Особенностью усталостного износа является его стадийность. На первой стадии происходит зарождение микротрещин в местах концентрации напряжений - включениях, границах зерен, дефектах структуры. Вторая стадия характеризуется медленным ростом трещин вглубь материала под действием циклических нагрузок. Третья, финальная стадия связана с достижением критического размера трещин и образованием макроскопических дефектов в виде выкрашивания, питтинга или шелушения поверхности.
Коррозионно-механические виды износа
Коррозионно-механические виды износа возникают при одновременном воздействии механических нагрузок и химически агрессивной среды. Этот тип изнашивания характеризуется значительно более высокой интенсивностью по сравнению с чисто механическим или коррозионным воздействием, взятыми по отдельности.
Коррозионный износ представляет собой разрушение поверхностных слоев твердых тел вследствие механических воздействий и влияния окружающей среды. Механическое воздействие способствует разрушению защитных пленок на поверхности металла, обнажая активную поверхность для протекания коррозионных процессов. В свою очередь, продукты коррозии могут действовать как абразивные частицы, интенсифицируя механический износ.
Фреттинг-коррозия является специфическим видом коррозионно-механического износа, возникающим при малых колебательных перемещениях контактирующих поверхностей под воздействием вибраций. Амплитуда этих перемещений обычно составляет от 0,025 до 250 мкм. Фреттинг-износ характерен для резьбовых, штифтовых, шлицевых и шпоночных соединений.
Особенностью коррозионно-механического износа является синергетический эффект, когда суммарная интенсивность разрушения превышает арифметическую сумму скоростей чисто механического и коррозионного воздействий. Это объясняется взаимным ускорением процессов: механическое воздействие активизирует коррозию, а коррозионные процессы снижают механические свойства материала.
Факторы и механизмы влияющие на процессы изнашивания
Интенсивность и характер изнашивания определяются комплексом взаимосвязанных факторов, которые можно объединить в несколько основных групп: эксплуатационные, материаловедческие, конструктивные, смазочные и факторы внешней среды.
Эксплуатационные факторы включают нагрузку, скорость относительного перемещения и температурный режим работы узла трения. Увеличение контактного давления приводит к росту фактической площади контакта и интенсификации всех видов изнашивания. Скорость скольжения влияет на тепловыделение в зоне трения и определяет режим смазывания. Температура оказывает сложное воздействие: с одной стороны, снижает твердость материалов, с другой - может способствовать формированию защитных пленок.
Материаловедческие факторы определяют сопротивление материала изнашиванию. Твердость является одним из важнейших параметров - для обеспечения эффективной защиты от абразивного износа твердость материала должна превышать твердость абразивных частиц в 1,2-1,3 раза. Структура материала, размер зерна, наличие упрочняющих фаз также существенно влияют на износостойкость.
Для большинства материалов справедлива зависимость: ε = K / H^n, где:
ε - интенсивность изнашивания, K - константа материала, H - твердость, n - показатель степени (обычно 0,5-1,5).
Конструктивные факторы включают точность изготовления сопряженных деталей, качество обработки поверхностей, макро- и микрогеометрию контактирующих поверхностей. Шероховатость поверхности оказывает двоякое влияние: слишком гладкие поверхности могут привести к адгезионному схватыванию, а чрезмерно шероховатые - к интенсивному абразивному изнашиванию.
Смазочные факторы определяют режим трения и во многом влияют на интенсивность изнашивания. Качественная смазка может снизить износ в сотни раз по сравнению с сухим трением. Тип смазочного материала, его вязкость, наличие противоизносных и противозадирных присадок критически важны для обеспечения долговечности узлов трения.
Методы защиты от износа и повышения износостойкости
Борьба с износом и повышение износостойкости оборудования может осуществляться различными методами, которые можно разделить на конструктивные, технологические, материаловедческие и эксплуатационные. Выбор оптимального метода зависит от вида износа, условий эксплуатации и экономических соображений.
Конструктивные методы включают рациональное проектирование узлов трения с учетом условий их работы. Применение роликовых и шариковых подшипников вместо подшипников скольжения, оптимизация геометрии контактирующих поверхностей, обеспечение равномерного распределения нагрузки - все это способствует снижению интенсивности изнашивания.
Технологические методы включают различные способы поверхностного упрочнения: термическую обработку, химико-термическую обработку (цементация, азотирование, нитроцементация), поверхностную пластическую деформацию, нанесение защитных покрытий. Каждый метод имеет свою область эффективного применения в зависимости от вида износа и условий эксплуатации.
Материаловедческие методы связаны с разработкой и применением износостойких материалов: специальных сталей, чугунов, цветных сплавов, керамики, композиционных материалов. Современные нанокомпозитные покрытия могут обеспечивать исключительно высокую износостойкость при малой толщине слоя.
Эксплуатационные методы включают правильный выбор смазочных материалов, поддержание оптимальных режимов работы оборудования, своевременное техническое обслуживание, контроль состояния узлов трения. Качественная смазка и ее регулярная замена могут кардинально изменить характер и интенсивность изнашивания.
