Разрушение материалов в процессе износа

Изнашивание различают механическое, коррозионно-механическое, электроэрозионное.

В результате процесса изнашивания происходит износ материала, проявляющийся в виде: схватывания при трении, переноса материала, заедания, задира, царапания, отслаивания и выкрашивания.

Значения износа, при котором изделие сохраняет работоспособность, называется допустимым износом. При определенной величине износа, называемым предельным, наступает отказ или предельное состояние изделия, после которого использование изделия должно быть прекращено.

Механическим называется изнашивание в результате только механических воздействий, оно бывает нескольких видов: абразивное, гидроабразивное, эрозионное, гидроэрозионное, газоэрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивания при фретинге и заедании.

Абразивное изнашивание происходит в результате режущего, царапающего или иного действия твердых тел или частиц. Абразивный износ наиболее резко проявляется, когда шероховатая, более твердая поверхность скользит по мягкому материалу. Разновидностью абразивного изнашивания являются гидроабразивное и газоабразивное. Гидроабразивным называется изнашивание, в результате воздействия твердых частиц или частиц, увлекаемых потоком жидкости. Гидроабразивному изнашиванию подвергаются детали насосов центробежного типа, арматура и т.д. Газоабразивным называется изнашивание материала в результате воздействия на него твердых тел или частиц, увлекаемых потоком газа (например, у воздушных насосов).

Эрозионным называется изнашивание материала, возникающее под воздействием трения и ударов высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Эрозионное изнашивание наблюдается в клапанах, золотниках, втулках, поршневых кольцах, форсунках и т.д. Если разрушение происходит в результате воздействия потока жидкости, то изнашивание называют гидроэрозионным, если в результате действия потока газа или пара – газоэрозионным. Эрозионное изнашивание часто сопровождается процессами коррозии, кавитацией, абразивным и другими видами разрушений.

Усталостным называется изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала. По мере увеличения числа циклов нагружения усталостное выкрашивание приводит к образованию раковин в узле трения. При этом возникают шум и вибрация в узлах трения, уменьшается величина несущей поверхности трущихся деталей, повышаются контактные напряжения, увеличивается пластическая деформация, возникает повышенный износ. Такой вид износа типичен для подшипников качения и шестерен.

Кавитационным называется изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела и жидкости в условиях кавитации. При этом виде изнашивания поверхностный слой подвергается высокочастотным локальным гидравлическим ударам в кавитационной области потока жидкости. Кавитационному изнашиванию подвергаются лопасти гребных винтов, колеса центробежных насосов и запорные устройства трубопроводов и т. п.

Кавитационное изнашивание наблюдается также в том случае, когда используется смазочное масло, недостаточно очищенное от пены. Образующиеся пузырьки газа разрушают поверхности подшипника и зубчатых колес и приводят к ускоренному их изнашиванию. Кроме того, кавитационные явления вызывают вибрации, стуки и сотрясения в системах. Это приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, снятию резьб, нарушению уплотнений, коррозионно-усталостным разрушениям поверхностей и усталостным разрушениям арматуры.

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате одновременного механического воздействия и молекулярных или атомных сил. Типичным видом этого изнашивания является изнашивание при заедании, когда происходит схватывание и глубинный вырыв материала, перенос материалов с одной поверхности трения на другую. Как правило, к заеданию приводит разрушение разделяющей масляной или окисной пленки. На заедание оказывают влияние нагрузки, скорость скольжения и качения, температура в зоне трения, шероховатость контактирующих поверхностей, материалы сопряженных деталей, физико-химические характеристики смазки, количество и качество присадок к основному маслу, способ смазки и другие факторы.

Коррозионно-механическим называется изнашивание при трении материала в агрессивной среде. Различают изнашивания окислительное и при фреттинг-коррозии.

Окислительным называется изнашивание при наличии на поверхностях трения защитных пленок, образующихся в результате взаимодействия материала со средой. Оно наблюдается тогда, когда соприкасающиеся поверхности подвержены воздействию кислорода воздуха или кислорода, содержащегося в смазке. Процессы разрушения и образования пленок приводят к износу материала. Если при этом твердость пленки выше твердости основного металла, то к окислительному изнашиванию добавляется абразивное.

Фреттинг-коррозия – это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных перемещениях. Чаще всего фреттинг-коррозия развивается при различных прессовых посадках на вращающихся валах, в местах посадки лопаток турбин и компрессоров, в шлицевых, шпоночных, болтовых, винтовых и заклепочных соединениях; в подшипниках качения, соединительных муфтах, контактных поверхностях рессор и пружин, предохранительных клапанов и регуляторов, кулачковых и шарнирных механизмах, электрических контактах и т.п. Фреттинг-коррозия может привести к ослаблению натяга контактирующих деталей или, наоборот, к их заклиниванию, если продукты изнашивания не имеют выхода из зоны контакта.

Электроэрозионное изнашивание – наблюдается в различного рода электрических контактах: реле, переключателях, потенциометрах, реостатах, соединителях, контакторах, прерывателях; штепсельных, паяных и зажимных соединениях. Разрушительное действие в них оказывают в основном два фактора: электрическая эрозия и механическое изнашивание. Электроэрозионное изнашивание зависит от многих факторов: плотности и направления тока, контактного электрического сопротивления, скорости перемещения контактов, механической нагрузки между ними, температур контактных поверхностей, теплообмена, загрязнения окружающей среды, материалов сопряженных деталей и т.д.

Особым видом износа является водородное изнашивание, при котором атомы водорода, получающиеся при трении сопряженных поверхностей из-за разложения смазки и воды, постепенно занимают освободившиеся от молекул смазки места на поверхности, проникают вглубь металла в дефекты структуры и собираются там в молекулы. С увеличением газового объема внутреннее давление в дефектах возрастает и металл разрушается. Разрушительное действие проявляется на некоторой глубине, поскольку процесс водородного изнашивания – эндотермический и водород стремится в зону высокой температуры. Иногда разрушение металла происходит по всему объему. В этом случае весь нагруженный и нагретый участок детали может рассыпаться в порошок (например, при трении бандажа колеса вагона о чугунную тормозную колодку).

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ

1. Что такое упругая и пластическая деформация?

2. Как протекает пластическая деформация в монокристалле? В поликристалле?

3. Как влияет степень деформации на структуру и свойства металла?

4. Что такое наклеп и как объяснить упрочнение металла в процессе деформации?

5. При каких технологических процессах производят пластическое деформирование металла?

6. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?

7. Механизм образования и роста трещины при разрушении.

8. Каковы особенности вязкого и хрупкого разрушения металла?

9. Каковы особенности вязкого и хрупкого изломов металла?

10.Что такое хладноломкость, у каких материалов можно наблюдать это явление?

ЗАДАЧИ

Задача № 1

При получении стального листа толщиной 1,5 мм холодной прокаткой значительно повысилась твердость. Объясните причину этого явления.

Задача № 2

Полосы свинца были прокатаны при 20°С с ε=20, 30, 40, 60 %. Будут ли отличаться свойства этих полос? Ответ обосновать.

Задача № 3

Детали, изготовленные из прутков меди 0 25 мм, должны иметь НВ 300 Мпа. На заводе имеются лишь прутки d= 40 мм и НВ 220 Мпа. Укажите, как можно использовать имеющиеся прутки для изготовления деталей с заданными свойствами.

Задача № 4

Детали из низкоуглеродистой стали после холодной штамповки в разных сечениях имели разную твердость (от 1000 до 16000 Мпа). До штамповки сталь имела твердость 900 Мпа. Объясните неодинаковость свойств по сечению дета­ли.

Задача № 5

Образец высотой 20 мм был осажен до 15 мм. Рассчитать степень дефор­мации ε.

Задача № 6

При изготовлении стального листа методом прокатки возникли трещины. В чем причина этого явления. Ответ обоснуйте.

Дата добавления: 2015-08-13