2. Отказы по параметрам прочности

Прочность — свойство материала (в определенных условиях и преде­лах) сопротивляться разрушению, а также изменению формы под действием внешних или внутренних нагрузок. Параметрами прочности являются пределы прочности, пропорциональности, текучести, ползучести, выносливости и др.

Деформация — это изменение формы или размеров изделия или его части под действием внешних сил, при нагревании, охлаждении, изменении влажности и т. п. Различают два вида деформации: упругую, исчезающую после устранения воздействий, вызвавших деформацию, и пластическую, остающуюся после удаления нагрузки. Под влиянием деформаций может происходить растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, изменение вида объекта. Основными параметрами деформационных характеристик являются от­носительное остаточное удлинение, величина уменьшения площади попереч­ного сечения.

Отказом по параметрам прочности могут быть события, связанные с разрушением изделия или с получением недопустимой величины деформа­ций. Показателем, характеризующим наработку до наступления такого ви­да событий, может служить, например, средняя наработка до отказа. Пре­дельным состоянием изделий по критериям прочности могут быть собы­тия, связанные с накоплением определенного числа циклов нагружения, с недопустимым изменением параметров прочности, с накоплением опреде­ленной величины пластических деформаций и т. д.

Для характеристики надежности по параметрам прочности нередко ис­пользуется термин прочностная надежность. Под этим термином понимает­ся свойство машин, конструкций и их элементов сохранять во времени работоспособное состояние при воздействии на него внешних нагрузок. Пока­затели прочностной надежности будут иметь физический смысл, если однов­ременно с их заданием и определением будут указаны критерии отказов и предельных состояний.

Отказы по параметрам прочности чаще всего связаны с изломом дета­лей машин или элементов конструкций или их деформацией. Изломы под­разделяются на две большие группы: хрупкие и вязкие.

Под хрупким изломом понимают излом без признаков макроскопичес­ких пластических деформаций. Такой вид излома возникает при разруше­нии в условно упругой зоне деформирования. Однако при этом следует иметь в виду, что у вершины распространяющейся хрупкой трещины в металлах возникает локальная пластическая деформация. Хрупкое разру­шение распространяется с большой скоростью, сопоставимой со скоростью распространения звука в данном материале. Разрушение происходит вдоль определенных кристаллографических плоскостей зерна (плоскости скола), вызывая транскристаллитное разрушение или по границам зерен, вызывая межкристаллитное разрушение. Хрупкое разрушение происходит в тех случаях, когда появляются факторы, препятствующие пластическим дефор­мациям. Это может иметь место при изменении под воздействием эксплуа­тационных нагрузок свойств материала (выделение хрупких карбидов, накопление усталостных повреждений, охрупчивание границ зерен и т. п.) или из-за приближения напряженного состояния к трехосному. Хрупкое разрушение происходит, как правило, мгновенно без видимых изменений состояния объекта.

Расчеты на надежность по критериям хрупкого разрушения проводятся на основе линейной упругой механики разрушения или на разрабатываемых в настоящее время методах нелинейной механики разрушения, учитываю­щих явление пластических деформаций в вершинах трещин.

Пластическому или вязкому излому предшествует макроскопическая пластическая деформация, вызванная сдвигом в плоскостях скольжения или плоскостях скола и по границам зерен. Иногда выделяют квазихрупкое (полухрупкое) разрушение, к которому относят изломы, при которых по­перечное сужение гладкого образца достигает порядка 5 %, а с надрезом — 2%.

Волокнистый излом относят к вязкому разрушению. Он характерен тем, что плоскость излома перпендикулярна к направлению максимальных растягивающих напряжений. Этот излом образуется в условиях плоского деформированного состояния. В вязком разрушении выделяют также раз­рушение сдвигом, когда плоскость излома наклонена под углом 45°. Этот вид излома образуется при плоском напряженном состоянии.

В зависимости от приложенных нагрузок изломы подразделяются на динамические, усталостные, изломы от превышения предела прочности, из­ломы при изгибающих и скручивающих нагрузках.

Рис. 3. Схема усталостного излома деталей

1- фокус излома и очаг разрушения; 2 – вторичные ступеньки и рубцы; 3 – усталостные линии; 4 – зона ускоренного развития трещин; 5 – зона доламывания

К динамическим относятся изломы, происходящие внезапно под дейст­вием перегрузок или удара. Среди динамических изломов следует различать хрупкие изломы с крупнозернистой поверхностью у практически недеформируемых материалов и гладкие изломы от сдвига, проходящие по направ­лению максимального касательного напряжения и связанные со значитель­ной пластической деформацией.

К усталостным относятся изломы под действием переменных нагрузок, когда разрушение наступает после приложения большого числа циклов наг­ружения. Усталостные изломы имеют ряд характерных признаков, позволяющих их отличать от других видов излома (рис. 3). Обычно на поверхности излома можно различить пять характерных зон.

1. Фокус излома — малая локальная зона, близкая к точке возникновения начальной макроскопической трещины усталости. Обычно фокус излома располагается на поверхности детали в местах концентрации нап­ряжений или поверхностных дефектов. Если в теле деталей были внутренние дефекты или детали подвергались поверхностному упроч­нению, фокус излома может располагаться внутри детали.

2. Очаг разрушения — небольшая зона, прилегающая к фокусу излома. При больших напряжениях может быть несколько очагов разрушения. На поверхности излома эта зона имеет наибольшие блеск и гладкость. Уста­лостные линии на очаге разрушения обычно отсутствуют.

3. Участок избирательного развития со­ответствует зоне развившейся трещины уста­лости. В этой зоне видны характерные уста­лостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера нагружения. Направления развития трещины могут отклоняться от первоначального. При этом образуются зародыши трещин, развивающие­ся в другом направлении, называемые иногда пасынковыми. От их слияния образуются вторичные ступеньки и рубцы.

4. Участок ускоренного развития трещины является переходной зоной между участками усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зо­на образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончатель­ному разрушению.

5. Зона долома характеризуется признаками макрохрупкого разруше­ния. На рис. 4 показана качественная картина влияния метода нагруже­ния, величины нагрузки и концентрации напряжения на вид излома в сталь­ных деталях.

Рис. 4. Виды изломов при усталостных разрушениях от изгиба

(зоны мгновенного разрушения заштрихованы накрест)

Изломы, вызванные превышением предела прочности, занимают сред­нее положение между динамическими и усталостными. Они характеризуют­ся большой поверхностью окончательного излома, а также наличием на поверхности излома отдельных, проходящих на больших расстояниях ли­ний разгрузки или уступов. По направлению излома можно судить о том, ка­кая перегрузка вызвала разрушение (перегрузка растяжения, изгиба или кручения).

Изломы при растяжении и изгибе легко различить на основе анализа конструкции и схемы приложения нагрузок. Недеформированный хруп­кий излом при растяжении располагается перпендикулярно оси растяги­вающей нагрузки. Такой излом возникает у хрупких материалов (напри­мер, чугуна), а также при невозможности деформации из-за различных над­резов, наличия у деталей разных диаметров в продольном сечении и т. п.

Излом от сдвига при растяжении на деталях из вязких материалов с шейкой проходит под углом 45° к оси растягивающей нагрузки. Изломы изгибающей нагрузкой характеризуются более сложным расп­ределением напряжений, чем при растяжении. В этом случае на изогнутой стороне детали возникают растягивающие напряжения, а на противополож­ной — сжимающие напряжения. Четкое разделение динамических изломов при изгибе на хрупкие и изломы от сдвига невозможно. По направлению волокон на поверхностях при динамических изломах можно судить о нап­равлении излома. Исходная точка усталостных изломов при изгибе легко находится по линиям разгрузки.

Усталостные изломы при изгибе подразделяют на односторонние, двус­торонние и изломы при круговом изгибе (рис. 4). Круговой усталост­ный излом возникает на вращающихся деталях, работающих на изгиб. В этом случае несколько трещин, расположенных по диаметру, объединяют­ся, вследствие чего зона окончательного излома располагается близко к центру круглой детали.

Иногда целесообразно подразделять изломы при изгибе на простые и сложные. К простым обычно относятся изломы, которые вызываются од­ной трещиной. Простой излом начинается в точке на (около) поверхности из-за наличия отдельных дефектов. Сложный излом происходит в резуль­тате действия двух или более трещин, которые распространяются на раз­личных точках на окружности сечения и оказывают совместный эффект на вид излома. Так как чаще всего исходные трещины не находятся на одной плоскости сечения, то поверхность излома у пересечения изломов от различных трещин образует уступы.

Рассмотрим характер изломов при скручивании деталей.

Хрупкие динамические изломы происходят под углом около 45° относи­тельно к оси детали (при отсутствии в детали гантелей, выточек и т.п.). Повер­хность излома неровная, крупнозернистая. Если в тянутых сталях с высокой прочностью, термически улучшенных расположение волокон ярко выраже­но из-за различных включений, то хрупкий излом проходит в предельном направлении из-за концентрации внутренних напряжений. Опасность разру­шения может быть уменьшена применением более вязких материалов или более интенсивным отпуском термически улучшенных сталей.

Излом от сдвига при кручении может иметь место в деталях, изготов­ленных из вязких материалов. Структура излома ровная, гладкая, с ярко выраженным пластическим скручиванием. Избежать эти виды излома мож­но путем повышения предела текучести. Усталостные изломы при кручении на гладких валах представляют хрупкий излом под углом 45° даже при вяз­ких материалах на мелкошлицевых валах. Фронт усталостного излома часто проходит даже поперек детали. При этом от каждого основания шлица про­ходят частичные усталостные изломы, идущие по радиусу к центру попе­речного сечения.

Изломы при скручивании, вызванные превышением предела прочности в зависимости от вязкости материала и формы валов могут проходить вдоль, поперек, под углом 45° или комбинированно. Поверхность излома имеет волокнистую структуру. Из-за небольшой пластической деформации материала поверхность излома оказывается не такой гладкой, как при ди­намическом изломе от сдвига. Хрупкий излом, вызванный превышением предела прочности, обычно происходит под углом 45°. Для этого вида излома характерным является большая поверхность окончательного излома. Если имеет место сильная концентрация внутренних напряжений, вызван­ная продольным фрезерованием, то хрупкий излом может возникать в продольном направлении.

Из сказанного выше следует, что если при анализе излома будет неп­равильно определена его причина, то проводимые мероприятия по иск­лючению возможности появления такого разрушения у других подобных деталей могут не только не дать положительного эффекта, но привести даже к снижению надежности.

При работе изделий в условиях высоких температур важной характе­ристикой прочностной надежности является ресурс по ползучести.

Ползучесть - это явление, заключающееся в том, что металл, нагру­женный при высокой температуре, непрерывно деформируется под воздей­ствием постоянных во времени напряжений. Обычно различают три стадии процесса ползучести (рис. 5).

При приложении нагрузки происходит мгновенная деформация изделия, не связан­ная с процессом ползучести (участок ОА). Эта деформация в зависимости от величины нагрузки может быть упругой и упруго-пластической. Участок АВ характеризует де­формацию с убывающей скоростью; он на­зывается стадией неустановившейся ползу­чести. На участке ВС пластическая деформа­ция нарастает с постоянной скоростью; он называется стадией установившейся ползу­чести. Третья стадия (участок ОD) характе­ризуется увеличивающейся скоростью пол­зучести, которая продолжается до разруше­ния изделия. При высоких температурах и напряжениях вторая стадия ползучести мо­жет отсутствовать; в этом случае первая стадия непосредственно переходит в третью.

Рис. 5. Кривая ползучести

Сопротивляемость ползучести оценивается суммарной деформацией за срок службы или скоростью ползучести . Условным пределом пол­зучести называется напряжение, которое вызывает при определенной тем­пературе заданную скорость ползучести во второй стадии процесса.

Для объяснения процесса ползучести существует несколько теорий. Наилучшее приближение к экспериментальным данным дает теория наклепа и рекристаллизации. В соответствии с этой теорией начальная стадия ползу­чести обусловлена тем, что не все зерна металла включились в процесс уп­рочнения и разупрочнения; при этом процесс упрочнения преобладает над разупрочнением. По этим причинам по мере распространения процесса на большее количество зерен скорость ползучести уменьшается. На второй стадии количество упрочненных из-за наклепа зерен сравнимо с количест­вом разупрочняемых из-за рекристаллизации зерен. На третьей стадии на­копление деформаций убыстряется; у пластичных материалов происходит локализация пластической деформации и образуется шейка, в хрупких ма­териалах происходит развитие трещин.

При больших напряжениях и относительно низких температурах накоп­ление деформации из-за ползучести происходит преимущественно по сдви­говому механизму, т. е. путем скольжения.

В результате воздействия ползучести происходит ослабление сопротив­ляемости материала воздействию нагрузок. При этом напряжения, вызыва­ющие разрушения, могут быть значительно меньше временного сопротив­ления при данной температуре. Способность материала сопротивляться раз­рушению при воздействии высокой температуры и напряжений характери­зуется пределом длительной прочности, т. е. напряжением, приводящим ме­талл к разрушению (при данной температуре).

При многократно повторяющихся температурных напряжениях наблю­дается термическая (малоцикловая) усталость металла. Ползучесть и тер­мическая усталость, как правило, взаимодействуют друг с другом и оба вида этих разрушений происходят одновременно.

В качестве граничного напряжения, отделяющего малоцикловую уста­лость от многоцикловой, обычно принимают напряжение, соответствую­щее числу циклов до разрушения порядка 10⁴ – 5*10⁴. Это разделение является условным, так как при этом не учитывается распределение мест­ных неоднородностей материала, проявляющееся через макроскопический предел текучести.

Явление разрушения при малом числе циклов, сопровождаемое макро­течением материала, обычно связывается с наличием областей напряжений.

В реальных деталях и конструкциях пластические деформации охваты­вают, как правило, небольшой объем материала, остальной — испытывают только упругие деформации. Поведение материала в зоне пластического деформирования зависит от таких факторов, как распределение деформа­ций, отношение амплитуд пластической и упругой деформации, параметров циклического упрочнения и разупрочнения материала, внешней температу­ры и других характеристик внешней среды. Даже в тех случаях, когда на деталь воздействует переменная, но с постоянной амплитудой нагрузка, материал в зоне неупругого поведения будет испытывать изменяющиеся во времени переменные деформации. В таких условиях происходит накоп­ление энергии пластического деформирования, что и является причиной разрушения.

Рассмотрим особенности разрушения элементов машин с позиций трещинообразований.

Исследования с помощью растрового электронного микрос­копа, разрешающая способность которого позволяет четко разграничить стадии возникновения и развития трещин, начиная с момента излома мик­роструктуры, дали возможность провести изучение механики усталостных трещин. На этом микроскопе удается наблюдать начало процесса концентрации рассеянных микротрещин и перерастания их в одну конечную трещину критического размера, которая под воздействием приложенных усилий после медленного роста переходит в катастрофическое состояние. Однако такой процесс не носит внезапного характера, он состоит из последователь­ного объединения соседних микротрещин, уменьшения числа микротрещин, и ускорения роста размеров одной из трещин. Такая трещина называется конечной, и именно она приводит к усталостному разрушению. Поэтому полное число циклов до разрушения составит:

(6)

где N — число циклов до разрушения; N_о — число циклов на стадии обра­зования трещин; N_с - число циклов, необходимых для развития критичес­кой трещины.

Более точное выражение имеет вид:

, (7)

где N₀ – продолжительность этапа возникновения трещин, зависящая от кристаллической структуры включений;

N_T(N₀) – продолжительность переходного периода, зависящего от этапа возникновения трещины, геометрии и размеров, среднего напряжения, окружающих условий;

N_c(N_T) – продолжительность этапа распределения конечной трещины, зависящего от диапазона напряжений, упругих и неупругих характеристик материала, геометрии образца, окружающих условий.

Переходный период связан с изменениями микроструктуры, которые носят диффузионный характер (например, обеднение углерода в дефор­мированных зонах стали, накопление цинка около усталостных трещин в алюминиево-цинковых сплавах).

Выражение (.7) допустимо использовать только для больших струк­тур, когда в материале имеются несколько значительных начальных или производственных дефектов, которые при воздействии напряжений разви­ваются в трещины значительно быстрее, чем другие дефекты, или если конструктивные элементы усиливают локальные напряжения, приводя­щие к быстрому росту трещин. При указанных выше условиях в практи­ческих расчетах допустимо принимать N₀₌ 0, так как в этих случаях N_0<< N_c; N_T=0.

Для определения характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) материалов используются в качестве стандартных цилиндричес­кие стержни с кольцевой трещиной.

Экспериментальные исследования показали, что характеристики трещиностойкости существенно зависят от вида напряженного состояния в вершине трещины и в значительной степени определяют, будет ли иметь место хрупкое, квазихрупкое или вязкое разрушение. Процесс разруше­ния может быть представлен в виде трех основных стадий:

I — формирование поля упругих деформаций, достижение локальными пластическими деформациями критических значений;

II — устойчивый докритический рост трещин. На этом этапе развитие локальных пластических деформаций приводит к образованию замкнутых пластически деформированных зон в вершине трещины. Согласно концеп­ции квазихрупкого разрушения Ирвина-Оровани при увеличении нагрузки происходит увеличение пластической области до некоторого предельного состояния. После этого происходит локальное разрушение, приводящее к продвижению трещины; при этом пластическая зона одновременно с увели­чением своих размеров смещается как жесткое ядро в направлении роста трещины вместе с ее концом;

III — нестабильное развитие трещин. В момент перехода к этой стадии размеры пластических деформированных объемов в вершине трещины су­щественно увеличиваются по мере нагружения объекта. На этом этапе прои­сходит разрушение изделия с образованием зоны доламывания. При этом макрохрупкое разрушение имеет место при больших и малых длинах тре­щин. При средних длинах трещин имеет место образование областей рас­слоений и разрывов, в направлениях, перпендикулярных направлению расп­ространению трещины (при повышенной жесткости напряженного состоя­ния).

Усталостная трещина всегда возникает в той точке металла, где отно­шение местного напряжения к пределу выносливости металла самое низ­кое. Обычно эти точки находятся на поверхности детали. Объясняется это тем, что прочность металла по его поперечному сечению сравнительно оди­накова, а максимальное напряжение при кручении или изгибе находится в крайних волокнах. Иная картина наблюдается при наличии трещин или дру­гих металлургических дефектов внутри материала. Эти дефекты приводят к понижению прочности материала в окрестности дефекта. В результате внутри детали развивается трещина, которая распространяется как в нап­равлении к поверхности, так и к центру детали.

Для обеспечения прочности деталей обычно повышают прочностные характеристики материала. Однако это не обязательно приводит к повы­шению прочностной надежности, так как при увеличении прочностных ха­рактеристик увеличивается чувствительность материала к образованию трещин. На рис. 6 показана схематическая зависимость между относи­тельной остаточной прочностью ( ) и относительной длиной трещины (2a/h), где - предел прочности образца с трещиной; — предел проч­ности материала образца; 2а — длина трещины; h — толщина изделия.

На рисунке указаны также значения пределов текучести ( ) и пределов прочности образцов. Кривая на рис. 6 соответствует критической дли­не трещины, т. е. длине, при ко­торой деталь разрушается при статическом нагружении. Для стали с низкой прочностью кри­тическая длина трещины сос­тавляет около 40 % от сечения детали; при высокой прочнос­ти деталь разрушается, когда тре­щина распространяется всего на 1 % ее сечения. Такого раз­мера трещины трудно опреде­лить до момента разрушения.

Рис. 6. Зависимость между остаточной прочностью и

относительной длиной трещины 2a/h

Пластическая деформация материала, возникающая у вершины тре­щины, не оказывает существенного влияния на распределение напря­жений до тех пор, пока размеры зоны пластической деформации малы по сравнению с размерами детали и трещины. В связи с этим линейно-упругая механика разрушения применима прежде всего к материа­лам высокой прочности и (или) к крупным деталям. Высокопроч­ные материалы с высоким значением предела текучести при наличии тре­щины имеют низкую статическую прочность, а при их разрушении зона пластической деформации очень мала. В крупных деталях в вершине тре­щины имеет место плоское напряженное состояние растяжения, которое препятствует пластическому течению металла, в связи с чем зона пластичес­кой деформации у вершины трещины остается небольшой.

В случаях равенства коэффициентов интенсивности напряжений (оди­наковый материал, одинаковые условия окружающей среды) сопротивляе­мость деталей хрупкому разрушению одинаковая. Сопротивляемость раз­витию трещины у всех материалов имеет свой предел. Если этот предел превышен, т. е. превышено критическое значение интенсивности напряже­ния, соответствующее вязкости разрушения К_1С, то происходит спонтан­ное хрупкое разрушение.

Таким образом, сопротивляемость материала с трещиной разрушению можно оценить испытаниями стандартных образцов. По полученной из этих испытаний характеристике материала, которой может быть вязкость раз­рушения К_1С,можно рассчитать прочность детали сложной формы с трещи­ной.

Вязкость разрушения материала одной марки может значительно разли­чаться в зависимости от вида полуфабриката, технологии изготовления де­талей и их размеров, температуры и т. п. Кроме того величина К_1С может изменяться в процессе эксплуатации за счет охрупчивания, вследствие об­лучения, вида коррозионной среды, температуры и других факторов.

Опыты показывают, что скорость распространения трещин сильно ме­няется не только между различными образцами, но даже в зависимости от N (числа циклов нагружения). Поэтому процесс развития трещин нельзя рассматривать как стабильный, равномерный процесс. Так, например, на рис. 2.7 приведены результаты испытаний 68 алюминиевых сплавов с цент­ральной начальной трещиной; нагружение выполнялось с постоянной амп­литудой. В начальный момент образования трещины прикладывалась мак­симальная нагрузка; затем они уменьшались на 10 % на каждые 0,5 мм удлинения трещины. Регистрация данных началась, когда трещина достигала 9,0 мм. Знакопеременная нагрузка задавалась по синусоидальному зако­ну с частотой 20 Гц.

Из теории „раскрытия и закрытия" трещин следует, что при нагруже-нии изгибом у трещин, выходящих на поверхность детали, максимальное упрочнение материала будет иметь место в вершине трещин и в месте за­рождения (у основания). Минимум упрочнения должен находиться на се­редине трещины. По такой же закономерности должна распределяться ве­личина накопленной пластической деформации. Степень упрочнения мате-

риала по мере удаления от края трещины должна уменьшаться по зависи-мости, близкой к экспоненте.

Наличие упрочненного слоя у основания трещины должно препятство­вать ее распространению , и, следовательно, существует некоторая предель­ная величина нагружения при превышении которой только возможен рост усталостной трещины. Этим можно объяснить тот факт, что технологичес­кие дефекты одной величины и одного типа приводят к усталостным изло­мам только при некоторых условиях эксплуатации.

Слоистые композиты состоят из ряда слоев с различной ориентацией волокон, разделенных обогащенными смолой прослойками. Толщина прос­лойки обычно составляет 1/20 - 1/10 часть толщины отдельного слоя. Проч­ность прослойки обычно сравнительно низка, а возникающие в них напря­жения велики. Это приводит к тому, что имеющиеся в них дефекты (поры, включения, разрывы слоев и т. п.) приводят к развитию из них трещин в межслойном промежутке особенно при циклических нагрузках.

Если в монолитных материалах трещины развиваются в глубь тела, то в ^композитах - в межслойном промежутке. Это приводит к усталостному расслоению композита, при этом скорость распространения трения непре­рывно увеличивается по мере увеличения циклов нагружения. Величина этой скорости зависит в первую очередь от локальных напряжений в кон­чике трещины.

2.4. ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ОТКАЗЫ

Трибология — это наука, изучающая процессы изнашивания с учетом свойств материалов и смазки. Под трибологической надежностью понимает­ся свойство изделий сохранять во времени в установленных пределах зна­чения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуе­мые функции при его функционировании в условиях трения и изнашива­ния. Отказами изделий по трибологическим критериям являются события, связанные с достижением износа изделий нормативной величины, с нару­шением условий смазки, с явлениями схватывания, задира, с наступлением периода интенсивного изнашивания, с превышением (уменьшением) задан­ного предельного значения коэффициента трения и т. п. Показатели, харак­теризующие трибологическую надежность, в большинстве случаев могут быть выражены через скорость и интенсивность изнашивания.

Изнашивание является одной из основных причин отказов и предельных состояний. Статистические данные показывают, что в ряде отраслей маши­ностроения отказы из-за изнашивания поверхностей достигают 50 — 80 % всех отказов, возникающих в процессе эксплуатации машин. Изнашивание классифицируется на следующие виды: механическое — абразивное, гидроабразивное, эрозионное, гидроэро­зионное, газоэрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фретинге, изнашивание при заедании; коррозионно-механическое — окисли­тельное, изнашивание при фретинг-коррозии; электроэрозионное.

В результате процесса изнашивания происходит износ материала, прояв­ляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала.

Явления трения и изнашивания сопровождаются рядом явлений и про­цессов, приводящих к отказам и происходящих на поверхностях трения. К числу основных процессов и явлений относятся:

схватывание при трении — явление местного соединения двух твердых тел, происходящее вследствие действия молекулярных сил трения;

перенос материала — явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим и , отрываясь от первого, остается на поверхности второго;

заедание - процесс возникновения и развития повреждений поверхнос­тей трения вследствие схватывания и переноса материала;

задир - повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения;

царапание — образование углублений на поверхности в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц; отслаивание - процесс отделения с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании; 78

выкрашивание — процесс образования ямок на поверхности трения в зультате отделения части материала при усталостном изнашивании.

Под трением понимается явление сопротивления относительному пе-мешению, возникающего между двумя телами в зонах соприкосновения юверхностей по касательным к ним. Количественно трение может оцени­ваться:

1) силой трения (сила сопротивлении относительному перемещению двух тел трения);

2) коэффициентом трения (отношение силы трения к нормальной сос­тавляющей внешних сил, действующих на поверхности тела).

При анализе механических систем необходимо различать следующие виды трения по наличию и характеру движения:

трение покоя - трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению;

трение движения — трение двух тел, находящихся в относительном движении.

По характеру относительного движения трение подразделяется на трение качения и трение скольжения.

К трению качения относится трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направле­нию. Трение движения, при котором скорости тел в точке касания различ­ны по величине и направлению или по величине или направлению, называет­ся трением скольжения.

По наличию смазочного материала трение подразделяется на трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом. Под изна­шиванием понимается процесс разрушения и отделения материала с поверх­ности твердого тела и (или) накопление его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

В результате процесса изнашивания происходит износ поверхностей. 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 или становится невозможным. Отказы из-за износа относятся к категории трибологичес-ких отказов. Наработка до отказа из-за износа определяется по величине скорости или интенсивности изнашивания. Скорость изнашивания — это от­ношение износа к интервалу времени, в течение которого он возник; обыч­но различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени). Интенсив­ность изнашивания определяется как отношение значения износа к обуслов­ленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выпол­ненной работы.

К трибологическим относятся отказы не только из-за износа, но и от­казы, обусловленные недопустимым изменением силы трения, предвари­тельного смещения, коэффициента сцепления или свойства смазочных масел.

Виды изнашивания характеризуются следующими особенностями.

Механическим называется изнашивание в результате только механичес- ких воздействий.

Механическое взаимодействие может быть трех видов: при упругом контакте, пластическом деформировании и микрорезании. Механическое взаимодействие сопровождается возникновением напряжений в зоне кон­такта поверхностей; характеристикой поверхности являются показатели шероховатости.

Упругое оттеснение материала выступами неровностей происходит, когда действующая нагрузка и адгезия не приводят к возникновению в зоне контакта напряжений, превышающих предел текучести. Разрушение материала (износ) в этом случае возможно лишь в результате фрикционной усталости.

Пластическое деформирование материала происходит, если контактные напряжения достигают предела текучести, но материал обтекает внедрив­шиеся выступы неровностей и на поверхности возникают глубокие вмя­тины. Износ в этом случае будет результатом малоцикловой фрикционной усталости.

Микрорезание происходит в тех случаях, когда контактные напряже­ния или деформации достигают разрушающих значений. При этом нару­шается режим обтекания выступов деформируемым материалом, имеют место глубокие повреждения, разрушение хрупких пленок. Разрушение в этом случае происходит с самого начала взаимодействия.

В большинстве случаев механическое взаимодействие в период прира­ботки начинается с пластического деформирования (расплющивания) выс­тупов и внедрения единичных неровностей. Расплющивание приводит к необратимому изменению формы контактирующих неровностей и поэто­му является невоспроизводимым, но может обеспечить стационарный ре­жим трения. Процесс внедрения неровностей возможен при различных и одинаковых твердостях и модулях упругости контактирующих материа­лов, если различна конфигурация (радиус кривизны, угол наклона) контак­тирующих неровностей.

В процессе трения за счет многократного пластического деформиро­вания форма неровностей меняется, геометрический профиль выравнивает­ся и как бы выглаживается. Выступы неровностей наклёпываются. Твер­дость материала в фактических точках контакта возрастает. Поэтому проис­ходит переход пластического деформирования в упругое.

Возможен и обратный переход упругого деформирования в пластичес­кое, когда контактные напряжения достигают критической величины. Воз­можен также переход пластического деформирования в микрорезание. При определенном значении внедрения и сдвигового сопротивления молекуляр­ной связи на контактируемой поверхности микронеровности образуется застойная зона. В этот момент пластическое оттеснение прекращается и пе­реходит в микрорезание.

Абразивное изнашивание — механическое изнашивание в результате режущего, царапающего или иного действия твердых тел или частиц. Этот вид изнашивания происходит в результате взаимодействия с твердыми час­тицами при наличии относительной скорости перемещения. Твердые (абра­зивные) частицы могут быть неподвижно закреплены на одной из поверх-

ей трения, не закреплены, свободно перемещаться со смазкой в зазоре, втекающем _повер_ХНости деталей. В последнем случае говорят о гидроабра-° ном _и газоабразивном изнашиваниях.

Механизм абразивного изнашивания металлических деталей состоит в едуюшем. Абразивные частицы оказывают в основном царапающее дейст-^сл jr_{pH этоМ} происходит пластическое оттеснение материала детали, а дно образовавшейся канавки наклёпывается. На поверхности детали образуются параллельные полосы. При последующем обороте детали абразивная части­ца проходит по оттесненному материалу рядом с образовавшейся ранее канавкой. После многократной пластической деформации материал, пласти­чески деформированный по сторонам канавки, наклепанный и перенакле­панный на дне канавки, охрупчивается, в нем возникают микротрещины, которые затем и приводят к разрушению поверхности трения. При большой скорости относительного перемещения происходит местный нагрев от плас­тической деформации, вследствие этого возможны структурные превраще­ния материала. Повышение температуры и структурные превращения ус-коояют изнашивание поверхности. Агрессивная среда, вызывая электрохи­мические процессы на поверхности детали, интенсифицирует изнашивание, превращая его в коррозионно-механическое.

Абразивный износ наиболее резко проявляется, когда шероховатая более твердая поверхность скользит по мягкому материалу. В этом случае твердые микронеровности одной поверхности внедряются в более мягкую другую поверхность, подвергая ее микрорезанию. После того, как вершины микронеровностей сглаживаются и напряжения в мягком мате­риале становятся ниже предела текучести, происходит усталостный износ, обусловленный многократным нагружением поверхности.

Механизм абразивного изнашивания деталей из полимерных материа­лов определяется степенью их эластичности. При движении абразивной час­тицы по поверхности детали из эластичного материала силы трения впере­ди частицы вызовут сжатие, а сзади — растяжение. Под действием многок­ратных растягивающих напряжений происходят микроразрывы полимер­ного материала. Часть материала с поверхности уносится с образованием волнообразного рельефа из выступов и впадин в направлении, перпенди­кулярном к движению абразива. При последующих взаимодействиях ма­териала с абразивом под влиянием переменных растягивающих напряже­ний срабатываются первичные выступы, но волновой рельеф поверхности сохраняется.

Изнашивание более жестких и хрупких пластиков происходит в основ­ном в результате микрорезания, так как твердость пластика в несколь­ко раз меньше твердости абразива. В этом случае интенсивность изнаши­вания много выше, чем при фрикционном контакте.

Абразивные частицы размером 1 - 30 мкм всегда присутствуют в воз­духе, в смазке и на трущихся поверхностях. Абразивными частицами могут служить продукты изнашивания, например, образовавшиеся вслед­ствие выкрашивания при трении вновь образуемых структур, твердых окисных пленок, твердых частиц нагара и т. д.

Новые структуры материалов образуются на тяжело нагруженных по­верхностях трения в результате следующих физико-химических процессов, «а участках фактического контакта при трении происходит интенсивная пластическая деформация, сопровождающаяся вспышкой температуры в

кое воздействие осуществляется микронеровностями контртела или трением качения (при небольшом проскальзывании). Изнашивание характеризуется накоплением субмикроповреждений и их развитием или многократным пластическим деформированием поверхностного слоя.

Механизм усталостного изнашивания может быть представлен следую­щим образом. На площадках фактического контакта материала поверхност­ный слой детали подвергается многократной упругой и пластической де­формации, в основном через пленку смазки. Под влиянием деформаций в микровыступах и по их границам возникают субмикроскопические и мик­роскопические дефекты в виде усталостных трещин. Этому способствуют небольшие внутренние напряжения, возникающие при деформациях в сово­купности с адсорбционно-расклинивающим эффектом смазки. Материал по­верхностного слоя детали разупрочняется, разрыхляется, и при последую­щем относительном перемещении поверхностей детали выкрашивается в виде небольших блоков. Эти блоки вымываются смазкой и скапливаются на дне картера. Интенсивность усталостного изнашивания в этом случае не­большая, а чистота поверхности деталей высокая.

Интенсивность и время возникновения выкрашивания определяются величиной контактных напряжений, числом циклов нагружения, твердостью материалов, состоянием микрогеометрии поверхностей и толщиной смазоч­ного слоя.

По мере увеличения числа циклов нагружения в процессе работы узла трения усталостное выкрашивание приводит к образованию раковин. Раз­меры их растут от сотых долей миллиметра до диаметров, отличающихся от начальных на несколько порядков. При этом возникают шум и вибра­ция в узлах трения, уменьшается величина несущей поверхности трущихся деталей, повышаются контактные напряжения, увеличивается пластическая деформация, возникает повышенный износ. Возможен задир поверхностей в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

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, оказывающей одновременно разупрочняющее действие. Кавитацион-ному изнашиванию подвергаются лопасти гребных винтов, колеса центро­бежных насосов, запорные устройства трубопроводов т. п.

Широко распространена так называемая паровая кавитация. При такой кавитации пузырьки образуются вследствие внезапного изменения давления жидкости, и поскольку эти пузырьки заполнены паром, то они образуют­ся и схлопываются с большой интенсивностью. Давления, возникающие на аключительном этапе схлопывания пузырьков, могут привести к механи­ческому повреждению близлежащих поверхностей металла. Кавитационное изнашивание наблюдается также в том случае, когда используется смазочное масло, недостаточно очищенное от пены. Образуюиеся пузырьки газа разрушают поверхности подшипника и зубчатых колес При этом рабочий и нерабочий участки профиля зуба покрываются лунками, диаметр которых около О,1 мм. Зуб выглядит, как после пес-

микрообъемах. За счет этого создается большой температурный градиент по глубине детали. За счет высокой теплопроводности металлов и большой скорости охлаждения (больше, чем при закалке) происходит мгновенное закаливание микрообъемов материала с образованием белого (нетравящегося) слоя, состоящего из мартенсита, цементита, феррита, нитридов и карбидов. Образованию нитридов и карбидов способствует окружающая среда из воздуха и смазки, содержащая азот, кислород, углерод.

Такие структуры часто встречаются на зубьях колес, в подшипниках качения, на кольцах двигателей внутреннего сгорания, при шлифовочных ожогах.

При образовании белого слоя возникают внутренние напряжения, кото­рые совместно с повторной пластической деформацией приводят к растрес­киванию и выкрашиванию белого слоя. Образовавшиеся абразивные части­шь приводят к интенсивному катастрофическому изнашиванию узла. ^ Гидроабразивным называется изнашивание, в результате воздействия твердых частиц или частиц, увлекаемых потоком жидкости. Механическое действие осуществляется твердыми частицами в условиях разупрочняюще-го действия жидкой среды. Характер разрушения и его интенсивность при прочих равных условиях зависят от направления вектора скорости движу­щихся частиц по отношению к поверхности детали. Гидроабразивному изна­шиванию подвергаются детали насосов центробежного типа, арматура и т. д. V Газоабразивным называется изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком газа (например, у воздуш­ных насосов).

Иногда в качестве самостоятельного выделяют эрозионное изнашива­ние, 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.

Механизм эрозионного изнашивания состоите следующем. В результате трения и ударов сплошного потока жидкости, газа или пара происходит воздействие нагрузок на отдельные участки материалов. В пластичных материалах вследствие многократной пластической деформации происхо­дит наклеп, перенаклеп отдельных участков поверхности и образование микротрещин. Жидкость при этом действует как гидравлический клин, расширяя микротрещины до размеров микротрещин, а затем вымывая раз­рушенные участки.

Если разрушение происходит в результате воздействия потока жидкос­ти, то изнашивание называют гидроэрозионным, если в результате действия потока газа или пара — газоэрозионным. На практике чаще всего бывают потоки жидкостей, газов и паров, содержащие абразивные частицы. Поэто­му эрозионное изнашивание часто рассматривается как частный случай гид­роабразивного и газоабразивного изнашивания. Эрозионное изнашивание чаще всего сопровождается процессами коррозии, кавитации абразивного и других видов разрушений.

Усталостным называется изнашивание поверхности трения или отдель­ных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц. Та­кой вид износа типичен для подшипников качения и шестерен. Механическо-струйной обработки. Поражение кавитацией подшипников скольжения вызывает вибрации, приводящие к ускоренному изнашиванию поверхнос­тей зубчатых колес. Последнее явление может в свою очередь в короткие сроки разрушить оси сателлитов. Это один из видов взаимосвязи между вибрационными явлениями в подшипнике и вибрациями зубчатого колеса, обусловленными износом профиля зуба.

Чаще всего кавитационное изнашивание наблюдается на поверхностях, обтекаемых жидкостью с большой скоростью. При завихрениях сплошной поток жидкости разрывается и в нем возникает пустота в виде пузырей или полос размером порядка десятых долей миллиметра и более , которые быстро заполняются парами, воздухом или газом, растворенным в жидкос­ти. За 0,002 с кавитационный пузырек может вырасти до 6 мм в диаметре и разрушиться за 0,001 с. За 1 с на площади в 1 см² могут образоваться и разрушиться более 30 млн кавитационных пузырьков. Часть из них замы­кается у поверхности деталей. Замыкание происходит в зонах более высо­ких давлений при конденсации и растворении паров и газов. В образовав­шиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости, создавая гидравлические удары (и, возможно, ультразвуковые колебания). Кавитационные разрушения наблюдаются в трубопроводах, в лопатках центробежных насосов, в лопастях гидравлических турбин, в гребных винтах и т. д.

Кавитационные явления вызывают вибрации, стуки и сотрясения в системах. Это приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву бол­тов, снятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений, коррозионно-усталостцым разрушениям поверхностей и усталостным раз­рушениям арматуры.

v Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате од­новременного механического воздействия и молекулярных или атомных сил. Типичным видом этого изнашивания является изнашивание при зае­дании, когда оно происходит в результате схватывания и глубинного вы­рывания материала, переноса материалов с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверх­ность.

На процесс заедания 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. Обязательным условием возникновения заедания является разрушение разделяющей масляной пленки (и окислых пленок). Это разрушение может наступить вследствие пластической дефор­мации, изнашивания единичных шероховатостей контактирующих поверх­ностей, находящихся в холодном состоянии (холодное заедание) или вслед­ствие потери смазывающих свойств масла при повышенных фактических температурах в зоне контакта поверхностей деталей (горячее заедание). Холодное заедание встречается, как правило, в тихоходных узлах машин и стационарных контактах деталей; горячее — в быстроходных, тяжело наг­руженных узлах, распределение часто меняется для поверхностей качения и скольжения.

Механизм изнашивания при заедании состоит в следующем. При взаи­модействии двух поверхностей с достаточной нагрузкой в точках фактичес­кого контакта происходит удаление адсорбированных и окисных пленок, сближение на расстояние порядка межатомных до непосредственного кон­такта чистых (ювенильных) поверхностей. Вследствие взаимодействия ато­мов происходит спонтанный процесс схватывания, сопровождающийся вы­делением энергии. При относительном дальнейшем перемещении контакти­рующих поверхностей происходят вырывы материала в виде микроскопичес­ких и субмикроскопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую поверхность. При увеличении площади контакта увеличивается объем перенесенного материала, происходит „намазывание" перенесенного материала на другую поверхность, глубинное вырывание материала с обра­зованием глубоких борозд, уступов и впадин.

Заедание в неподвижных соединениях объясняется ростом и сращива­нием окисных пленок, соединением их кристаллических решеток, напри­мер, стали на бронзу, бронзы на резину или пластик.

В условиях граничной смазки изнашивание происходит в результате локальных повреждений граничной пленки смазки и возникновения мгно­венных молекулярных связей между материалами трущихся тел; возмож­но механическое повреждение поверхностного слоя через пленку смазки, а также локальное резупрочнение материала (подшипники скольжения, подпятники, зубчатые и червячные передачи, поршневые кольца и ци­линдры) .

При сухом трении механическое воздействие осуществляется микро­неровностями контртела при трении скольжения. Изнашивание происходит в результате механического и молекулярного взаимодействия трущихся по­верхностей в условиях упрочнения и разупрочнения поверхностного слоя, в частности, при высокой температуре, генерируемой при трении (детали тормозных устройств и фрикционных муфт, подшипники скольжения). V Молекулярное взаимодействие контактирующих тел называют адге­зией. Оно состоит в образовании мостиков холодной сварки между факти­ческими пятнами контакта (адгезионных связей). При трении без смазки происходит непрерывный процесс образования и разрушения этих связей.

Разрушение адгезионных связей может происходить по месту образо­вания связей (адгезионное разрушение) или на некоторой глубине рабочей поверхности с частичным ее вырывом (коррозионное разрушение). Адгези­онное разрушение фрикционной связи (по той же поверхности,по которой она возникла) не приводит непосредственно к разрушениям поверхности, но делает свой вклад в величину действующих на контакте напряжений и деформаций и таким образом способствует усталостным процессам. Коге-зионный отрыв возникает, если прочность фрикционной связи выше проч­ности лежащего ниже основного материала. Он сопровождается глубинным вырыванием. Износ при этом происходит с самого начала взаимодействия. На величину и знак градиента сдвигового сопротивления оказывают влияние изменения, протекающие в поверхностном слое. Например, образование из­быточного числа вакансий, защитных пленок с пониженным сдвиговым соп­ротивлением, нагрев контактной зоны и размягчение материала создают по­ложительный градиент механических свойств по глубине; образование воздуха или кислорода, содержащегося в смазке; на соприкасающихся поверх­ностях образуются и разрушаются пленки окислов; продукты износа сос­тоят из этих окислов. От коррозионно-механического изнашивания окис­лительное отличается отсутствием агрессивной среды.

Механизм окислительного изнашивания представляется следующим. При нагружении деталей и увеличении скорости скольжения происходит повышение температуры и рост' окисных пленок, защищающих кон­тактирующие поверхности. В пленках и на границе между пленкой и ос­новным металлом возникают силы упругости, которые при некоторой толщине пленки вызывают мгновенные смещения и разрыхление пленки. При относительном смещении поверхностей пленки могут изнашиваться или срезаться. Обнажившиеся чистые поверхности металла изнашиваются, а затем снова покрываются окисной пленкой. Продукты износа состоят из окислов основного металла. Если твердость пленки выше твердости основ­ного металла, то к основному окислительному изнашиванию добавляется абразивное.

Изнашивание при фреттинг-коррозии — коррозионно-механическое из­нашивание соприкасающихся тел при малых колебательных перемещениях. Этот вид изнашивания имеет место на контакте двух сопряженных деталей при их колебательных относительных перемещениях с малой амплитудой и окисления продуктов изнашивания, не удаляемых с поверхности кон­такта. При фреттинг-коррозии в результате многократного деформирова­ния одних и тех же пятен контакта происходит химическое разупрочнение и последующее локальное разрушение поверхностного слоя. Этот вид раз­рушения наблюдается у посадочных поверхностей подшипников качения, шкивов, шестерен, у болтовых и заклепочных соединений и т. д.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит на плотно контакти­рующих поверхностях пар металл — металл или металл — неметалл в ре­зультате повторяющихся относительных тангенциальных микросмещений. Интенсивность изнашивания контактирующих поверхностей зависит от ме­ханических параметров контактного взаимодействия амплитуды, частоты относительного скольжения, контактного давления, числа циклов нагру-жения; природы контактирующих материалов; состава и температуры внешней среды; наличия и качества смазки или защитных покрытий.

Особенности фреттинг-коррозии объясняются рядом факторов. Возв­ратно-поступательное перемещение поверхностей с малой амплитудой и невозможность удаления продуктов износа из зоны контакта локализуют процессы разрушения на площадках действительного контакта; средняя скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей при амплитуде скольжения, например, 0,025 мм и частоте колебаний 30 Гц составляет всего 3 мм/с. Если при обычном трении скольжения присутст­вие кислорода может уменьшать изнашивание, то в условиях фреттинг-кор­розии металлов кислород интенсифицирует изнашивание, так как продук­тами изнашивания являются в основном их окислы.

Увеличение амплитуды увеличивает интенсивность изнашивания, нап­ример, при амплитудах более 0,10—0,15 мм, когда начинают существенно проявляться процессы схватывания. При увеличении нагрузки интенсивносить изнашивания возрастает, коррозионно-усталостные процессы при этом переходят в процессы схватывания и взаимного переноса материалов, сопровождающиеся повышением температуры и пластическим течением ме­талла. Увеличение частоты колебания увеличивает скорость относительно­го перемещения, контактную температуру и число циклов нагружения. Они увеличивают скорость разрушения, снижают усталостную долговеч­ность материалов. Агрессивная внешняя среда интенсифицирует разрушения смазки, особенно консистентных. В диапазоне температур +50 до +150 С интенсивность изнашивания не меняется. При снижении температуры ин­тенсивность разрушения возрастает,поэтому зимой интенсивность фреттинг-коррозии выше, чем летом.

Механизм изнашивания при фреттинг-коррозии условно разделяют на три стадии. На первой стадии происходят пластические деформации микро­выступов, повышение контактных температур, разрушение пленок, адге­зионное схватывание поверхностей, затем срезание образовавшихся свя­зей, усталостные явления, разрушившиеся в результате усталости высту­пы и срезанные углы схватывания создают первичные продукты разруше­ния, которые быстро окисляются кислородом воздуха.

Вторую стадию называют инкубационной. На второй стадии продол­жают накапливаться усталостные повреждения, скорость изнашивания не­большая, вследствие адсорбции на мелкодисперсных частицах износа кис­лорода и влаги между контактирующими поверхностями формируется реакционная среда.

Третью стадию называют стадией коррозионно-усталостного разруше­ния. Поверхностные слои металла, длительное время подвергавшиеся цикли­ческим деформациям и коррозионным процессам,настолько разупрочняю-тся, что теряют устойчивость и начинается их прогрессирующее отделение. Скорость изнашивания резко возрастает.

Изнашивание при фреттинг-коррозии имеет широкое распространение. 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 заклиниванию их, если продукты изнашивания не имеют выхода из зоны контакта.

Внешним проявлением фреттинг-коррозии являются натиры поверх­ностей, налипание металла, вырывы или раковины, заполненные порош­кообразными продуктами коррозии, полосы или канавки местного изна­шивания, поверхностные микротрещины. Первым диагностическим приз­наком фреттинг-коррозии является наличие на поверхностях трения окра­шенных пятен, в которых сосредоточены спрессованные окислы.

В большинстве практических случаев процесс износа носит сложный характер и одновременно наблюдается несколько видов изнашивания. Примером этого является электроэрозионное изнашивание, которое может иметь место в различного рода электрических контактах, реле, перек­лючателей, потенциометров, реостатов, соединителей, контакторов, преры­вателей; электродвигателей, генераторов с кольцами или с коллекторами; штепсельных, паяных и зажимных соединениях. Разрушительное действие в них оказывают в основном два фактора: электрическая эрозия и меха­ническое изнашивание.

При соприкосновении поверхностей элементов контактной системы в контакт вступают только наиболее высокие неровности. Поверхности этих неровностей обычно покрыты адсорбированными и окисными пленками. Поэтому при прохождении тока через такой контакт линии электрическо­го тока искривляются и стягиваются к точкам фактического контакта. Это вызывает появление сопротивления стягивания. Проводимость тонких пленок определяется туннельными просачиваниями и термоэлектронной эмиссией. Проводимость пленок меньше, чем основного металла, поэто­му появляется сопротивление пленок. Искажение кристаллической решет­ки в зоне деформации микровыступов также вызывает наибольшее допол­нительное сопротивление. Эти факторы увеличивают электрическое изнаши­вание' контактов.

Электрическое изнашивание поверхностей контактов происходит вследствие переноса ионов материала одного элемента контактной систе­мы на другой, фреттинг-электрического пробоя, появления окисных пле­нок, приводящих к увеличению сил молекулярных связей между чистыми металлами и последующему микросхватыванию с глубинным вырыванием, искрения и дугообразования, приводящих к выделению большой тепловой энергии в зазоре между контактами, испарению или разбрызгиванию метал­ла в контактный зазор, ухудшению вследствие этого качества поверхности. Последнее интенсифицирует механическое изнашивание. При тлеющем и дуговом разряде преобладает изнашивание катода, искровой разряд приво­дит к изнашиванию анода. Перенос с анодно-поляризованной щетки больше, чем с катодно-поляризованной. Поэтому для выравнивания изнашивания контактов рекомендуют 1 — 2 раза в год менять направление протекающе­го контактного тока. Механическое изнашивание проявляется при трении и ударах в разрывных и скользящих контактах и носит сложный адгезион­но-усталостный характер с различным преобладанием этих составляющих в различных электрических контактах. Механизм такого комплексного разрушения складывается так же, как и в обычных парах трения, но с ин­тенсификацией его действием электрического тока, высоких температур в зонах контакта и особенностями, связанными с применением компози­ционных контактов (например, электрографитированных щеток), наличи­ем абразивных частиц и окисных пленок в зоне трения. Загрязнение внеш­ней среды парами хлора, кислот, ацетона, спирта и т. п. вызывает изменение условий трения. После некоторого числа циклов коммутаций комплексное изнашивание приводит к выходу из строя контактной системы.

Комплексное электроэрозионное и механическое изнашивание опреде­ляется многими факторами: плотностью и направлением движения тока, контактного электрического сопротивления, скоростью перемещения кон­тактов, механической нагрузкой между ними, температурами контактных поверхностей, теплообменом, загрязнениями окружающей среды, материа­лами сопряженных деталей и т. п.

В последние годы изучается так называемое водородное изнашивание. Механизм водородного изнашивания представляется следующим. Атомы водорода получаются при трении сопряженных поверхностей в процессе разложения смазки и воды. Поскольку температура десорбции водорода на много сотен градусов выше температуры десорбции смазки, то в процес­се трения атомы водорода постепенно занимают освободившиеся от моле­кул смазки места на поверхности. Поскольку размеры водородных атомов меньше константы кристаллической решетки, то затем они проникают в глубь металла, в дефекты структуры (например, в зародышевые трещины), собираются там в молекулы. Газовый объем их увеличивается. Не найдя выхода, он распирает дефектные полости изнутри до тех пор, пока внут­реннее давление в дефектах не разрушит металл по всем развившимся и соединившимся трещинам.

При трении обычных металлов (сталь, чугун, алюминий) процесс раз­рушения эндотермический (с поглощением тепла). Большая нагрузка при трении вызывает повышение температуры в глубине материала детали. Во­дород стремится в зону высокой температуры, поэтому его разрушитель­ное действие проявляется на некоторой глубине, а иногда и по всему объе­му. В последнем случае весь нагруженный и нагретый участок детали мо­жет рассыпаться в порошок (например, при трении бандажа колеса вагона о чугунную тормозную колодку).

При трении деталей из титана с обычной смазкой изнашивание значи­тельно выше, чем при сухом трении. Это связано с быстрой деструкцией смазочных масел и интенсивным наводороживанием металла, который образует с водородом твердые растворы и химические соединения. Про­цесс в этом случае наоборот идет с выделением тепла, а водород переме­щается от нагретых объемов к холодным.

2.5. ОТКАЗЫ ПО ПАРАМЕТРАМ КОРРОЗИИ

Коррозия — это разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой (агрессив­ная атмосфера, растворы кислот, щелочей, солей и т. п.) . Под коррозионной надежностью понимается свойство изделий сохранять во времени в установ­ленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в условиях взаимодействия с коррозион­ной средой. Коррозия может не только являться процессом, приводящим к отказам, но она может также ускорять процессы изнашивания, усталостно­го разрушения, снижать прочностные и деформационные свойства мате­риалов.

Критериями отказов по параметрам коррозии может быть величина коррозии или ее скорость. В тех случаях, когда бывает необходимо регла­ментировать или оценить надежность изделий в зависимости от коррозион­ного разрушения или проводить ее оценку при различных видах коррозии, могут использоваться показатели: средняя наработка на отказ при корро­зии, срок сохраняемости при коррозии и др.

При необходимости вид коррозии должен конкретизироваться, напри­мер, средняя наработка при атмосферной коррозии, срок сохраняемости при газовой коррозии и т. п.

Данные показатели коррозионной надежности выражаются через пара­метры коррозионной стойкости, характеризующей способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды. Коррозионная стой­кость оценивается:

изменением веса металла в результате коррозии, отнесенным к едини­це поверхности и единице времени;

объемом выделяющегося водорода (или поглощенного кислорода) в процессе коррозии, отнесенным к единице поверхности и единице времени;

уменьшением толщины металла вследствие коррозии, выраженным в линейных единицах и отнесенным к единице времени;

изменением какого-либо показателя механических свойств за определен­ное время: коррозионного процесса, выраженным в процентах, или вре­менем до разрушения образца заданных размеров;

изменением отражательной способности поверхности металла за опреде­ленное время коррозионного процесса, выраженным в процентах;

плотностью тока, отвечающей скорости данного коррозионного про­цесса;

временем до появления первого коррозионного очага на образце задан­ных размеров или числом коррозионных очагов на образце по истечении за­данного времени.

Критериями отказов из-за коррозии могут быть такие события, как:

разрушение детали из-за коррозии;

достижение допустимого изменения массы или толщины металла под действием процесса коррозии;

появление коррозионного очага на поверхности изделия;

превышение допустимого уровня скорости коррозии или скорости про­никновения коррозии и др. (рис. 2.8).

Специфической особенностью отказов из-за коррозии является то, что в большинстве случаев они могут происходить как при функционировании, так и при хранении изделий. Однако виды коррозии при этом могут быть различными.

Коррозию металлов классифицируют по ряду признаков:

по характеру взаимодействия металла со средой (химическая — в сре­дах, не проводящих электрический ток, и электрохимическая - в водных растворах электролитов);

по геометрическим характеристикам коррозионных разрушений (по­верхностная, объемная, сплошная, избирательная, точечная и т. д.);

по характеру дополнительно воздействующих факторов (коррозия при трении, под напряжением) ;

по типу коррозионной среды (атмосферная коррозия, газовая, жид­костная, почвенная).

Электрохимическая коррозия — это взаимодействие металла с коррози­онной средой (раствором электролитов), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекает не в одном акте и их скорости зависят от электродного потен­циала.

Процессы электрохимической коррозии описываются законами элект­рохимической кинетики. При этом процессе протекают две группы реак­ции: катодная и анодная. За счет возникающего электрического тока мо­жет иметь место удаление продуктов коррозии от очагов разрушения. На скорость процесса коррозии существенное влияние оказывает технология изготовления.

Выступы шероховатостей, как наиболее напряженные участки поверх­ности, являются анодами, поэтому чем выше шероховатость поверхности, тем более неоднородны ее участки по электрохимическому потенциалу и тем больше скорость коррозионного процесса.

Электрохимическая коррозия может появиться во всех случаях, когда есть граница раздела фаз металл — электролит независимо от природы и количества электролита. Анодный процесс при коррозии всегда заклю­чается в ионизации металла. В катодном процессе могут участвовать раз­нообразные ионы или молекулы, являясь по отношению к металлу окисли­телями. Поскольку технически чистые металлы изделий всегда загрязнены примесями, а сплавы содержат еще и легирующие добавки, то поверхность металлов характеризуется структурой и термодинамической неоднород­ностью. Поэтому коррозия деталей - это коррозия многокомпонентного металла с неравновесным состоянием поверхности.

Каждому из металлических включений и термодинамически неодно­родных участков соответствуют свои равновесные потенциалы катодных и анодных реакций и своя поляризуемость. Результирующая скорость кор­розии поверхности определяется соотношением токов ионизации и восста­новления на всех микроучастках поверхности. Если в результате катодной реакции наблюдается процесс восстановления ионов водорода, то коррозию называют коррозией с водородной деполяризацией, а если молекул кисло­рода, то называют коррозией с кислородной деполяризацией.

Поскольку водный электролит всегда содержит водородные ионы и мо­лекулы кислорода воздуха, то обе катодные реакции идут параллельно с соизмеримой скоростью или с преобладанием одной из них, которая и бу­дет определять характер процесса и скорость коррозии поверхности.

Под химической коррозией понимается взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают в одном акте.

В каждом из типов различают несколько видов коррозии. Наиболее распространенными являются следующие виды коррозии:

газовая коррозия — химическая коррозия металла в газах при высоких температурах;

атмосферная коррозия — коррозия металла в атмосфере воздуха и в ус­ловиях любого влажного газа;

коррозия внешним током — электрохимическая коррозия металлов под воздействием тока от внешнего источника;

коррозия блуждающим током — электрохимическая коррозия под воз­действием блуждающего тока;

контактная коррозия — электрохимическая коррозия, вызванная кон­тактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите;

коррозия при трении — разрушение металла, вызываемое одновремен­ным воздействием коррозионной среды и трения;

фреттинг-коррозия — коррозия при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозион­ной среды.

В зависимости от степени охвата поверхности изделия коррозия подраз­деляется на сплошную, охватывающую всю поверхность металла; равномер­ную и неравномерную, протекающую соответственно с одинаковой ско­ростью по всей поверхности металла и неодинаковой скоростью на различ­ных участках поверхности; местную коррозию, охватывающую отдельные участки поверхности металла. В свою очередь местная коррозия подразде­ляется на:

подповерхностную коррозию, начинающуюся с поверхности, но преиму­щественно распространяющуюся под поверхностью металла таким обра­зом, что разрушение и продукты коррозии оказываются сосредоточенны­ми в некоторых областях внутри металла. Этот вид коррозии часто вызы­вает вспучивание металла и его расслоение;

точечную коррозию — коррозию в виде отдельных точечных пораже­ний;

коррозию пятнами — коррозию металла в виде отдельных пятен;

сквозную коррозию — коррозию, вызвавшую разрушение металла насквозь. По виду распространения коррозия подразделяется на следующие виды:

послойная коррозия — коррозия, распространяющаяся преимуществен­но в направлении пластической деформации металла;

нитевидная — коррозия, распространяющаяся в виде нитей преимущест­венно под неметаллическими защитными покрытиями;

структурная — коррозия, связанная со структурной неоднородностью металла;

Межкристаллитная — коррозия, распространяющаяся по границам крис­таллов (зерен) металла.

В зависимости от сочетания процесса коррозии с другими видами воз­действия на изделия выделяют:

коррозионное растрескивание — коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних механичес­ких напряжений растяжения с образованием транскристаллитных или меж-кристаллитных трещин;

коррозия под напряжением — коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или переменных механи­ческих напряжений;

коррозионная усталость — понижение предела усталости металла, воз­никающее при одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды;

коррозионная хрупкость — хрупкость, приобретенная металлом в ре­зультате коррозии.

На скорость коррозии оказывают влияние внутренние и внешние фак­торы. К первым относятся химический состав и структура металла, сос­тояние его поверхности, наличие напряжений и т. п., причем с увеличением неоднородности составов и структуры наблюдается возрастание скорости коррозии. Ко вторым относятся вид и состав окружающей среды и усло­вия, при которых протекают физико-химические процессы (температура, давление, скорость потока и т. д.) Выполненные работы в нашей стране и за рубежом показали, что даже при исключении особо агрессивных действую­щих факторов, незащищенные от атмосферных воздействий конструкции ежегодно теряют в результате коррозии 0,13 % массы. По агрессивности атмосферы различают несколько видов ее: сельская, городская, промыш­ленная. Скорость коррозии стали в сельской атмосфере незначительна и обычно находится в пределах 140 г/м². Со временем скорость коррозии снижается и по истечении 10 лет потери от коррозии составляют ¹ /₆ корро­зионных потерь первого года. В промышленной атмосфере по данным многих исследований скорость коррозии составляет в среднем 575 г/м² в год. Для обеспечения коррозионной стойкости используют в основном два метода: отделение металла от агрессивной среды и придание нужных анти­коррозионных свойств среде. Первый способ может обеспечиваться конст­руктивными и (или) технологическими мероприятиями. К конструктив­ным мероприятиям по повышению коррозионной стойкости относятся способы предохранения от проникновения агрессивных сред, а также спосо­бы электрохимической защиты.

Как отмечалось ранее, одной из основных причин коррозии являются электрохимические явления. Мероприятия по предотвращению или ослаб­лению электрохимической коррозии сводятся к проведению мероприятий, затрудняющих или исключающих путь электрическому току через металл или раствор, или же к уменьшению разности потенциалов двух элементов металлической конструкции.

Вариации состояний поверхности оказывают наибольшее влияние на зарождение коррозии, а окружающая среда - на скорость коррозии. Важ­нейшими факторами окружающей среды, влияющими на скорость коррозии, являются кислород, температура, влажность, осадки и загрязняющие вещества, содержащиеся в атмосфере (газы, жидкие или твердые частицы).

К технологическим методам повышения коррозионной стойкости от­носятся методы лакокрасочных покрытий, металлических и химических покрытий и другие методы упрочнения поверхностей.

Особое место в повышении коррозионной стойкости занимают ингиби­торы, т. е. вещества, исключающие или замедляющие процессы коррозии.

В последние годы разработано несколько способов применения инги­биторов для защиты изделий в атмосферной коррозии.

1. Нанесение ингибиторов на поверхности металлов или изделия из водных растворов или органических растворителей.

2. Сублимация ингибиторов на поверхности изделий из воздуха, насы­щенного парами ингибитора.

3. Нанесение на поверхность металла полимерной пленки, содержащей ингибиторы коррозии.

4. Упаковка изделия в ингибиторную бумагу.

5. Внесение в замкнутое пространство пористого носителя с ингибитором.

Различают ингибиторы для черных металлов и ингибиторы универсаль­ного действия, способные защищать одновременно черные и цветные ме­таллы.

Защита сложных конструкций, содержащих несколько металлов, тре­бует учета электрохимического поведения отдельных электродов в много­электродной системе В таких случаях требуется применять ингибиторы (хроматы, нитробензолы) или смеси ингибиторов.

Способы защиты подземных металлических сооружений от коррозии подразделяются на способы защиты от почвенной коррозии и от коррозии блуждающими токами. Первые из этих способов включают:

рациональный выбор трассы прокладки подземных металлических со­оружений ;

рациональный выбор подземных кабелей связи с соответствующей кон­струкцией защитного покрытия, в наибольшей степени отвечающей усло­виям эксплуатации;

изоляцию подземных металлических сооружений и использование спе­циальных методов прокладки (неметаллические трубы, блоки, туннели, коллекторы и т. д.);

катодную поляризацию подземных металлических сооружений.

Для защиты подземных металлических сооружений от коррозии блуж­дающими токами рекомендуются следующие способы:

ограничение величины блуждающих токов на их источниках;

рациональный выбор трассы прокладки подземных металлических со­оружений;

рациональный выбор подземных кабелей связи с соответствующей конструкцией защитного покрытия в наибольшей степени отвечающей усло­виям эксплуатации;

изоляцию подземных металлических сооружений и использование специальных методов прокладки (неметаллические трубы, блоки, каналы, туннели, коллекторы и т. д.) ;

катодную поляризацию подземных металлических сооружений.

95