3.5. Багатостадійні процеси зношування

Здебільшого процес пошкодження виникає як наслідок одночасного протікання декількох процесів старіння, взаємодіючих між собою, внаслідок чого старіння (зношування) відбувається по-стадійно. При цьому на кожній стадії змінюється не тільки швидкість та інтенсивність, але й сутність зношування, а відповідно, закономірність процесу старіння. Тому для описання кожної стадії процесу К_зн (/) та 1/(і) застосовуються свої закони. Такі процеси отримали назву багатостадійних. Наприклад, можна привести аналіз процесу старіння ненасичених полімерів (каучуку тощо), з яких виготовляється великий асортимент гумотехнічних виробів. Процес старіння цих деталей пов’язаний з поглинанням кисню з повітря, втратою еластичності та збільшенням крихкості металу виробу. Він має чотири стадії зони.

Слід відмітити, що характер контакту двох тіл і виникнення фрикційних зв’язків чинить вплив не тільки на мікрорельєф, але й на тонкий (субмікрорельєф), пов’язаний з виникненням, розвитком і взаємодією дислокацій. У разі зустрічі субмікрошорсткостей підчас тертя миттєво виникають нові дислокаційні утворення, які охоплюють не тільки місця фізичного контакту, але й прилеглі зони металу. Все це призводить до того, що зношування (процес руйнування поверхонь) є наслідком досить складних явищ.

Найхарактерніші явища і процеси, які супроводжують процес зношування (взаємодію мікрорельєфів і виникнення фрикційних зв’язків):

• виникнення локальних температур;

• хіміко-термічні процесів;

• вплив на процес тертя та зношування мащення та перенос матеріалів з однієї поверхні на іншу.

Виникнення високих локальних температур (які при місцевих тисках можуть досягти великих значень) відповідають фазовим перетворенням в поверхневих шарах чи призводять до розплавлення металу (появи «мостиків зварювання»). Поєднання повторних механічних і термічних напружень може викликати появу мікротріщин, змикання яких на деякій глибині веде до відокремлення матеріалу.

Поява хіміко-механічних процесів (утворення оксидних плівок чи інших хімічних сполучень, зміна властивостей поверхневого шару під дією водню, який виділяється з мастильного матеріалу, і, як наслідок, поява крихкості) призводить до того, що властивості поверхневого шару, як правило, дуже відрізняються від властивостей основного матеріалу. Саме цей шар і підлягає руйнуванню.

Мастильний матеріал чинить виключно важливий вплив на тертя та зношування. При надійному розділенні тертьових поверхонь мастилом процес зношування майже виключається і можливий лише в результаті фізико-хімічної дії рідкого середовища і газів у періоди порушення рідинного мащення при потраплянні в мастильний матеріал абразивних часток чи за рахунок процесу кавітації. Проте найхарактернішим для більшості вузлів машин є граничне мастило, коли шар мастильного матеріалу не перевищує 0,1...0,2 мкм. В цьому разі на тертя та зношування впливає багато факторів, які розглядались вище, з усіма витікаючими звідси наслідками, в тому числі і зміна стану поверхневих шарів металу. Великий вплив при цьому чинить наявність в мастильному матеріалі присадок ПАР, які діють подвійно. З одного боку їх наявність до деякої концентрації в оливі значно знижує сили тертя, і в результаті силове навантаження на мікровиступі зменшується. З другого — вони інтенсифікують процес руйнування поверхневих шарів за рахунок появи ефектів П.О. Ребіндера, в тому числі розклинюючої дії оливи в мікротріщинах.

У разі тертя без мастильного матеріалу має місце прямий контакт мікровиступів, і навантаження концентрується в окремих зонах, внаслідок чого створюються умови для втомленості, руйнування або пластичної деформації.

Процеси перенесення матеріалів з однієї поверхні на іншу (пластичнішого на твердішій) пов’язані також з порушенням (розривом) оливної плівки і появою міжмолекулярних зв’язків (когезії), що призводить до зношування при заїданні.

Отже, при терті двох металевих тіл відбуваються в мініатюрі майже всі ті явища, які спостерігаються при дослідженні механічних властивостей металів.

Типовим прикладом багатостадійного процесу може служити зношування спряжень тертьової пари, коли багатостадійність процесу пошкодження виникає як наслідок одночасного протікання декількох процесів старіння, які взаємодіють між собою.

Класична крива зношування складається з 3-х областей :

• періоду припрацювання (/_п);

• періоду усталеного (нормального) зношування (/_у);

• періоду інтенсивного (катастрофічного) зношування (ґ_к).

Кожний з цих періодів відображає якісний стан пари. Перехід

з однієї якості в іншу визначається кількісним накопиченням елементарних пошкоджень.

В період припрацювання за рахунок мікронерівностей тертьових поверхонь тертя часто відбувається за умов граничного мастила і супроводжується виділеннямвеликої кількості теплоти. Саме в цей період, ЗГІДНО З теоріями про тертя, спостерігається суперпозиція розгляну них вище явищ при терті: пружне та пластичне відтиснення, мікрорізання, адгезія ікогезійний відрив, а внаслідок високих температур — структурнатертьових поверхонь.

Отже, в період припрацьовування відбувається не тільки кількісна, але й якісна зміна тертьових поверхонь, тобто об'єкт немов би пристосовується до умов навантаження. Наприклад, в процесі припрацювання тертьової пари вал-підшипник йде направлена зміна шорсткості поверхні і структури поверхневих шарів. Швидкість зміни мікронерівностей поверхонь тертя, а разом з нею і швидкість зношування, поступово зменшуються і настає другий, більш тривалий період усталеного (нормального) зношування.

Період усталеного зношування характеризується постійністю рельєфу мікронерівностей та збільшенням зазору без суттєвих якісних змін характеру роботи пари. В цій зоні об’єкт набуває деяких стабільних властивостей, які відповідають умовам навантаження. Стосовно тертьової пари вал-підшипник період нормального зношування характеризується сталістю рельєфу шорсткості та поступовим ростом зерна без зміни фізичної картини взаємодії вала з підшипником. В цій зоні швидкість зміни зношування близька до постійної.

Якщо в період нормального зношування зміни, які протікають в елементі, мають переважно кількісний характер, то з накопиченням деякого зношення виникає якісний стрибок у стані елемента, який полягає в суттєвій зміні явищ, що відбуваються. На швидкість зношування машини в цілому починають чинити вплив нові фактори: вібрація (в результаті збільшення зазорів окремих сполучень чи в результаті зношення та ослаблення кріпильних деталей), інтенсивне зношування окремих деталей та сполучень (внаслідок порушення чи зношення поверхневого зміцненого шару, які раніше не відчувались). Все це призводить до погіршання стану окремих деталей і, нарешті, до їх руйнування.

Лінійне зношення в усталений період можна визначити за формулою:

U=kt=V_знt (3.4)

де к = tgа — кут нахилу прямої до осі абсцис при усталеному зношуванні, який характеризує К_зн .

Для зношування з урахуванням припрацювання:

U=U_n+ V_знt(3.5)

де и_n — зношування за період припрацювання.

Вся складність полягає в тому, як визначити швидкість зношування V_зн.

При інтенсивному зношуванні зміни в стані елемента, як і при припрацюванні, мають направлений характер. Для тертьової пари вал-підшипник, наприклад, катастрофічне зношування виникає із збільшенням зазору вище заданих параметрів за рахунок ударних навантажень та порушення умов змащування. З моменту початку інтенсивного зношування йде направлене погіршання якості поверхні, ріст шорсткостей, з’являються охоплення з наступним вириванням великих частинок, і нарешті підшипник руйнується.

Отже під час експлуатації та зберігання машин в металах, пластмасах та інших матеріалах, з яких виготовлені деталі, накопичуються незворотні зміни, які порушують міцність, координацію, взаємодію частин, і спричиняють відмову.

Для деталей машин період катастрофічного зношування, як правило, неприпустимий, тому треба знати лише умови, при яких воно може виникнути. При цьому нас цікавить не констатація фактів, а дослідження протікаючих процесів, щоб керувати ними. Тому на питанні припрацювання спряжених деталей зупинимося більш детально.