Процессы старения в деталях машин.
Лекция 3
Трение и изнашивание деталей и рабочих органов машин
Процессы старения в деталях машин.
Виды изнашивания рабочих поверхностей машин.
Основные закономерности изнашивания
Влияние на изнашивание вида трения и смазки
Процессы старения в деталях машин.
Процессы старения характеризуются сложными и разнообразными явлениями, происходящими в материалах деталей машины. По внешнему проявлению процесса, например по деформации детали, ее износу, изменению свойств и другим показателям, можно судить о степени повреждения материала детали и, следовательно, оценить близость изделия к предельному состоянию. Рассматривая необратимые процессы старения, следует определить и область, в которой проявляется данный процесс, т. е. затрагивает ли он весь объем материала детали, проявляется лишь в поверхностных слоях или протекает при контакте двух сопряженных поверхностей.
В табл. 1. дана классификация процессов старения по их внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса.
Тело детали может подвергаться разрушению, которое является наиболее опасным проявлением процессов старения, деформироваться или изменять свойства материала — его пластичность, электропроводность, магнитные свойства и т. п.
Наиболее часто процессы старения протекают в поверхностных слоях. При этом поверхность детали может подвергаться температурным, химическим, механическим и иным воздействиям внешней среды. В результате могут происходить явления, связанные с потерей материала поверхности в результате коррозии, эрозии, кавитации и других процессов, которые объединены одним термином — разъедание поверхности.
На поверхности могут протекать и такие процессы, как адгезия, абсорбция, нагар и другие, которые связаны с присоединением к поверхности других материалов. Эти процессы будем называть наростом. В результате внешних воздействий возможно также изменение свойств поверхностного слоя — его микрогеометрии, твердости, отражательной способности и др.
Специфические процессы протекают при контакте двух сопряженных поверхностей, что наиболее характерно для механизмов и элементов машин.
В этом случае в подвижных соединениях протекают разнообразные процессы износа, которые включают как истирание поверхности, так и усталость поверхностных слоев и ее пластическое деформирование (смятие).
Для подвижных и неподвижных соединений может произойти изменение условий контакта, что приводит, как правило, к изменению жесткости, коэффициента трения и других параметров сопряжения.
Таблица 1.
Классификация процессов старения (необратимые процессы)
| Объект | Внешнее проявление процесса (вид повреждения) | Разновидности процесса |
| Тело детали (объемные явления) | Разрушение | Хрупкое разрушение, вязкое разрушение |
| Деформация | Пластическая деформация, ползучесть, коробление | |
| Изменение свойств материала | Изменение: структуры материала, механических свойств (пластичность), химического состава, магнитных свойств, газопроницаемости, загрязнение жидкостей (смазки, топлива) | |
| Поверхность (поверхностные явления) | Разъедание | Коррозия, эрозия, кавитация, прогар, трещинообразование |
| Нарост | Налипание (адгезия, когезия, адсорбция, диффузия), нагар, облитерация (заращивание) | |
| Изменение свойств поверхностного слоя | Изменение шероховатости, твердости, отражательной способности, напряженного состояния | |
| Износ | Износ (истирание), усталость поверхностных слоев, смятие, перенос материала | |
| Изменение условий контакта | Изменение площади контакта, глубины внедрения микровыступов, сплошности смазки |
Разрушение материала детали (его излом) относится, как правило, к недопустимым видам повреждения. Это связано с тем, что поломка деталей в результате разрушения часто носит лавинообразный характер и протекает с большой скоростью. Поэтому расчеты, связанные с прочностью, оценивают не скорость процесса разрушения, а те условия, при которых данный процесс не возникает.
Разрушение материала детали может произойти как в результате возникновения недопустимых статических или динамических нагрузок, так и при длительном действии переменных нагрузок, приводящих к усталостным разрушениям.
В первом случае будут иметь, место внезапные отказы, так как превышение внешними нагрузками допустимых значений не связано с длительностью предшествующей эксплуатации изделия. Усталостные разрушения относятся к постепенным отказам, так как при работе детали происходит изменение несущей способности материала, и время предшествующей эксплуатации (число циклов нагружения) влияет на вероятность возникновения отказа — усталостной поломки детали.
Усталостное разрушение материала не обязательно должно привести к поломкам детали. Возможно возникновение усталостных трещин, которые до определенных размеров незначительно снижают работоспособность изделия, и опасность представляет в основном возможность их быстрого роста, приводящая к снижению несущей способности изделия.
Следует подчеркнуть, что современные методы расчетов позволяют в ряде случаев оценить скорость развития трещин и, следовательно, указать период времени, в течение которого они будут находиться в допустимых пределах.
Местные разрушения могут проявляться на таких деталях, как трубопроводы гидросистем, когда из-за превышения допустимых значений давления или из-за понижения прочности материала детали, например под воздействием высоких температур, происходит местное вздутие, а затем и разрушение данного участка.
В ряде современных машин разрушение деталей может происходить в результате большой температурной и силовой напряженности, в которых они работают. Таким образом, разрушение материала, как проявление данного процесса старения, может являться следствием комплекса разнообразных необратимых процессов.
Наиболее характерным проявлением процесса старения материала является необратимая деформация детали. Рост деформации во времени приводит к постепенному изменению начальных параметров изделия, и при высоких требованиях к точности, которые характерны для современных машин, отказ наступает значительно раньше, чем будет исчерпана несущая способность детали.
Пластические деформации деталей, изменяющиеся во времени, особенно, если имеют место повышенные температуры, называются ползучестью. Ползучесть может привести к нарушению правильной работы изделия. Ползучесть проявляется в том, что соединения теряют начальный натяг, изменяется начальное взаимное положение деталей и их форма.
Деформация деталей может происходить и при напряжениях, находящихся в пределах упругости за счет перераспределения внутренних напряжений. Эти напряжения могут возникнуть в процессе отливки детали или при структурных превращениях.
Внутренние процессы, происходящие в материалах после их изготовления и изменяющие их структуру или состав фаз, влияют не только на деформацию изделий, но и могут привести к изменению механических, магнитных и других свойств.
Например, появление газопроницаемости или просачивание жидкости через стенку резервуара связано со структурными изменениями материала и приводит, как правило, к недопустимым повреждениям изделия.
К этой же категории относятся процессы засорения или изменения свойств жидкостей и газов, если они являются рабочими элементами машины. Например, засорение масла гидросистем или топлива двигателей, изменение свойств газа амортизаторов и т. п.
При взаимодействии поверхности детали с внешней средой в поверхностном слое могут происходить разнообразные процессы старения, для которых характерна либо потеря исходного материала, либо присоединение нового материла из окружающей среды.
В первом случае будет происходить разъедание поверхности в результате нижеперечисленных процессов. Коррозия металлов и сплавов представляет собой их разрушение в результате химического или электрохимического действия среды. Разрушение всегда начинается с поверхности детали. Различают атмосферную, электрохимическую и газовую (химическую) коррозию.
Атмосферной коррозии подвержены внешние части машин при действии на них атмосферных осадков и влажного воздуха - кузова и кабины машин, рабочие органы и т. п. Атмосферная коррозия является одним из проявлений электрохимической коррозии, когда влажные газы и жидкие электролиты создают условия для протекания реакций окисления и восстановления (анодные и катодные реакции). Протеканию процессов электрохимической коррозии способствует неоднородность материала, когда отдельные участки поверхности обладают различными значениями электродного потенциала. Так, из-за отдельных включений, наличия пленок, различного напряженного состояния участков поверхности возникает большое число микрогальванических элементов, генерирующих коррозионный ток.
Коррозия в сочетании с действием переменного напряжения может привести к коррозионной усталости материала. Такие элементы машин, как металлические канаты, рессоры, элементы гидронасосов часто подвергаются коррозионной усталости.
Одним из опасных видов коррозионного разрушения является растрескивание поверхности при одновременном действии коррозионной среды и статических или повторно-статических нагрузок.
При действии на поверхность детали потока газа или жидкости при определенных условиях (большая скорость потока, наличие в нем абразивных частиц и т. п.) может привести к «размыванию», эрозии поверхностного слоя. На поверхности появляются локальные пятна, выбоины, кратеры, царапины и т. п. Интенсивность повреждения при эрозии может быть значительной, если поток газа или жидкости обладает большой кинетической энергией и может создавать высокие напряжения в поверхностном слое.
Процессы эрозионного разрушения поверхностей характерны, например, для деталей глубинных насосов, перекачивающих глинистые растворы или нефть, распределителей гидравлических и топливных агрегатов и др. Часто процессы эрозии и коррозии протекают одновременно.
Характерным для деталей гидравлических машин является кавитация, когда в потоке жидкости создаются пузырьки пара и газа и при переходе в область с более высоким давлением происходит конденсация пара и создаются условия для местного гидравлического удара. При этом воздействия на поверхность могут быть столь значительны, что появляются глубокие каверны, которые могут сливаться и создавать кратер или даже сквозное отверстие.
Многие поверхности деталей машин, взаимодействуя с окружающей средой, претерпевают такие изменения, в результате которых происходит присоединение (нарост) материала и поверхность изменяет свою форму и свойства.
Налипание на поверхность посторонних частиц происходит в результате процессов адгезии, когезии, адсорбции, диффузии, в результате молекулярных взаимодействий, проявления различных химических связей и действия сил электрического происхождения. Нарост часто проявляется в виде нагара на свечах двигателей внутреннего сгорания, загрязнении фильтров, внутренних стенок корпусом редукторов, открытых поверхностей.
Для гидравлических систем, имеющих малые проходные сечения, часто происходит процесс заращивания каналов, так называемая облитерация. Этот процесс связан с соударением и слипанием твердых частиц и примесей в жидкости и их налипанием на стенки гидроканалов. Процесс облитерации зависит от вязкости масла, наличия полярных молекул, способных удерживаться на стенках каналов, концентрации и размера примесей в масле, активности поля поверхности гидроканала и других факторов.
Поскольку сильное сцепление со стенкой канала проявляется для слоев толщиной в несколько микрон, явление облитерации особенно опасно для малых сечений гидроканалов (например, в дроссельных золотниках).
В результате изменяется расход жидкости через канал, изменяется давление в системе, что может привести к параметрическому отказу системы или даже к отказу ее функционирования.
При взаимодействии поверхности детали с окружающей средой часто происходят такие процессы, которые не вызывают ни налипания, ни удаления материала, а лишь изменяют геометрические и физические свойства поверхности — ее шероховатость, твердость, отражательную способность, напряженное состояние и т. п.
Наиболее характерные для машин процессы старения протекают при контакте двух поверхностей, особенно если имеет место их относительное перемещение. В этом случае, как правило, происходит износ поверхностей.