Механизм и виды изнашивания

Изнашивание – это процесс разрушения или отделения материала с поверхности детали при трении.
Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (например, в мкм).
Изнашивание поверхностей деталей возникает под действием трения и зависит от материалов деталей, качества обработки их поверхностей, нагрузки, скорости относительного перемещения поверхностей, их температур и, пожалуй, самое важное – качества и количества смазочного материала. В зависимости от количества и свойств смазки между трущимися поверхностями различают трение сухое, граничное (полусухое, полужидкостное) и жидкостное [6].
При сухом трении смазочный материал между трущимися поверхностями практически отсутствует. При этом наблюдается механическое зацепление микронеровностей и молекулярное взаимодействие поверхностей в зонах контакта. В этом случае сила трения выражается законом Амонтона – Кулона:

(3.1)

где N - нормальная сила; f – коэффициент трения скольжения.

Коэффициент f зависит от величины микро- и макронеровностей поверхностей, скорости относительного их скольжения, физических свойств трущихся материалов и температуры. Величина коэффициента трения f “чистых” металлов для металлических пар лежит в пределах от 0,06 до 0,20.
При граничном (полусухом, полужидкостном) трении молекулы масла адсорбируются кристаллической решеткой металла, образуя несколько слоев упорядоченных молекул, толщиной около 0,1 мкм. Это позволяет несколько снизить пластические деформации металлов и уменьшать таким образом крайне негативные последствия сухого трения.
При жидкостном трении контакт поверхностей заменяется трением слоев смазки. Коэффициент трения выражается соотношением:

(3.2)

где A – коэффициент пропорциональности; m - коэффициент динамической вязкости; V – скорость относительного перемещения; N - нормальная сила.

При жидкостном трении контакта трущихся поверхностей вообще не должно быть, равно как и их изнашивания. Согласно гидростатической теории смазки пусть даже без непосредственного контакта незначительный износ поверхностей все же наблюдается в результате физико-химических, в том числе и электростатических процессов, возникающих между трущимися поверхностями, и контакта их со смазочным материалом.
Виды изнашивания деталей автомобиля следует квалифицировать согласно рис.3.1.

Рис.3.1. Виды изнашивания деталей автомобилей

1.Механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий.

1.1 Абразивное изнашивание проявляется вследствие попадания между трущимися поверхностями так называемых абразивных частиц. Эти частицы имеют большую твердость, чем твердость поверхности трения, пластически деформируют поверхность трения, образуя на них риски и царапины. Абразивные частицы попадают между поверхностями трения деталей вместе с атмосферным воздухом, топливом, смазочным материалом, техническими жидкостями или образуются из продуктов изнашивания. Абразивное изнашивание в автомобиле являются доминирующим. Происходит, например, в поршневых узлах, парах скольжения, шкворневых соединениях и т.д.

1.2 Изнашивание при пластическом деформировании сопровождается изменением макрогеометрических размеров детали без потери массы под действием передаваемой нагрузки и под влиянием сил трения, что сопровождается перемещением металлов в сторону скольжения. По пластическому механизму происходит изнашивание резьбовых соединений, вкладышей подшипников скольжения, различных втулок и т.д.

1.3 Изнашивание при хрупком разрушении заключается в том, что поверхностный слой трущихся деталей в результате трения и деформирования (чаще многоциклового) подвергается интенсивному наклепу, становится хрупким и разрушается. Этот вид изнашивания первоначально происходит по механизму предыдущего вида изнашивания, но характерен более высокими нагрузками в контакте трения, что и приводит к образованию наклепа и последующему разрушению поверхностей деталей уже с потерей массы. Самый характерный пример – изнашивание беговых дорожек подшипников качения.

1.4 Усталостное изнашивание (“питтинг”) заключается в образовании на поверхности трения усталостных трещин под действием повторных знакопеременных сил. Впоследствии микротрещины растут и выкрашиваются. При этом росту трещин и выкрашиванию в них материалов способствует смазка, работающая по механизму расклинивания. Этот вид изнашивания наиболее характерен для трущихся поверхностей газораспределительного механизма (ГРМ), зубчатых передач и т.д.

2. Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате молекулярного взаимодействия трущихся поверхностей. Часто наблюдается при недостатке смазки, больших нагрузках, температурах и скоростях скольжения.

2.1 Изнашивание схватыванием (схватывание первого рода). Заключается в микросваривании участков трущихся поверхностей, после последующего их взаимного перемещения возникшая связь разрушается.

2.2 Адгезионное (тепловое) изнашивание (схватывание второго рода). Первые этапы идентичны предыдущему виду изнашивания, а далее схватывание контактирующих поверхностей разъединяется не в месте сваривания, а происходит с переносом части одного металла на поверхность другого (адгезия металла). При более жестких условиях трения трущиеся сварившиеся металлы вообще могут не разъединиться, что приводит к заклиниванию или полной потере подвижности контактирующих деталей. Результаты это вида изнашивания легко наблюдать, например, на шейках коленчатого вала, зеркале цилиндра и т.д. Часто заклинивают поршни в двигателях, коленчатые валы и пр.

3. Коррозионно-механическое изнашивание. Это механическое изнашивание, усиленное явлениями коррозии.

3.1 Окислительное изнашивание. Под действием химически агрессивных сред (вода, неорганические и органические кислоты) на трущихся поверхностях образуются оксиды металлов. Суть коррозионных явлений в автомобилях подробно рассмотрена в разделе 3.5. Износостойкость оксидов существенно ниже износостойкости основных металлов. После выработки оксидов металлы оголяются и опять окисляются. В результате общий износ поверхностей деталей интенсифицируется. Данный вид изнашивания наблюдается на всех трущихся поверхностях деталей автомобиля, контактирующих с агрессивными средами – детали ЦПГ двигателя, шарниры систем автомобиля и т.д.

3.2 Фреттинг-коррозионное изнашивание характерно для поверхностей трущихся деталей, подверженных, помимо окисления, вибрациям, т.е. колебаниям с высокой частотой и малой амплитудой. Частицы оксидных пленок при этом не только истираются, но и отделяются (осыпаются) с поверхностей, таким образом увеличивается износ металлов. Продукты окисления к тому же являются абразивными частицами, интенсифицирующими абразивное изнашивание. Фреттинг-коррозия наблюдается в соединениях больших корпусных деталей, например в местах прилегания фланцев блока цилиндров и картера сцепления. Другой типичный пример – поверхности контакта вкладышей шеек коленчатого вала и постелей в картере двигателя.

4. Эрозионное изнашивание заключается в вырывании частиц материалов деталей с поверхностей, омываемых газами с высокой температурой и скоростью. Примеры – поверхности деталей камер сгорания двигателей (в первую очередь поршней и головок цилиндров), поверхности выпускных клапанов. Подвидом эрозионного изнашивания является электроэрозионное изнашивание. Заключается в вырывании частиц металлов с поверхностей в результате воздействия дуги электрического разряда. Примеры – в контактах системы зажигания.

5. Кавитационное изнашивание происходит при омывании твердого тела жидкостью. Обусловлено местными изменениями давлений и температур. Например, в двигателях этому виду изнашивания подвержены внешние поверхности мокрых гильз цилиндров, лопастей водяного насоса и т.д.

Каждый из видов изнашивания редко встречается в чистом виде, обычно они проявляются комплексно. Например, если лопасти водяного насоса подвержены только кавитационному изнашиванию, то на зеркале цилиндра наблюдается в большей или меньшей степени все виды изнашивания, кроме кавитационного.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЛИ ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

К процессам изменения параметров ТС КЭ автомобиля, обусловленных их работой, относятся:
изнашивание, пластические деформации и прочностные разрушения, остаточные деформации, усталостные разрушения, коррозия и старение материалов. Знание процессов изменения ТС КЭ автомобиля важно прежде всего для совершенствования их конструкции, для нормирования периодичности и структуры технических вмешательств в автомобиль в процессе эксплуатации.

ИЗНАШИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ