Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів (стр. 3 из 22)

•вільних часток, що попадають у зону контакту тертьових тіл (оксидні плівки, частки зношування, пили);

•незакріплених часток, що передають тиск деформуючої маси (абразивні частки в ґрунті, гірських породах, насипних вантажах при їх транспортуванні).

Абразивне зношування закріпленими частками спостерігається у двигунах внутрішнього згоряння (у парі тертя циліндр-поршневе кільце), при обробці матеріалів абразивним інструментом огранювання каміння, виготовлення лінз і виробів з деревини, обробка металів без застосування мастильно-охолоджуючих рідин) і т.д..

Звичайно перший механізм вносить незначний вклад у процес зношування в порівнянні із другим. Поверхня металів, що зазнають абразивне зношування, покривається безліччю паралельно розташованих канавок, орієнтованих у напрямку відносного переміщення тіл, що сполучаються. В окремих випадках, що особливо коли домінують є другий механізм зношування, дно канавок покривається мікротріщинами, площина яких перпендикулярна до вектора V. Встановлено, що вплив швидкості ковзання на І_h металів при абразивному зношуванні неоднозначне. Характер залежності І_h (v) є досить складним і визначається структурою металу й рівнем нормального навантаження. При в при v > 2 м/с спостерігається тенденція до зменшення І_h з ростом швидкості ковзання. Для ряду металів при низьких швидкостях ковзання інтенсивність зношування перебуває в прямої залежності від тиску на контакті, швидкості ковзання й коефіцієнта тертя:

Очевидно, однієї із причин зниження І_h є зменшення глибини відносного впровадження часток в обсяг металу з ростом v. Відповідність І_h роботі тертя підтверджує можливість застосування кінетичної теорії міцності твердих тіл для пояснення закономірностей їх абразивного зношування. Контактно-абразивне зношування вільними частками. Контактно-абразивне зношування спостерігається у вузлах тертя двигунів внутрішнього згоряння (циліндр - поршневе кільце), транспорту ( колесо-рейка, п'ята - підп'ятник поворотного механізму вагонів, у парах вал втулка, палець - вушко гусениці) і інших обладнань. Механізм зношування тертьових тіл, у контакті яких перебуває вільний абразив (частки зношування, оксидів, нагару, пили), залежить від співвідношення твердості поверхонь цих тіл і твердості абразиву, а також від навантаження. Для важко навантажених вузлів тертя (зубчасті передачі, підшипники кочення) найбільш імовірним є процес дроблення абразиву. частки, що попадають у зону контакту, абразиву не встигають впровадитися в обсяг одного з тертьових тіл на необхідну для мікрорізання глибину {h/R >0,1) і руйнуються. Руйнування відбувається импульсно, подібно мікровибуху, а осколки, що утворюються при цьому, володіючи високою швидкістю, вибивають із поверхневого шару тіла, що зношується, невеликі обсяги матеріалу або пластично деформують його. У цьому випадку поверхні тертя мають кратероподібні сліди руйнування, які можуть бути лише незначно витягнутими в напрямку відносного руху тертьових тел. Зношування поверхонь, що сполучаються тіл не супроводжується утворенням стружки. Зношування в масі абразивних часток цей вид зношування має місце у вузлах тертя сільськогосподарської техніки (диски, ножі й лемеша ґрунтообробних машин, деталі, що контактують із мінеральними добривами, ножі й шнеки збиральних машин) гірничодобувного устаткування (долота бурильних установок, ковші екскаваторів, деталі піднімальних обладнань), транспорту (платформи для насипаних вантажів, стрічки конвеєрів).

1.1.1 Сучасні теорії й механізми зношування твердих тіл

Гідроабразивне зношування - це відділення з поверхні тертя матеріалу або його пластичне деформування під впливом твердих часток, що захоплюються потоком рідини, що супроводжується зміною розмірів тіла, що зношується. Цьому виду зношування зазнають трубопроводи, деталі бурових установок, земснарядів, польових машин, водного транспорту, турбін насосів, сопла й дефлектори дощувальних установок. Механізм і інтенсивність зношування матеріалів залежать від кута атаки

часток. Якщо а =90° (частки падають перпендикулярно до поверхні, що зношується), можливі наступні види зношування твердих тіл: крихке руйнування, зношування внаслідок пластичного деформування, перенаклеп з наступним відділенням матеріалу у вигляді лусочок. У цьому випадку найбільшу зносостійкість мають матеріали, здатні витримувати без руйнування багаторазові деформації (гума, полімери, полімеркераміка ), найменшої - тендітні (стекло, базальт). Зі зменшенням зростає роль мікрорізання й малоциклової втоми. У цьому випадку більш зносостійкими стають метали. Хімічна активність вологи також впливає на механізм зношування. Так, вода при терті сприяє прискоренню окиснення металу й утворенню вільного водню, що гарантує більш інтенсивне зношування. Експериментально встановлене, що підвищення твердості чистих металів і сталі викликає збільшення їх зносостійкості. Гідроабразивна зносостійкість пластмас нижче, чим металів. Однак на відміну від металів збільшення кута атаки абразивних часток приводить до підвищення їх зносостійкості, і по цій характеристиці полімерні матеріали (особливо гуми й поліуретани) наближаються до металів. Даний ефект пояснюється високим рівнем розсіювання енергії удару й релаксацією напруг, що виникають у поверхневому шарі полімеру при ударі частки. Ці фактори пов'язані з деформаційними властивостями полімерів, про що свідчить кореляція їх опору зношуванню з модулем пружності. Установлене, що незалежно від кута атаки абразивних часток їм при гідроабразивному зношуванні монотонно зменшується з ростом модуля пружності полімерних матеріалів. Таким чином, полімери мають перевагу в порівнянні з металами по гідроабразивній зносостійкості при більших кутах атаки й малої енергії удару, обумовленою масою й швидкістю часток абразиву. Особливо ефективне застосування полімерних матеріалів при гідроабразивному зношуванні в агресивних середовищах. Газоподібне зношування - це відділення з поверхні тертя матеріалу або його пластичне деформування під впливом твердих часток, що захоплюються потоком газу, що супроводжується зміною розмірів тіла, що зношується. Цьому виду зношування зазнають деталі пневмотранспортних обладнань, газових турбін, дезінтеграторів, гірничо-шахтного устаткування, молотки дробарок, обшивка літальних апаратів, лопатки вентиляторів, сопла піскострумінних автоматів, вихлопні труби. Кінетична енергія твердих часток витрачається на деформування, розігрівши й руйнування поверхневого шару деталі, що зношується, а також на трибохімічні реакції, емісію електронів і прискорення часток після удару. Механізм газоподібного зношування визначається структурою й механічними властивостями матеріалів, що зношуються, а також кутом атаки, швидкістю й розмірами абразивних часток. При малих кутах атаки, коли реалізується упругопластичний (матеріал з низькою твердістю) ковзний контакт абразивних часток з поверхнею, що зношується, частки зношування виникають у результаті багаторазового пластичного деформування матеріалу абразивом. На поверхні тертя утворюються витягнуті в напрямку V лунки (канавки), на краях яких розташовуються гребінці пластично деформованого матеріалу. Після багаторазових ударів абразивних часток і деформацій матеріалу відбувається його окрихчення й відділення від поверхні тертя. Таким чином, зношування є результатом пластичного деформування матеріалу і його малоциклової втоми. З підвищенням твердості матеріалу лунки стають менш глибокими, менший обсяг поверхневого шару зазнає деформаціям і наклепу. При цьому вплив пластичних деформацій і утоми на процес зношування знижується, що викликає зменшення І. В окремих випадках можливе мікрорізання з утворенням стружки. Ерозійне зношування - це процес відділення з поверхні твердого тіла часток матеріалу під впливом, що рухається щодо нього рідкого або газового середовища, що не містить абразивних часток, що супроводжується зміною розмірів цього тіла. Спостерігається ерозійне зношування при впливі високошвидкісного потоку рідини, газу або пари. Зокрема , цьому виду зношування зазнають відсічні крайки золотників, клапани гідроапаратури, не прироблені поршневі кільця двигунів (потік газів зношує метал у місцях нещільного прилягання кільця до циліндра), лопати гребних гвинтів, деталі літальних апаратів, сопла ракетних двигунів. Процес ерозійного зношування можна умовно розділити на два етапи. На першому етапі руйнування обумовлене тертям середовища, що рухається, про поверхню твердого тіла. Молекули газу або рідини, взаємодіючі з атомами поверхні твердого тіла, що й захоплюються потоками середовища, що рухається, "витягають" окремі атоми з поверхні, а згодом розхитують і вимивають окремі мікрообсяги матеріалу. Значно більш відчутний внесок у зношування вносить динамічна дія потоку. Воно обумовлене ударною дією молекул середовища на поверхню твердого тіла. Таке зіткнення супроводжується вириванням більших часток (груп зерен з несприятливою орієнтацією структурних утворів щодо діючої сили) і тому в більшій мірі визначає інтенсивність зношування. У пластичних матеріалах руйнування поверхні має місце лише на останній стадії, а в початковий період накопичуються мікропластичні деформації, матеріал наклепується. Коли вичерпується здатність металу до зміцнення, відбувається "вимивання" часток матеріалу. Таким чином, перший етап ерозійного зношування закінчується утворенням на поверхні тертя тріщин або поглиблень, що розташовуються в напрямку руху середовища. Він характеризується низькою інтенсивністю зношування. Другий етап обумовлений розвитком мікротріщин або інших дефектів поверхні, викликаним розклинюючою дією молекул середовища, що рухається, впроваджуються в обсяг цих дефектів з великою швидкістю. Ударна дія молекул обумовлена не тільки високою швидкістю потоку середовища, але й турбулентністю її руху поблизу дефектів поверхні. Розвиток мікротріщин можливо також внаслідок прояву ефекту Ребиндера. Цей етап характеризується більш високою інтенсивністю зношування. Найбільш істотний вплив на інтенсивність ерозійного зношування виявляє склад середовища, що рухається. Так, при згорянні бензину в камері внутрішнього згоряння утворюються пара, двоокис вуглецю, оксиди сірки й азоту, з'єднання хлору. Результатом взаємодії цих з'єднань є утворення вугільної, сарної, азотної й соляної кислот. Конденсація кислот на стінках циліндра, поршня й поршневих кілець приводить до ерозійно-корозійного зношування перерахованих деталей. Газовий потік сприяє відділенню продуктів корозії з поверхонь тертя і їх видаленню. Очевидно, що інтенсивність зношування в таких умовах значною мірою визначається хімічною активністю середовища. Ерозійне зношування ставиться до слабовивченим видам. Порівняно велика кількість досліджень виконана тільки по вивченню ерозії твердих тіл дощовими краплями. Тому про відносну зносостійкість різних класів матеріалів можна обіцяти по отриманих Р. Лангбейном даним про швидкість зношування твердих тіл краплями дощу (мал. 7.15). Видно, що найменшою стійкістю до зношування має скло й полімерні матеріали. Кераміка, незважаючи на високу крихкість, є більш зносостійкою. Максимальний опір ерозійному зношуванню виявляють метали, якщо середовище, що рухається, не є хімічно активною.