Выкрашивание металла на поверхности

Обновлено: 04.10.2024

Образование поверхностных усталостных раковин или выкрашивание является результатом усталости металла от многократного перенапряжения вследствие одновременного действия качения и скольжения. Этот процесс разрушения характерен для шариковых и роликовых подшипников, шестерен и подшипников скольжения. Образование усталостных раковин, как и при обычных усталостных разрушениях, начинается с первичной трещины. Эта трещина развивается не в глубину детали, а, захватывая небольшой объем металла, замыкается на поверхности. Ограниченный трещиной участок детали отрывается и при дальнейшем своем развитии производит дополнительные разрушения, а иногда приводит к аварии, например, поломке зубьев шестерен, выправлению подшипников и т.п.

Рассмотрим этот процесс разрушения на шариковом подшипнике.

При работе подшипника на точку с беговой дорожки силы действуют непостоянно. Во время попадания в эту точку шарика силы достигают наибольшей величины. При дальнейшем движении шарика точка а разгружается. Через некоторое время в точку а попадает второй шарик и процесс повторяется.

Таким образом, точка с испытывает давления, меняющиеся от наименьшей до наибольшей величины, т.е. поддается воздействиям переменной нагрузки. Для подшипника, например, с диаметром беговой дорожки, равной 48 мм, скорость передвижения шариков по беговой дорожке при 1000 об/мин составит более 2 м/сек. При этом продолжительность силового воздействия на площадь, равную площади контакта шарика с беговой дорожкой, занимает около 0,0002 секунды. Фактическая поверхность соприкосновения шарика с беговой дорожкой равна 0,01-0,00001 от расчетной, и даже при небольших нагрузках на подшипник удельное давление достигает 20000 кг/см 2 . Небольшой участок поверхности беговой дорожки, испытывая высокие мгновенные напряжения, нагревается до температуры около 1000°.

В течение очень небольших отрезков времени в металле подшипника протекают следующие процессы. Металл в нагретом участке расширяется, и часть окружающих его слоев пластически деформируется. При отходе шарика участок разгружается и остывает. При этом в металле данного участка возникнут остаточные напряжения, которые будут вследствие цикличности процесса расти и в результате приведут к образованию микроскопической трещины. В эту трещину попадает масло и расклинивает вследствие действия капиллярных сил, а также в связи с тем, что масло подвергается действию высоких давлений температур. Расклинивающее давление масла может достигать 1000 кг/см 2 . Это приводит к распространению трещины на весь участок, подвергающийся воздействию данных процессов, замыканию ее и отрыву металла с поверхности беговой дорожки.

Аналогичные явления возникают и при работе зубьев шестерен.

При работе шейки в баббитовом подшипнике, в случае недостаточной жесткости постели подшипника, кроме высоких переменных контактных напряжений, возникают напряжения изгиба, особенно в подшипнике с тонкостенными вкладышами. Объясняется это тем, что вкладыш равномерно прилегает своей поверхностью к постели. Обычно вкладыш делают размером несколько большим, чем диаметр постели. При укладке без особого нажима вкладыш соприкасается с постелью по нескольким образующим.

При нажатии на выступающие участки вкладыша последний изгибается и прилегает к постели всей поверхностью. Однако плотность прилегания в разных точках будет неодинаковой: в точках «а», «б» прилегание будет незначительным, а в точках «1», «2», «3» — весьма плотным.

Во время работы вкладыш в местах менее плотного прилегания изгибается. Вследствие изгиба и скольжения, возникающих от циклически повторяющихся нагрузок, в антифрикционном слое образуется раковина. Выкрашивающиеся кусочки металла заклиниваются между шейкой и подшипником, ухудшая режим трения и смазки, и являются причиной дополнительного нагрева подшипника, заканчивающегося иногда выплавлением последнего.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Процесс выкрашивания протекает следующим образом. Сначала на трущихся поверхностях образуются усталостные трещины. Масло, попадая в эти трещины, способствует их расклиниванию и выкрашиванию частиц металла, в результате чего на поверхности появляются ямки. Число оспин и размеры их увеличиваются, что приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей. На выкрашивание влияют вязкость и твердость материала трущихся пар и контактное давление. [1]

Поскольку процесс выкрашивания носит усталостный характер, он проявляется не сразу, а по накоплении определенного числа циклов нагружения, которое зависит, в первую очередь, от усталостной прочности ( выносливости) материала поверхностных слоев, а также от свойств смазочного масла, величины и направления скоростей качения и скольжения, шероховатости поверхностей и некоторых других менее существенных факторов. [2]

Вследствие этого процесс выкрашивания усиливается и рабочая поверхность зуба ниже полюсной линии разрушается. Нагревание передачи и шум значительно усиливаются. [3]

Эти особенности процесса выкрашивания объясняют вредное влияние смазки, интенсифицирующей разрушение и, в первую очередь - обгоняемой рабочей поверхности ведомого колеса. Однако отказаться от применения смазки в быстроходных передачах невозможно во избежание сильного нагрева и интенсивного абразивного износа рабочих доверхностей колес. [4]

Таким образом, видно, что кинетика процесса выкрашивания , в том числе и при абразивно-эрозионном разрушении включает в себя различные виды деформации и определяется рядом механических свойств металла. [6]

Вэй, как и П. А. Ребиндер, вывел заключение, что масло ускоряет процесс выкрашивания , проникая в первичные поверхностные трещины и расклинивая их при сжатии данного объема металла в зоне контакта. [7]

В открытых зубчатых передачах абразивный износ, стирание поверхности зубьев происходит быстрее, чем процесс выкрашивания рабочих поверхностей зубьев . [8]

По-видимому, в зубчатых передачах, работающих с пусками под нагрузкой, в зависимости от величины и длительности действующих во время этого перегрузок возможно, как ускорение процесса выкрашивания , так и его замедление. В частности, опыт эксплуатации крановых передач, работающих с частыми остановками и пусками под нагрузкой, показал, что несмотря на высокие контактные напряжения здесь обычно наблюдается замедление или даже полное отсутствие выкрашивания рабочих поверхностей зубьев, обусловленное их изнашиванием. [9]

Непосредственно выкрашиванию предшествуют образование и развитие трещин в поверхностном слое, отделяющие единичные малые объемы от остального материала. Следовательно, трещинообразование является составной частью процесса выкрашивания и отслаивания материала. Образование трещин вследствие термических напряжений может охватывать значительные участки поверхности и на определенной стадии развития служить браковочным признаком и должно рассматриваться как особый вид повреждения поверхностей трения. [11]

Непосредственно выкрашиванию предшествует образование и развитие трещин, ограничивающих единичные малые объемы от остального материала. Таким образом, трещинообразование является составной частью процесса выкрашивания , а также отслаивания. Трещинообразование из-за термических напряжений может охватить значительную площадь и на определенной стадии развития трещин может даже служить браковочным признаком, поэтому оно должно рассматриваться как особый вид повреждения поверхностей трения. [13]

Наличие в масле химически активных компонентов, таких, как присадки или продукты окисления, агрессивных по отношению к смазываемым поверхностям, может оказывать на них эффект коррозионного травления. Возникающие при этом неровности в последующем могут служить очагами усталостных трещин и стимулировать тем самым процесс выкрашивания . [14]

Образовавшиеся на поверхности трения трещины, первоначально микроскопических размеров, будут заполняться маслом, при этом тем энергичнее, чем меньше его вязкость и чем больше поверхностное натяжение, которое обусловливает капиллярный эффект. Поэтому вязкость и в меньшей степени полярная активность масла, влияя на интенсивность заполнения и расклинивания усталостных трещин, тем самым существенно влияют на интенсивность процесса выкрашивания . Это положение, разумеется, справедливо и для расклинивания трещин глубинного происхождения, хотя на процесс их начального развития до выхода на поверхность масло непосредственного влияния не оказывает. [15]

Детали подлежащие восстановлению. Дефекты деталей

Среди способов восстановления деталей наибольшее распространение получил способ наплавки. Этот способ дает возможность сравнительно быстро получить слой наплавленного металла значительной толщины, что особо важно при восстановлении деталей с высокой степенью износа. Способ экономичен, относительно прост, дает возможность изменять химсостав наплавленного металла за счет легирования его с помощью электродной проволоки, флюса, электродного покрытия, увеличивать твердость металла и его износостойкость без дополнительной закалки. Для выполнения работ требуется дешевое и несложное оборудование. Наплавку применяют сейчас для восстановления самых ответственных деталей машин и механизмов.

При наплавке необходимо решать ряд сложных вопросов: выбор материала, обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свойства; возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл или подбор материала для наплавки подслоя; выбор способа и режима наплавки, формы и методов изготовления наплавленных материалов; выбор термического режима выполнения наплавки (подогрев или охлаждение); установление необходимости последующей термообработки. Во многом все эти параметры зависят от условий работы детали и характеристик контактируемых поверхностей или контакта поверхности детали и среды.

Классификация восстанавливаемых изделий по условиям их работы

В зависимости от условий службы наплавляемые детали можно разбить на несколько групп.

Детали, работающие в условиях трения металла о металл. К этой группе обычно относят крановые колеса и колеса локомотивов, детали гусеничных тракторов, автомобильные сцепки и шкворни, оси, валы, шпиндели, зубчатые колеса и шестерни и т. д. Износ деталей происходит при больших контактных напряжениях. Наплавка этой группы деталей производится в основном для восстановления первоначальных их размеров без значительного повышения износостойкости, так как большая твердость одной контактной поверхности может вызвать повышенный износ другой. Для наплавки используют обычно низкоуглеродистые и низколегированные стали, содержащие не более 5 % легирующих элементов (08Г, 08ГС, 15Г2С, 18Г4 и т. д.).
Детали и инструменты, работающие в условиях абразивного износа при нормальных температурах. Это детали сельскохозяйственной техники (лемеха плугов, лапки культиваторов, зубья бороны), детали строительно-дорожных машин, размольного оборудования, буровые долота, зубья дробилок, шнеки для перемещения сыпучих материалов и т. д.Наибольшую стойкость против абразивного износа имеют сплавы, имеющие в своей структуре большое количество карбидов металлов. Поэтому для наплавки выбирают присадочный металл, легированный хромом и марганцем в сочетании с повышенным количеством углерода. Например: стальУ25Х28, У35Х7Г7, У30Х28Г2С.
Детали, эксплуатирующиеся в условиях абразивного износа с ударными нагрузками. Представителями этой группы могут быть ролики рольгангов, ножи бульдозеров, зубья ковшей экскаваторов, детали дробилок, автомобильные рессоры, наконечники отбойных молотков и т. д. Такие детали наплавляют высокохромистыми сплавами с более низким содержанием углерода, например, в качестве наплавочного материала используют сталь Х12, Х19М, Х13Н4. Такие стали в основном относятся к ледебуритным сплавам. Наплавленный слой сталью типа Х12 обладает высокой твердостью, исключительной износостойкостью. Вместе с тем сталь этой группы имеет невысокую стоимость. Отлично сопротивляются ударно-абразивному износу высокомарганцевые, аустенитные стали типа Г13.
Детали и инструменты, работающие на термическую усталость и абразивный износ при повышенных температурах. К деталям этой группы относят прокатные валки, ножи блюминга, прессовый инструмент для горячей штамповки, керны для захвата слитков, металлургическое оборудование и т. д. Наплавленный металл должен обладать высокой твердостью, износостойкостью и в то же время удовлетворительной вязкостью во избежание сколов при эксплуатации. Эти свойства достигаются за счет легирования металла наплавки хромом и вольфрамом. Лучшей износостойкостью обладают хромовольфрамовые стали типа 3Х2В8.
Детали, работающие в условиях коррозии и эрозии, сочетающихся с абразивным износом при повышенных температурах. Это уплотнительные поверхности арматуры для пара высокого давления (задвижки, вентили), крыльчатки, шестерни и плунжеры насосов для перекачки агрессивных жидкостей, детали, работающие в морской воде, лопасти гидротурбин и парогенераторов и т. д. Для наплавки применяют высокохромистые сплавы 1Х13, 1Х25Н4Т и хромоникелевые аустенитные 0Х18Н9, 1Х18Н9Т. Детали, работающие в условиях абразивного износа, сопровождаются эрозией при температурах до 800°, рекомендуется наплавлять твердыми сплавами типа «Стеллит», т. е. сплавами на основе кобальта, легированными вольфрамом, титаном и углеродом. К таким деталям относятся клапаны двигателей внутреннего сгорания, поверхности «седла» клапана головки блока ДВС.
Детали подшипников, подпятников и других узлов тренияскольжения. Детали этой группы должны обладать высокими антифрикционными свойствами, т. е. поверхность должна иметь низкий коэффициент трения. Хорошими антифрикционными свойствами обладают сплавы на основе меди, а также некоторые сорта чугуна и неметаллические материалы (фторопласт). Например, алюминиево-железистые бронзы применяются при наплавке заготовок червячных шестерен, кулачков и других деталей, работающих в условиях трения скольжения. Оловянисто-фосфористые бронзы, оловянистые и свинцовистые баббиты используются для наплавки вкладышей крупных подшипников, например вкладышей судовых дизельных двигателей.
Металлорежущий инструмент. Основные требования к металлу, наплавляемому на рабочие кромки режущего инструмента: высокая твердость, износостойкость, красностойкость и удовлетворительная вязкость. Такие свойства достигаются при легировании металла ванадием, молибденом, вольфрамом. Обычно для наплавки применяют быстрорежущие стали типа Р18, Р9, Р13К3 и РВ6М5.

Классификация дефектов деталей

С целью правильного выбора технологического процесса восстановления деталей необходимо четко классифицировать имеющиеся дефекты изделий.

Дефект – каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Различают следующие группы дефектов, относящихся к деталям в целом:

трещины– образуются в результате воздействия значительных

местных нагрузок, ударов и перенапряжений, а также усталостные трещины, появляющиеся в деталях, длительно работающих в условиях знакопеременных нагрузок. Трещины наиболее часто возникают в нагруженных местах корпусных деталей, рам, блоков, изготовленных из твердых и хрупких материалов, например, чугуна, высокоуглеродистых сталей или магниевых сплавов;

пробоины– появляются в результате ударов различных предметов о поверхности тонкостенных деталей;

риски и надиры– образуются на рабочих поверхностях деталей, работающих в условиях трения скольжения, вследствие загрязнения смазки или абразивного действия чужеродных частиц;
выкрашивание– дефект, характерный для поверхностей деталей, подвергнутых химико-термической обработке (зубчатые колеса, шестерни, зубчатые муфты); он появляется вследствие динамических ударных нагрузок в процессе эксплуатации. Выкрашивание может быть и в результате усталостных напряжений;
обломы, сколы– возникают при сильных ударах о детали; часто наблюдаются на литых деталях;
изгибы и вмятины– характеризуются нарушением формы детали и происходят в результате ударных нагрузок;
коробление– происходит в результате воздействия высоких температур, приводящих к возникновению структурных изменений и больших внутренних напряжений;
коррозия (сплошная и местная)– процесс разрушения металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой; общая коррозия проявляется в постепенном уменьшении первоначальной толщины деталей; местная коррозия (избирательная) проявляется на отдельных участках деталей, имеющих нарушение структуры и свойств металла, а также на участках, подверженных действию внешних факторов (температуры, давления, коррозионной среды и т. д.). Значительно снижают работоспособность сварной конструкции такие виды избирательной коррозии, как межкристаллитная (питинговая) коррозия по линии сплавления, фреттинг-коррозия в подшипниковых узлах. Одними из видов разрушения являются коррозионная усталость и коррозионное растрескивание;
коррозионно-механическое изнашивание– наиболее распространенный вид дефектов технологического оборудования, происходит в результате механического изнашивания, сопровождающегося химическим воздействием среды на металл.

Способы выявления дефектов делятся на две группы: визуальные и измерительные.

Часть дефектов можно обнаружить простым осмотром (визуально), не производя измерений или не разрушая детали. К ним относятся видимые трещины, пробоины, коррозия, обрыв, вмятины, деформация, нарушение герметичности, уплотнение и т. д.

Измерительный контроль применяют для получения количественной оценки отклонения параметров формы и относительного положения поверхностей детали, скрытых дефектов и физических (физико-механических) свойств материала деталей.

Контроль состояния деталей выполняют в порядке сложности дефектов и трудности их обнаружения и устранения. Сначала визуально определяют наличие крупных трещин, деформаций, изломов, коррозии, пробоин. Если обнаружены неустранимые дефекты, деталь непригодна. Далее пригодную (на первом этапе) деталь проверяют на наличие нарушения взаимного расположения рабочих поверхностей и существенного (недопустимого) изменения физико-механических свойств материала детали. Если обнаружен неустранимый дефект, деталь бракуется. Затем пригодную (уже на этом этапе) деталь контролируют на наличие скрытых дефектов. Если эти дефекты не обнаружены, то приступают к определению износа и геометрических форм рабочих поверхностей детали.

Для выявления дефектов используют различные методы и средства, которые зависят от параметров и формы проявления дефектов, а также конструктивных особенностей детали.

Например: радиаторы, баки и трубопроводы испытывают сжатым воздухом, затем их погружают в воду.

Блоки цилиндров испытывают на стендах (закачивают воду под давлением 0,3…0,4 МПа) и выявляют подтеки воды.

Скрытые дефекты на поверхности и в объёме детали выявляют различными методами. Для обнаружения скрытых поверхностных дефектов (трещин, пористости) используют капиллярный, магнитный, ультразвуковой, люминесцентный, рентгеновский методы.

Капиллярный метод – специальная жидкость проникает в невидимую глазом трещину. После очистки поверхности и нанесения проявляющего вещества дефект обнаруживается визуально по следу жидкости. Жидкость – керосин, вещество – мел (трещины шириной не менее 20 мкм).

Метод магнитной порошковой дефектоскопии – нанесение на поверхность ферромагнетика, который концентрируется по краям трещины, обозначая ее расположение. Порошок наносят в виде суспензии в керосине, солярке, мыльной воде. Намагничивают деталь электромагнитным полем (постоянного или переменного тока) большой силы.

Ультразвуковой метод – используют для анализа дефектов в объёме. Контроль дефектов (трещин, раковин, шлаковых включений) осуществляют путём распространения в металле ультразвуковых колебаний и их отражения от дефектов (и соответственно, регистрации).

Люминесцентный метод – свечение неметаллических материалов и цветных металлов в ультрафиолетовых лучах.

В табл. 1 представлены виды дефектов на конкретных деталях автомобилей, которые можно устранить при проведении ремонта.

Классификация механизмов и деталей, подлежащих восстановлению в автомобильной отрасли

Корпуса коробок передач.

Картеры двигателей, поддоны картеров. Радиаторы, бензобаки.

Емкости для ГСМ и т. п.

Разъемы соединительных деталей (фланцы, плоскости прилегания).

Плоскости прилегания головки блоков цилиндров.

Посадочные пояски блоков и втулок двигателей. Посадочные места подшипников: генератора, стартера, ступиц колес, коробки передач.

Механизмы и виды изнашивания при описании в экспертизе

Конструкция автомобиля содержит достаточно большое количество пар трения, в которых одни детали совершают движение относительно других. Взаимодействующие поверхности данных деталей называются трущимися поверхностями. При работе данных поверхностей происходит их изнашивание, которое проявляется в постепенном изменении размеров детали и (или) ее формы. За счет износа фактические размеры, форма детали и шероховатости поверхности изменяются. И при определенной степени изменения деталь уже перестает соответствовать требованиям документации и наступает ее неработоспособное состояние.

В ходе проведения судебных экспертиз в заключении очень часто отражается описательный характер износа. В качестве примера рассмотрим тормозную колодку. Накладка колодки и тормозной диск образуют пару трения. В результате трения накладка колодки изнашивается – снижается ее толщина. Процедура проверки фактического значения толщины накладки предусмотрена эксплуатационной документацией, где также указана минимально допустимая толщина. Если минимальная толщина достигнута – колодка подлежит замене на новую. Аналогичным образом процесс изнашивания протекает и для других поверхностей трения в конструкции автомобиля.

Общепринято выделять следующие виды изнашивания: абразивное, фреттинг, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное выкрашивание, кавитационное, коррозионно-механическое.

Абразивное , сущность которого заключается в разрушения материала поверхности трения твердыми абразивными частицами. На рис. 1 показаны трущиеся тела – 1 и 2, между которыми находятся твердые абразивные частицы 3. При работе одно тело воздействует на другое определенной силой – тела прижимаются друг к другу. Находящиеся между поверхностями тел твердые абразивные частицы внедряются (вдавливаются) в каждое из тел на некоторую глубину. При последующем движении одного тела относительно другого внедрившиеся частицы будут вырывать с поверхности тела материал. Вырванный материал (продукты износа) при этом будут становится твердыми абразивными частицами.

Рисунок 1. Абразивное изнашивание в экспертизе

Рассмотрим частный случай абразивного изнашивания, схема которого показана на рис. 1б. Твердость тела 1 ниже твердости тела 2. При этом твердые абразивные частицы внедряются в поверхность тела 1 на значительно большую глубину. Данное явление получило название шаржирование. Глубина внедрения в поверхность тела 2 значительно меньше. При последующем движении одного тела относительно другого будет наблюдаться изнашивание только поверхности тела 2, так как в теле 1 частицы надежно удерживаются за счет большой глубины внедрения – частицы движутся совместно с телом 1. Подобное явление часто используется, например, при полировке. Когда полировочный диск из относительно мягкого материала надежно удерживает твердые частицы, срезающие материал с поверхности металлических деталей, лакокрасочного покрытия или даже стекла.

Аналогичным образом появляются задиры на поверхностях шеек коленчатого и распределительного (фото 1) валов. Данные поверхности имеют очень высокую твердость, полученную путем азотирования, либо закалки. Поэтому такое большое внимание уделяется чистоте системы смазки ДВС и моторного масла в части содержания твердых абразивных частиц.

Фото 1. Задиры на поверхности шейки распределительного вала в экспертизе

Абразивное изнашивание имеет место быть при работе всех пар трения, где наблюдается непосредственное взаимодействие поверхностей. Абразивное изнашивание будет происходить не только за счет твердых частиц, поступивших в зону взаимодействия из внешней среды, но и за счет частиц, являющихся продуктами износа. Казалось бы – если в паре трения нет твердых абразивных частиц, то и нет первоначальных условий для абразивного изнашивания. Однако в реальности дело обстоит несколько иначе. Рассмотрим взаимодействие поверхностей на микроуровне. На рис. 2 эскизно показан контакт реальных тел под значительным увеличением (на микроуровне).

Рисунок 2. Фрикционное взаимодействие тел на микроуровне в экспертизе

Поверхности реальных деталей не являются абсолютно ровными и гладкими – в любом случае будут иметь место отклонения формы, также будут присутствовать шероховатости. И чем больше увеличение, под которым рассматривается поверхности, тем более заметным будет отклонение. Как видно из рис. 2, при контактировании деталей вследствие волнистости их поверхностей контур контакта будет возникать преимущественно на вершинах неровностей (волн). Каждая такая область будет ограничена контуром ΔA_c, который носит название контурной площади контакта. Эти контуры удалены один от другого на расстояние шага волны L. Общая контурная площадь будет А_c=ΣΔА_c. Внутри контурной площади находятся фактические пятна контакта ΔA_r. Площадь, определяемая исходя из размеров макрогеометрии поверхностей трения (для рис. 2а – линейных размеров a и b ), носит название номинальной площади контакта ΔA _a , данная площадь фигурирует в качестве основного геометрического параметра пары трения при производимых инженерных расчетах.

С точки зрения работы пары трения наибольший интерес представляет фактическая площадь контакта A_r=ΣΔA_r – это площадь, на которой осуществляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость поверхности. Именно в пределах данной площади имеет место быть фактическое взаимодействие поверхностей деталей. ФПК обычно мала и занимает не более 1. 10% номинальной площади А_а.

Площадь фактического контакта А_r имеет очень важное значение во всех физических и химических процессах, которые могут протекать на границе раздела деталей машин. Трение и износ, электро- и теплопроводимость контактов, жесткость стыков, контактная химическая коррозия и прочность прессовых соединений – все эти явления в решающей мере зависят от площади фактического контакта твердых тел.

Помимо геометрических параметров зоны взаимодействия трущихся поверхностей необходимо также рассмотреть строение поверхностей трения, которое показано на рис. 2б. Внешней средой для большинства деталей, эксплуатирующихся в атмосфере Земли, является воздух. В воздухе содержится свободный кислород, которым мы дышим и который необходим для работы ДВС. Кислород взаимодействует с поверхностями деталей, в результате чего на них образуются слои оксидов, условно показанные на рис. 2б. Именно через оксидные пленки осуществляется непосредственный контакт поверхностей в зонах фактического контакта. Оксиды в большинстве своем являются твердыми и хрупкими. При взаимодействии трущихся поверхностей происходит скалывание оксидов с поверхности. И эти отколовшиеся фрагменты уже представляют собой твердые абразивные частицы. Почему алюминиевые сплавы характеризуются очень низкой износостойкостью? Потому что при малой твердости самих алюминиевых сплавов оксид алюминия имеет очень высокую твердость и прекрасно «грызет» основной металл.

Одним из основных способов снижения интенсивности абразивного изнашивания является применение смазочных материалов. В состав смазочного материала входят поверхностно-активные вещества, которые откладываются на поверхностях деталей (поверх пленки оксидов). За счет этого значительно снижаются контактные давления в зонах фактического контакта (рис. 2), снижается свободная поверхностная энергия. В итоге снижается коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Гидро- и газоабразивное изнашивание образуется в результате механического воздействия на поверхность твердых частиц, перемещаемых потоком жидкости или газа. Схема гидроабразивного (и газоабразивного) воздействия показана на рис. 3.

Рисунок 3. Схема гидроабразивного воздействия в экспертизе

Твердая абразивная частица 1, которая движется совместно с потоком жидкости или газа (на рис. 3 условно не показаны), ударяется о поверхность тела 2. В момент взаимодействия частицы с поверхностью будет наблюдаться изнашивание. При этом будет происходить вырывание частицей материала с поверхности при ее внедрении и последующем перемещении (только в отличие от абразивного изнашивания внедрение и перемещение частицы будет происходить за счет кинетической энергии первоначального движения частицы). Также при гидроабразивном изнашивании будет наблюдаться усталостное выкрашивание поверхности.

Усталостное выкрашивание происходит в результате накопления в поверхностном слое детали повреждений, приводящих к разрушению поверхностного слоя. Для понимания механизма усталостного изнашивания необходимо разобраться в природе усталостного разрушения. Усталостное разрушение характерно для поверхностей, которые нагружаются многократно (например, циклически). На рис. 4 показана диаграмма Веллера, которая показывает зависимость максимального напряжения за цикл от количества циклов, которое может выдержать материал без разрушения. Для стали имеется такое значение напряжений, которое она способна выдерживать бесконечно долго не разрушаясь – кривая красного цвета после 10 7 циклов нагружения идет практически горизонтально.

Рисунок 4. Диаграмма Веллера в экспертизе

Трущиеся поверхности при воздействии друг на друга, либо твердые абразивные частицы (рис. 1) вызывают в материале поверхностного слоя сжимающие напряжения. Если величина действующих напряжений и количество циклов нагружения будут находится выше, чем кривая Веллера для соответствующего материала, то произойдет разрушение. Наибольшие напряжения при трении, либо гидроабразивном (газоабразивном) воздействии будут наблюдаться на некоторой глубине под поверхностью детали. Соответственно, разрушение будет представлять собой выкрашивание участка поверхности, под которым произошло усталостное разрушение материала. На фото 2 показана поверхность, поврежденная усталосным выкрашиванием.

Фото 2. Выкрашивание металла на поверхности качения кольца подшипника в экспертизе

Кавитационное разрушение наблюдается в ряде случаев на поверхностях деталей, контактирующих с подвижной жидкой средой. Для движущегося потока жидкости закон сохранения энергии может быть записан в виде уравнения Бернулли:

Сущность данного уравнения в следующем: сумма кинетической (зависящей от скорости движения) энергии движения жидкости ( ) и потенциальной (зависящей от давления) энергии ( ) всегда постоянна. Течение жидкости далеко не всегда равномерное. На рис. 5 условно показано ламинарное (а) и турбулентное течение жидкости в трубе. При ламинарном течении потоки жидкости движутся прямолинейно (для прямого участка трубы) с постоянной скоростью и не смешиваются. Скорость потоков в центре несколько ниже, чем у потоков по краям за счет внутреннего трения жидкости. При турбулентном течении направление и скорость потоков имеют достаточно хаотичный порядок, происходит активное перемешивание жидкости. В качестве турбулизаторов выступают различного рода местные сопротивления, например, указанные у стенки трубы на рис. 5 шероховатости.

Рисунок 5. Ламинарное (а) и турбулентное (б) течение жидкости при анализе в экспертизе

При турбулентном течении скорости потока жидкости в отдельных зонах могут быть достаточно высокими. И, в соответствии с рассмотренным ранее уравнением Беррнулли, в данных зонах будет наблюдаться снижение общего давления жидкости. Жидкости при определенных условиях кипят. Данное условие следующее – давление жидкости должно быть ниже давления насыщенных паров для данной температуры. Если при турбулентном течении жидкости давление в отдельных зонах снижается настолько, что жидкость начинает «кипеть», то образуются условия, необходимые для кавитационного изнашивания расположенной рядом поверхности.

Для пояснения процесса кавитационного изнашивания на рис. 6. показана схема поведения пузырька пара. При турбулентном течении жидкости за счет локального снижения давления образовался пузырек пара. При дальнейшем движении данной зоны (с пузырьком) скорость данной зоны снижается и происходит повышение в ней давления. Условия для существования вещества в газообразном состоянии уже не соблюдаются. Пузырек схлопывается. Схлопывание происходит следующим образом – потоки жидкости со всех сторон заполняют паровую полость. И в определенный момент потоки жидкости, направленные с разных сторон сталкиваются. В результате происходит удар – локальное, но весьма заметное повышение давления жидкости. Через жидкость данный удар передается рядом лежащей поверхности детали и нагружает ее. От многократного такого воздействия происходит усталостное выкрашивание поверхности.

Рисунок 6. Схема образования и схлопывания пузырька пара в экспертизе

Отметим, что кавитационное разрушение деталей автомобиля происходит крайне редко. Имели место быть разрушения деталей системы охлаждения из-за ошибок, допущенных при проектировании отдельных ДВС. Отметим, что описанный выше принцип кавитационного разрушения положен в основу работы различных ультразвуковых устройств, предназначенных для очистки деталей ДВС при техническом обслуживании и ремонте. Единственное отличие от описанного выше – локальное снижение давления происходит не за счет локального увеличения скорости, а за счет того, что в жидкости колеблется излучатель с ультразвуковой частотой – при колебаниях излучатель увлекает за собой жидкость, что создает в ней снижение давления.

Коррозионное разрушение вызывается химическим и физико-химическим взаимодействием поверхности детали с окружающей средой. Подобного рода взаимодействие, как правило, приводит к снижению основных эксплуатационных характеристик материала. Яркий пример – «преобразование» стали в ржавчину под воздействием воды и кислорода. С точки зрения работы пар трения особы интерес представляет корозионно-механическое разрушение, сущность которого в увеличении интенсивности изнашивания различных видов (абразивное, гидроабразивное, кавитационное и пр.) материала ослабленного в результате коррозии. Проиллюстрировать это можно следующим образом – сталь подвергается обработке только достаточно прочным и твердым инструментом, а ржавчина (продукт коррозионного разрушения стали) может быть разрушена даже ногтем.

Водородное изнашивание. Сущность водородного изнашивания следующая – если у поверхности детали присутствует ион водорода, то за счет малых размеров данный ион проникает вглубь материала. Как известно, сталь представляет собой сплав железа и углерода. Водород обладает большим сродством к углероду, чем сталь. Соответственно, водород «отнимает» у железа атом углерода и образует с ним молекулу метана ( CH ₄). Данная молекула имеет сравнительно большие размеры и после своего образования начинает локально растягивать материал – то есть создает в нем напряжения. Также разрушению способствует то, что растягиваться металл начинает в обезуглероженной зоне (за счет чего прочность материала снижена). То есть водородный износ нельзя назвать износом в полной мере – это явление приводит лишь к интенсивности изнашивания других видов после того, как материал был разупрочнен из-за воздействия водорода.

В объеме данной статьи, надеемся, у Вас получится объективно понимать суждения по заключению экспертов. Возможно, данная информация будет интересно любому специалисту из области диагностики автомобильного транспорта. Эксперт, бесспорно, должен обладать данными знаниями, и использовать их в ходе исследования.

Читайте также: