Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Как начинается износ?

Изучением трения и изнашивания занимались еще древние египтяне. Первые сведения об этом относятся к 1650 году до нашей эры-речь идет о транспортировке каменных блоков для пирамид. Однако в большинстве случаев еще и сегодня не удается точно прогнозировать продолжительность безотказной работы многих важных изделий, работающих в условиях внешнего трения. Основой изучения закономерностей изнашивания материалов является экспериментальное исследование. Современный уровень знаний только в отдельных случаях позволяет получить для интенсивности износа зависимости достаточно точные для инженерных расчетов. Одним из основоположников науки о трении и изнашивании является известный советский ученый И. В. Крагельский, предложивший ряд расчетных соотношений, позволяющих получить ценные практические результаты.

Причиной того, что изнашивание является еще и сейчас книгой за семью печатями, является весьма сложный механизм протекания этого процесса. Его изучение проводится на уровне микрогеометрии соприкасающихся тел.

При взаимодействии пары трения, например подшипник-вал, явление изнашивания неизбежно. Результат изнашивания, проявляющийся в виде разрушения материала, называется износом

Величина износа зависит от структуры материала в приповерхностном слое. Но определяющими факторами являются величина и продолжительность действия так называемой фактической нагрузки, которая, в зависимости от реальных условий эксплуатации, может обусловливать трение скольжения, качения, а также качения с проскальзыванием.

Почему мы говорим о фактически действующей нагрузке? Каждое тело, даже если оно отполировано, имеет в действительности на микроскопическом уровне более или менее неравномерную поверхность. Итак, если два тела находятся в контакте, то они соприкасаются только в определенных местах. Фактически нагруженная зона поверхности в результате намного меньше, чем геометрическая (). Эта поверхность фактического контакта воспринимает поэтому значительные нагрузки, что и является решающим в процессе изнашивания.

Попробуем очень упрощенно объяснить ход процесса изнашивания металлов. Если на металлическую деталь, находящуюся в соприкосновении с другой, воздействовать силой и вызвать относительное перемещение, то в нагруженных поверхностных слоях изменится структура материала. Если, например, появятся дефекты в строении кристаллов, различные виды дислокаций, то изменится система линий и плоскостей скольжения в кристалле, да и химический состав материала не останется тем же самым. В зависимости от связанного с этим накопления энергии в нагруженных областях материала могут возникнуть так называемые зародыши трещин, которые расширяются и приводят к потерям материала. При очень сильных воздействиях материал местами переходит даже в плазму с очень высокой концентрацией энергии. Все эти явления объясняются тем, что внутри нагруженных областей поверхности механически возбуждается целый ряд физических и химических процессов: скольжение, сорбция, диффузия, теплообразование, а также физические переходы и химические реакции.

При скольжении, например, касательные напряжения вызывают перемещения одномерных неупорядоченностей структуры в виде дислокаций по определенным плоскостям скольжения в материале ( 124; см. также главу «Высокочистые кристаллические материалы»). В зависимости от того, можно или нет приостановить это скользящее движение, при достаточно низких температурах образуется определенная структура дислокаций. Остановленные дислокации образуют местные упругие напряжения и поле собственных напряжений с определенным запасом энергии. Эти напряжения либо вызывают внутреннее трение, либо ведут к образованию трещин. Какое явление будет иметь место -зависит от внешнего сопротивления. Кроме всего этого на поверхностях железных деталей при механических нагрузках под действием атмосферы в присутствии кислорода и водяного пара спонтанно возникает слой оксида железа. Подобные реакции протекают обычно за 10~3-10 секунды, то есть очень быстро. Такие оксидные пленки могут затруднить взаимодействие двух трущихся тел, что положительно влияет на износостойкость. В зависимости от основного протекающего процесса можно встретить абразивное, усталостное изнашивание и изнашивание посредством скатывания (у эластомеров). Явления изнашивания всегда связаны с потерями энергии. Например, шум при работе подшипников и валов говорит о том, что в ходе процесса генерируются акустические волны.