Механизм трения без смазки подробно исследован И. В. Крагельским. Согласно его теории трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. При взаимодействии неровностей характер разрушения металла в пятнах касания зависит от глубины внедрения, геометрических параметров внедрившихся элементов и соотношения их механических свойств, а также от сил адгезии, проявляющихся при молекулярном контакте.

При этом характер и интенсивность протекания изнашивания в значительной степени зависят от внешних механических условий (давление, характер воздействующих на детали сопряжения нагрузок, скорость перемещения, температура, вибрация), свойств поверхностных слоев трущихся материалов (структура, твердость, пластичность, способность удерживать смазку, качество обработки, напряженное состояние и т. п.) и факторов среды (смазочная способность масла, наличие загрязнений в масле, состав газовой среды и т. д.) особенностей технологии изготовления (восстановления) деталей, условий эксплуатации и др.

Классификация видов разрушения деталей машин. Основными видами разрушения и изнашивания деталей машин являются: деформация и изломы, механическое изнашивание; изнашивание при заедании; коррозионно-механическое изнашивание *.

Перекосы сопрягаемых деталей при сборке, наруше-шение установленных зазоров, загрязнение масляных полостей и каналов при эксплуатации, а также несвоевременная смазка, применение несоответствующих данным условиям трения смазочных материалов ведут к разрушению подвижных соединений.

Деформация и изломы возникают при чрезмерном увеличении напряжений в материале детали, превосходящих предел текучести или предел прочности, в результате тепловых воздействий и снятия внутренних напряжений. Остаточная деформация приводит к изменению формы и размеров изделий либо к аварийному излому деталей с полной утратой их работоспособности. Она сопровождается короблением (например, привалочных плоскостей корпусных деталей двигателя — головок цилиндров, блока, картеров распределительных шестерен, корпусных деталей трансмиссии и др.), вызывающим появление неплотностей, разрушение прокладок, подтекание масел, а также нарушение соосности и параллельности валов, шестерен, подшипников, что приводит к усилению износа. Изломы относятся к аварийным повреждениям.

В практике эксплуатации машин около 80 % поломок деталей происходит по причине усталостных изломов. Они возникают в процессе постепенного и длительного разрушения металла в условиях повторно-переменных напряжений ниже его предела текучести.

Механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий. Наиболее распространенным является механическое изнашивание, которое имеет следующие разновидности: абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), усталостное, эрозионное и кавитаци-онное.

Абразивное изнашивание — механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Изнашивающими частицами чаще всего бывают минеральные частицы (пыль, песок), проникающие в зону трения извне. Твердые частицы могут образовываться и в процессе самого изнашивания поверхностей. Это — окислы металлов, выкрашивающиеся частицы, наклепанные частицы, твердые Структурные составляющие справа и др.

При этом виде изнашивания происходит измельчение абразивных частиц, и, если смазка имеет плохие моющие свойства, коэффициент трения может значительно возрасти. Смазочная пленка рассекается абразивными частицами, если поверхностно-активные вещества плохо адсорбируются на поверхностях и частицах. Поверхностные повреждения при абразивном износе нарушают масляную пленку и ухудшают условия работы узла трения.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — абразивное изнашивание в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно изнашивающегося тела потоком жидкости (газа).

Примером гидроабразивного изнашивания может служить плунжер-гильза топливного насоса, когда вместе с топливом в сопряжение попадают посторонние примеси, которые, действуя в качестве абразивов, изнашивают поверхности плунжера и гильзы. Примером газоабразивного изнашивания является износ фаски тарелки всасывающего клапана.

Усталостное изнашивание — механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверх-постного слоя. Проявлением усталостного изнашивания является усталостное выкрашивание, которое чаще всего наблюдается при трении качения и скольжения (поверхности зубчатых колес, беговых дорожек подшипников), но может иметь место и при других условиях взаимодействия подвижных соединений.

Причиной образования выкрашивания — так называемых питтингов (ямок) — является пульсационное действие контактных напряжений, возникающих в результате переменного давления на трущиеся поверхности.

Основная причина появления усталостных трещин — касательные напряжения. Процесс разрушения характеризуется зарождением усталостной трещины (совпадающей с направлением действия этих напряжений), как правило, на поверхности и постепенным развитием ее в глубь детали. Очагом трещины чаще всего являются неметаллические включения.

Контактная выносливость характеризуется пределом усталостного выкрашивания, представляющего собой величину контактного давления при заданном числе циклов, не приводящих к питтингованию.

Средство борьбы с этим видом разрушения — снижение удельных нагрузок в контакте и повышение предела прочности материала деталей.

Эрозионное изнашивание — механическое изнашивание в результате воздействия потока жидкости и газа, а кавитационное — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости. Пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры.

При наличии непрерывного контакта со струей жидкости (газа) разрушение металла может происходить весьма интенсивно. При этом механизм эрозии сводится к непрерывному разрушению и полному удалению окис-ных пленок с поверхностей металлических изделий (например, днище поршня), чему в значительной степени способствует наличие в потоке минеральных частиц.

Эффективным средством увеличения долговечности материала, применяемого в условиях жидкостной и газовой эрозии, является увеличение его коррозионной стойкости и износостойкости.

Кавитационное изнашивание возникает при определенных условиях взаимодействия потока жидкости с поверхностью металла. Повреждение имеет каверны диаметром от 0,2 до 1,5 мм, вокруг которых наблюдаются наплывы. Кавитация проявляется на тех участках, где нарушается сплошной поток жидкости, в результате чего образуются пустоты и полости, заполненные воздухом или паром, называемые кавитационными пузырями. Находясь у поверхности металла, последние сокращаются с большой скоростью и затем разрываются, что приводит к гидравлическому удару жидкости о поверхность металла. При наложении на поверхность металла огромного количества таких ударов образуются очаги разрушения (например, наружная площадь поверхности гильз двигателя СМД-14, охлаждаемая водой).

Величина максимальных напряжений, возникающих на микроучастках металла, подверженных «бомбардировке», превышает предел текучести, о чем свидетельствует наличие наклепанного слоя в зоне кавитационной обработки металла. Коррозионный фактор при этом имеет лишь вспомогательное значение, и его роль сводится к снижению сопротивления металла циклическим механическим воздействиям. Кавитационная стойкость находится в тесной связи с твердостью. Для однородных по составу материалов с увеличением твердости интенсивность разрушения резко снижается.

Изнашивание при заедании — изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Заедание может завершиться прекращением относительного движения. Условия возникновения заедания металлов создаются естественным путем в процессе трения и износа сопрягаемых поверхностей. Это происходит в том случае, когда усилия, действующие в местах фактического контакта, вызывают напряжения, превышающие предел текучести, и резкое повышение температуры. В связи с этим в тонких поверхностных слоях происходят пластические деформации металла, а граничный слой, состоящий из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочной жидкости, разрушается, обнажая отдельные ювенильные площадки металлов. При сближении ювенильных поверхностей на расстояние, равное или меньше атомной решетки, возникает междуатомное притяжение металлов, на значительной площади фактического контакта образуются металлические связи, т. е. происходит схватывание (заедание). Количество пятен контакта, а следовательно, и фактическая площадь соприкосновения зависят от действующей на деталь нагрузки и от начальной шероховатости поверхности.

Образовавшиеся узлы схватывания разрушаются, так как сопряженные поверхности перемещаются относительно друг друга. Благодаря пластическим деформациям в узлах схватывания металл упрочняется. Поэтому разрушение узлов, как правило, происходит по основному, менее прочному металлу. Таким образом, на поверхности одной детали происходит вырывание частиц металла, часть которых налипает на сопрягаемую поверхность, а остальные представляют собой продукты износа.

Налипшие частицы под действием нормальных и тангенциальных усилий также разрушаются. Однако при определенных условиях трения они не только длительное время не разрушаются, а, наоборот, воспринимая большие удельные нагрузки, деформируются и упрочняются. Упрочненные налипшие частицы металла при относительном перемещении деталей либо, подобно резцам, снимают своими выступами с сопрягаемой поверхности металлическую стружку, либо, передавая повышенные удельные давления на сопрягаемую поверхность в местах контакта, деформируют ее. Одновременно на новых участках происходит образование узлов схватывания и их разрушение. Этот процесс в определенных условиях трения может быть непрерывным. Таким образом происходит интенсивное деформирование, разрушение и износ поверхностей трения.

Процесс заедания сопровождается изменением физико-механических свойств материала: нарушается структура металла, образуются микротрещины, которые резко снижают прочность деталей. Наличие смазки в зоне трения, повышение твердости поверхностей путем термического, химико-термического или термомеханического упрочнения, эффективное охлаждение поверхностей трения и подбор металлов в паре, не склонных к схватыванию, значительно уменьшают износ при заедании.

Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Оно возникает под влиянием коррозии и механических факторов (напряжений, деформаций, трения и др.).

Различают два вида коррозионно-механического изнашивания: окислительное и при фреттинг-коррозии.

Окцслительное изнашивание — это коррозионно-механическое изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание оказывает взаимодействие материала с кислородом воздуха. Например, средняя интенсивность износа цилиндров двигателя при нормальных условиях эксплуатации составляет 5…7 мкм на 1000 км пробега автомобиля.

Изнашивание при фреттинг-коррозии — это изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Процесс разрушения поверхности трения, приводящий к наволакиванию металла и значительным износам, обычно протекает в присутствии кислорода при колебательном движении контактирующих поверхностей с малой амплитудой. Фреттинг-коррозии подвергаются посадочные места при прессовой или горячей посадке деталей (например, посадочные отверстия под наружные кольца подшипников качения). Происходит неподвижное разрушение и последующее восстановление защитной окисной пленки в точках контакта (особенно на границе контактирующих поверхностей).

Скорость процесса разрушения тем выше, чем больше число циклов относительных перемещений в единицу времени и чем больше амплитуда этих перемещений.

Повреждения поверхностей от фреттинг-коррозии легко обнаруживаются на деталях в виде изъязвлений. Последние образуются на обеих деталях пары, сопровождаясь взаимным переносом металла, а поверхности деталей на поврежденных участках, как правило, имеют налет продуктов окисления металла.

Следует отметить, что среди исследователей нет единого мнения о механизме развития фреттинг-корро-зии. В последние годы глубокие исследования фреттинг-коррозии, условий ее возникновения и влияния различных факторов на интенсивность протекания процесса выполнены А. Я. Алябьевым. Проведенные им исследования позволили установить, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, протекают различные процессы: схватывание, абразивное разрушение, усталостно-окислительные процессы. В зависимости от свойств материалов контактирующих поверхностей, внешних механических воздействий и состава окружающей среды один из названных процессов может быть преобладающим. Именно этот процесс и оказывает основное влияние на долговечность трущейся пары.

Обычная смазка не устраняет развитие фреттииг-коррозии. Поэтому с целью повышения долговечности деталей контактирующие поверхности ответственных деталей фосфатируют с последующей смазкой парафином или покрывают свинцовыми белилами с добавкой дисульфида молибдена, увеличивают твердость поверхностного слоя путем термической, химико-термической и других видов обработок.

Как видно из вышеизложенного, в основе существующих видов износа лежат процессы пластической деформации, упрочнения, возникновения металлических связей и разрушения их, диффузии и образования химических соединений, нагрева и изменения свойств металла в результате тепловых явлений, резания и усталостных явлений.