Задирание — это форма износа, вызванная адгезией между скользящими поверхностями. Когда материал задирается, часть его тянется вместе с контактирующей поверхностью, особенно если поверхности сжимаются вместе при большой силе. [1] Задирание вызывается сочетанием трения и адгезии между поверхностями, за которым следует проскальзывание и разрыв кристаллической структуры под поверхностью. [2] Это обычно приводит к тому, что часть материала застревает или даже приваривается трением к смежной поверхности, тогда как задираемый материал может выглядеть изрытым с комками или рваными комками материала, прилипшими к его поверхности.
Истирание чаще всего встречается на металлических поверхностях, которые находятся в скользящем контакте друг с другом. Это особенно распространено там, где между поверхностями недостаточно смазки . Однако некоторые металлы, как правило, более склонны к истиранию из-за атомной структуры их кристаллов. Например, алюминий — это металл, который очень легко истиранию, тогда как отожженная (размягченная) сталь немного более устойчива к истиранию. Полностью закаленная сталь очень устойчива к истиранию.
Задирание — распространенная проблема в большинстве случаев, когда металлы скользят при контакте с другими металлами. Это может произойти независимо от того, являются ли металлы одинаковыми или разными. Такие сплавы, как латунь и бронза, часто выбирают для подшипников , втулок и других скользящих применений из-за их устойчивости к задиранию, а также к другим формам механического истирания .
Задирание — это адгезионный износ , вызванный микроскопическим переносом материала между металлическими поверхностями во время поперечного движения (скольжения). Он часто происходит, когда металлические поверхности соприкасаются, скользя друг по другу, особенно при плохой смазке. Он часто возникает в условиях высокой нагрузки и низкой скорости, хотя может также возникать в условиях высокой скорости с очень небольшой нагрузкой. Задирание — распространенная проблема при формовке листового металла , подшипников и поршней в двигателях , гидравлических цилиндрах , пневмодвигателях и многих других промышленных операциях. Задирание отличается от выемки или царапин тем, что оно включает в себя видимый перенос материала, когда он адгезивно вытягивается ( механически скалывается ) с одной поверхности, оставляя его прилипшим к другой в виде приподнятого комка (галла). В отличие от других форм износа, задирание обычно не является постепенным процессом, а происходит быстро и стремительно распространяется, поскольку приподнятые комки вызывают еще большее задирание. Он часто может возникать в винтах и болтах, вызывая заедание резьбы и ее отрыв от крепежа или отверстия. В крайних случаях болт может заклинить без срыва резьбы, что может привести к поломке крепежа, инструмента или и того, и другого. Резьбовые вставки из закаленной стали часто используются в таких металлах, как алюминий или нержавеющая сталь , которые могут легко истираться. [3]
Для истирания требуются два свойства, общие для большинства металлов: сцепление посредством притяжения металлических связей и пластичность (способность деформироваться без разрушения). Склонность материала к истиранию зависит от пластичности материала. Обычно закаленные материалы более устойчивы к истиранию, тогда как более мягкие материалы того же типа будут истиранию более легко. Склонность материала к истиранию также зависит от конкретного расположения атомов, поскольку кристаллы, расположенные в гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке, обычно допускают перенос материала в большей степени, чем объемноцентрированная кубическая (ОЦК). Это связано с тем, что гранецентрированная кубическая имеет большую тенденцию к образованию дислокаций в кристаллической решетке, которые являются дефектами, позволяющими решетке смещаться или «перекрестному скольжению», делая металл более склонным к истиранию. Однако, если металл имеет большое количество дефектов упаковки (разница в последовательности укладки между атомными плоскостями), он будет менее склонен к перекрестному скольжению на дислокациях. Таким образом, сопротивление материала истиранию в первую очередь определяется его энергией дефекта упаковки . Материал с высокой энергией дефекта упаковки, такой как алюминий или титан , будет гораздо более восприимчив к истиранию, чем материалы с низкой энергией дефекта упаковки, такие как медь , бронза или золото . Наоборот, материалы с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурой и высоким отношением c/a , такие как сплавы на основе кобальта , чрезвычайно устойчивы к истиранию. [4]
Истирание изначально происходит с переносом материала из отдельных зерен в микроскопическом масштабе, которые застревают или даже привариваются диффузионной сваркой к прилегающей поверхности. Этот перенос может быть усилен, если один или оба металла образуют тонкий слой твердых оксидов с высокими коэффициентами трения , например, те, которые встречаются на алюминии или нержавеющей стали. По мере роста комка он толкает прилегающий материал, раздвигая их и концентрируя большую часть тепловой энергии трения на очень маленькой площади. Это, в свою очередь, вызывает большую адгезию и накопление материала. Локальное тепло увеличивает пластичность истертой поверхности, деформируя металл до тех пор, пока комок не прорвется через поверхность и не начнет вырывать большие объемы материала с истертой поверхности. Методы предотвращения истирания включают использование смазочных материалов, таких как консистентная смазка и масло , покрытий с низким коэффициентом трения и тонкопленочных отложений, таких как дисульфид молибдена или нитрид титана , а также повышение поверхностной твердости металлов с использованием таких процессов, как закалка поверхности и индукционная закалка .
В инженерной науке и других технических аспектах термин истирание широко распространен. Влияние ускорения в зоне контакта между материалами было математически описано и соотнесено с выявленным механизмом трения, обнаруженным в дорожках во время эмпирических наблюдений явления истирания. Из-за проблем с предыдущими несовместимыми определениями и методами испытаний, лучшие средства измерений в координации с более глубоким пониманием задействованных механизмов трения привели к попытке стандартизировать или переопределить термин истирание, чтобы обеспечить более обобщенное использование. ASTM International сформулировала и установила общее определение для технического аспекта явления истирания в стандарте ASTM G40: «Истирание — это форма повреждения поверхности, возникающая между скользящими твердыми телами, отличающаяся микроскопическим, обычно локализованным, огрублением и образованием выступов (например, комков) над исходной поверхностью». [5]
Когда две металлические поверхности прижимаются друг к другу, начальное взаимодействие и точки сопряжения являются выступами или высокими точками, обнаруженными на каждой поверхности. Выступ может проникнуть в противоположную поверхность, если есть сходящийся контакт и относительное движение. Контакт между поверхностями инициирует трение или пластическую деформацию и вызывает давление и энергию в небольшой области, называемой зоной контакта.
Повышение давления увеличивает плотность энергии и уровень тепла в деформированной области. Это приводит к большей адгезии между поверхностями, что инициирует перенос материала, образование истирания, рост комков и создание выступов над исходной поверхностью.
Если комок (или выступ перенесенного материала на одну поверхность) вырастает до высоты нескольких микрометров , он может проникнуть в противоположный поверхностный оксидный слой и вызвать повреждение лежащего под ним материала. Повреждение в сыпучем материале является предпосылкой для пластического течения, обнаруженного в деформированном объеме, окружающем комок. Геометрия и скорость комка определяют, как текущий материал будет транспортироваться, ускоряться и замедляться вокруг комка. Этот поток материала имеет решающее значение при определении контактного давления, плотности энергии и развиваемой температуры во время скольжения. Математическая функция, описывающая ускорение и замедление текущего материала, таким образом определяется геометрическими ограничениями, выведенными или заданными контуром поверхности комка.
При соблюдении правильных условий, таких как геометрические ограничения куска, накопление энергии может вызвать явное изменение контактного и пластического поведения материала, увеличивая силу трения, необходимую для адгезии и дальнейшего движения.
При трении скольжения повышенное сжимающее напряжение пропорционально равно повышению потенциальной энергии и температуры в зоне контакта. Накопление энергии во время скольжения может уменьшить потерю энергии из зоны контакта из-за малой площади поверхности на границе поверхности, таким образом, низкой теплопроводности. Другая причина - энергия, непрерывно нагнетаемая в металлы, которая является продуктом ускорения и давления. В сотрудничестве эти механизмы обеспечивают постоянное накопление энергии, вызывая повышенную плотность энергии и температуру в зоне контакта во время скольжения.
Процесс и контакт можно сравнить с холодной сваркой или сваркой трением , поскольку холодная сварка не является по-настоящему холодной, а точки сплавления демонстрируют повышение температуры и плотности энергии, обусловленное приложенным давлением и пластической деформацией в зоне контакта.
Истирание часто встречается между металлическими поверхностями, где происходит прямой контакт и относительное движение. Формовка листового металла , изготовление резьбы и другие промышленные операции могут включать движущиеся части или контактные поверхности, изготовленные из нержавеющей стали, алюминия, титана и других металлов, естественное развитие внешнего оксидного слоя которых посредством пассивации повышает их коррозионную стойкость, но делает их особенно восприимчивыми к истиранию. [6]
В металлообработке, которая включает резку (в первую очередь точение и фрезерование), истирание часто используется для описания явления износа, которое происходит при резке мягкого металла. Обрабатываемый материал переносится на резец и образует «комок». Образовавшийся комок изменяет контактное поведение между двумя поверхностями, что обычно увеличивает адгезию и сопротивление дальнейшей резке, и из-за создаваемых вибраций может быть услышан как отчетливый звук.
Задиры часто возникают при использовании алюминиевых соединений и являются частой причиной поломки инструмента. Алюминий — пластичный металл, что означает, что он обладает способностью к пластическому течению с относительной легкостью, предполагая относительно постоянную и значительную пластическую зону.
Высокая пластичность и текучесть материала можно считать общей предпосылкой для чрезмерного переноса материала и истирания, поскольку фрикционный нагрев тесно связан со структурой пластических зон вокруг проникающих объектов.
Истирание может происходить даже при относительно низких нагрузках и скоростях, поскольку именно реальная плотность энергии в системе вызывает фазовый переход, который часто приводит к увеличению переноса материала и повышению трения.
Обычно на адгезионный износ или истирание влияют две основные системы трения: контакт с твердой поверхностью и контакт со смазкой. С точки зрения профилактики они работают по-разному и предъявляют различные требования к структуре поверхности, сплавам и кристаллической матрице, используемой в материалах.
В контакте с твердой поверхностью или в условиях отсутствия смазки начальный контакт характеризуется взаимодействием между неровностями и проявлением двух различных видов притяжения: когезионная поверхностная энергия или молекулы соединяют и приклеивают две поверхности вместе, особенно если их разделяет измеримое расстояние. Прямой контакт и пластическая деформация порождают другой тип притяжения посредством образования пластической зоны с текучим материалом, где индуцированная энергия, давление и температура позволяют связывать поверхности в гораздо большем масштабе, чем когезионная поверхностная энергия.
В металлических соединениях и листовой штамповке неровности обычно представляют собой оксиды, а пластическая деформация в основном состоит из хрупкого разрушения , что предполагает очень маленькую пластическую зону. Накопление энергии и температуры невелико из-за прерывистости в механизме разрушения. Однако во время начального контакта неровность/неровность частицы износа или кусочки неровностей прилипают к противоположной поверхности, создавая микроскопические, обычно локализованные, шероховатости и образование выступов (по сути, комков) над исходной поверхностью. Перенесенные частицы износа и комки проникают в противолежащий оксидный поверхностный слой и вызывают повреждение лежащего под ними объемного материала, пропахивая его вперед. Это обеспечивает непрерывную пластическую деформацию, пластическое течение и накопление энергии и температуры. Предотвращение переноса адгезионного материала достигается следующими или аналогичными подходами:
Смазанный контакт предъявляет другие требования к структуре поверхности задействованных материалов, и основной проблемой является сохранение толщины защитной смазки и избежание пластической деформации. Это важно, поскольку пластическая деформация повышает температуру масла или смазочной жидкости и изменяет вязкость. Любой возможный перенос материала или создание выступов над исходной поверхностью также снизит способность сохранять толщину защитной смазки. Правильная толщина защитной смазки может быть обеспечена или сохранена следующими способами: