stringtranslate.com

Геллинг

Срезанная резьба на фитинге NPT . (увеличьте изображение резьбы для лучшего просмотра)
На снимке, полученном с помощью электронного микроскопа, показан перенесенный листовой материал, накопленный на поверхности инструмента во время скользящего контакта в контролируемых лабораторных условиях. Нарастание материала или локализованное, шероховатое и создание выступов на поверхности инструмента обычно называют комком.
Повреждение на металлическом листе, режим износа или характерный рисунок не показывают прорыва оксидного поверхностного слоя, что указывает на небольшое количество адгезионного переноса материала и выравнивание повреждения поверхности листа. Это первая стадия переноса материала и образования истирания.
Повреждения на металлическом листе представляют собой непрерывные линии или полосы, указывающие на прорыв поверхностного слоя оксида.
Повреждение на металлическом листе или характерный рисунок демонстрируют «неровную поверхность», изменение пластического поведения листового материала и подразумевают больший деформированный объем по сравнению с простым сглаживанием поверхностных оксидов.

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, одинаковые это металлы или разные. Такие сплавы, как латунь и бронза, часто выбирают для подшипников , втулок и других скользящих деталей из-за их устойчивости к задиранию, а также к другим формам механического истирания .

Введение

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 .

Механизм

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 — это 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.

Распространенность и местоположение

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 резак 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 распространенной 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.

Профилактика

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 (фактически 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:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Будински, Кеннет; Будински, Стивен (2015). «Интерпретация испытаний на истирание». Wear . 332 (1): 1185–1192. doi :10.1016/j.wear.2015.01.022.
  2. ^ Дохда, Куниаки (2021). «Явления истирания при обработке металлов давлением». Трение . 9 (4): 665–685. doi : 10.1007/s40544-020-0430-z . S2CID  228815215.
  3. ^ Механическое крепление, соединительная сборка Джеймса А. Спека — Марсель Деккер 1997 Страница 128
  4. ^ Поверхностная инженерия для защиты от коррозии и износа Автор: Дж. Р. Дэвис — ASM International 2001 г., стр. 76
  5. ^ Стандарт ASTM G40 (2006)
  6. ^ "Истирание / Заклинивание / Замерзание нержавеющей стали". Estainlesssteel.com . Получено 2013-11-04 .
  7. ^ Поверхностное упрочнение нержавеющих сталей методом кольстеризации, автор Gümpel P. — Университет прикладных наук, Констанц, Германия AIJSTPME (2012) 5(1): 11-18 (PDF)