Носить

Повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях

Задние (ведомые) звездочки велосипеда. Новые, слева, без признаков износа. Справа, бывшие в употреблении, с явным износом от вращения по часовой стрелке.

Износ — это повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях . Причины износа могут быть механическими (например, эрозия ) или химическими (например, коррозия ). Изучение износа и связанных с ним процессов называется трибологией .

Износ элементов машин , вместе с другими процессами, такими как усталость и ползучесть , приводит к деградации функциональных поверхностей, что в конечном итоге приводит к отказу материала или потере функциональности. Таким образом, износ имеет большое экономическое значение, как впервые было отмечено в отчете Йоста . ^[1] Абразивный износ сам по себе оценивается в 1–4% валового национального продукта промышленно развитых стран. ^[2]

Износ металлов происходит за счет пластического смещения поверхностного и приповерхностного материала и отрыва частиц, которые образуют продукты износа . Размер частиц может варьироваться от миллиметров до нанометров . ^[3] Этот процесс может происходить при контакте с другими металлами, неметаллическими твердыми телами, текущими жидкостями, твердыми частицами или каплями жидкости, увлекаемыми текущими газами. ^[4]

На скорость износа влияют такие факторы, как тип нагрузки (например, ударная, статическая, динамическая), тип движения (например, скольжение , качение ), температура и смазка , в частности, процесс осаждения и износа граничного слоя смазки. ^[5] В зависимости от трибосистемы могут наблюдаться различные типы износа и механизмы износа .

Типы и механизмы износа

Типы износа определяются по относительному движению , характеру возмущения на изношенной поверхности или «механизме», а также по тому, влияет ли он на самовосстанавливающийся или базовый слой. ^[6]

Механизмы износа являются физическим нарушением. Например, механизм адгезионного износа — это адгезия . Механизмы износа и/или подмеханизмы часто перекрываются и происходят синергетически, создавая большую скорость износа, чем сумма отдельных механизмов износа. ^[7]

Адгезивный износ

Микрофотография, полученная с помощью СЭМ, адгезионного износа (перенесенных материалов) на образце стали 52100, скользящем по алюминиевому сплаву. (Желтая стрелка указывает направление скольжения)

Адгезионный износ может быть обнаружен между поверхностями во время фрикционного контакта и обычно относится к нежелательному смещению и прикреплению частиц износа и материальных соединений с одной поверхности на другую. ^[8] Можно выделить два типа адгезионного износа: ^{[ необходима ссылка ]}

1. Адгезионный износ вызывается относительным движением, «прямым контактом» и пластической деформацией, которые приводят к образованию продуктов износа и переносу материала с одной поверхности на другую.
2. Силы сцепления удерживают две поверхности вместе, даже если они разделены измеримым расстоянием, с фактическим переносом материала или без него.

Обычно адгезионный износ происходит, когда два тела скользят друг по другу или вдавливаются друг в друга, что способствует переносу материала. Это можно описать как пластическую деформацию очень маленьких фрагментов в поверхностных слоях. ^{[ необходима цитата ]} Шероховатости или микроскопические высокие точки ( шероховатость поверхности ) , обнаруженные на каждой поверхности, влияют на серьезность того, как фрагменты оксидов отрываются и добавляются к другой поверхности, отчасти из-за сильных адгезионных сил между атомами, ^[9] , но также из-за накопления энергии в пластической зоне между неровностями во время относительного движения.

Тип механизма и амплитуда поверхностного притяжения различаются между различными материалами, но усиливаются за счет увеличения плотности «поверхностной энергии». Большинство твердых тел будут прилипать при контакте в некоторой степени. Однако окислительные пленки, смазки и загрязняющие вещества, встречающиеся в природе, обычно подавляют адгезию, ^[10] а спонтанные экзотермические химические реакции между поверхностями обычно производят вещество с низким энергетическим статусом в поглощенных видах. ^[11]

Адгезионный износ может привести к увеличению шероховатости и образованию выступов (т. е. комков) над исходной поверхностью. В промышленном производстве это называется истиранием , которое в конечном итоге нарушает окисленный поверхностный слой и соединяется с лежащим под ним объемным материалом, увеличивая возможность более сильной адгезии ^[11] и пластического течения вокруг комка.

Простая модель для объема износа при адгезионном износе, может быть описана следующим образом: ^{[12] [13]} ${\displaystyle V}$

${\displaystyle V=K{\frac {WL}{H_{v}}}}$

где — нагрузка, — коэффициент износа, — путь скольжения, — твердость. ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle H_{v}}$

Абразивный износ

Глубокая «канавкообразная» поверхность указывает на абразивный износ чугуна (желтая стрелка указывает направление скольжения)

Абразивный износ происходит, когда твердая шероховатая поверхность скользит по более мягкой поверхности. ^[9] ASTM International определяет его как потерю материала из-за твердых частиц или твердых выступов, которые прижимаются к твердой поверхности и движутся вдоль нее. ^[14]

Абразивный износ обычно классифицируется по типу контакта и контактной среде. ^[15] Тип контакта определяет режим абразивного износа. Два режима абразивного износа известны как двухчастичный и трехчастичный абразивный износ. Двухчастичный износ происходит, когда абразивные частицы или твердые частицы удаляют материал с противоположной поверхности. Распространенной аналогией является материал, удаляемый или смещаемый операцией резки или вспашки. Трехчастичный износ происходит, когда частицы не ограничены и могут свободно катиться и скользить по поверхности. Контактная среда определяет, классифицируется ли износ как открытый или закрытый. Открытая контактная среда возникает, когда поверхности достаточно смещены, чтобы быть независимыми друг от друга.

Существует ряд факторов, которые влияют на абразивный износ и, следовательно, на способ удаления материала. Было предложено несколько различных механизмов для описания способа удаления материала. Три наиболее часто идентифицируемых механизма абразивного износа: ^{[ необходима цитата ]}

1. Вспашка
2. Резка
3. Фрагментация

Вспашка происходит, когда материал смещается в сторону, от частиц износа, что приводит к образованию канавок, которые не предполагают прямого удаления материала. Смещенный материал образует гребни, прилегающие к канавкам, которые могут быть удалены последующим прохождением абразивных частиц.

Резка происходит, когда материал отделяется от поверхности в виде первичного мусора или микрочастиц, при этом материал практически не смещается к краям канавок. Этот механизм очень похож на обычную обработку.

Фрагментация происходит, когда материал отделяется от поверхности в процессе резки, а вдавливающийся абразив вызывает локальный разрыв материала износа. Эти трещины затем свободно распространяются локально вокруг канавки износа, что приводит к дополнительному удалению материала путем скалывания . ^[15]

Абразивный износ можно измерить как потерю массы с помощью испытания на истирание по Таберу в соответствии со стандартами ISO 9352 или ASTM D 4060.

Объем износа при однокомпонентном абразивном износе можно описать следующим образом: ^[13] ${\displaystyle V}$

${\displaystyle V=\alpha \beta {\frac {WL}{H_{v}}}=K{\frac {WL}{H_{v}}}}$

где — нагрузка, — коэффициент формы неровности (обычно ~ 0,1), — степень износа неровностью (обычно от 0,1 до 1,0), — коэффициент износа, — путь скольжения, — твердость. ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle H_{v}}$

Поверхностная усталость

Поверхностная усталость — это процесс, при котором поверхность материала ослабляется циклической нагрузкой, что является одним из видов общей усталости материала. Усталостный износ возникает, когда частицы износа отделяются циклическим ростом микротрещин на поверхности. Эти микротрещины являются либо поверхностными, либо подповерхностными трещинами.

Износ фреттинг-синдрома

Износ при фреттинге — это повторяющееся циклическое трение между двумя поверхностями. С течением времени фреттинг, который удаляет материал с одной или обеих поверхностей, находящихся в контакте. Обычно это происходит в подшипниках, хотя большинство подшипников имеют закаленные поверхности, чтобы противостоять этой проблеме. Другая проблема возникает, когда на любой из поверхностей образуются трещины, известные как усталость при фреттинге. Это более серьезное из двух явлений, поскольку оно может привести к катастрофическому отказу подшипника. Сопутствующая проблема возникает, когда мелкие частицы, удаляемые износом, окисляются на воздухе. Оксиды обычно тверже основного металла, поэтому износ ускоряется, поскольку твердые частицы еще больше истирают металлические поверхности. Фреттинг-коррозия действует таким же образом, особенно при наличии воды. Незащищенные подшипники на больших конструкциях, таких как мосты, могут серьезно ухудшить свое поведение, особенно когда зимой для удаления льда с автомагистралей, пролегающих вдоль мостов, используется соль. Проблема фреттинг-коррозии была связана с трагедией на Серебряном мосту и аварией на мосту через реку Мианус .

Эрозионный износ

Эрозионный износ можно определить как чрезвычайно короткое скользящее движение, которое выполняется в течение короткого промежутка времени. Эрозионный износ вызывается ударом частиц твердого тела или жидкости о поверхность объекта. ^{[10] [16]} Ударные частицы постепенно удаляют материал с поверхности посредством повторяющихся деформаций и режущих действий. ^[17] Это широко распространенный механизм в промышленности. Из-за характера процесса транспортировки трубопроводные системы подвержены износу, когда необходимо транспортировать абразивные частицы. ^[18]

Скорость эрозионного износа зависит от ряда факторов. Характеристики материала частиц, такие как их форма, твердость, скорость удара и угол падения, являются основными факторами наряду со свойствами поверхности, подвергающейся эрозии. Угол падения является одним из наиболее важных факторов и широко признан в литературе. ^[19] Для пластичных материалов максимальная скорость износа обнаруживается, когда угол падения составляет приблизительно 30°, в то время как для непластичных материалов максимальная скорость износа возникает, когда угол падения перпендикулярен поверхности. ^[19] Подробный теоретический анализ зависимости эрозионного износа от угла наклона и свойств материала представлен в. ^[20]

Для заданной морфологии частиц скорость эрозии, , может быть представлена ​​в виде степенной зависимости от скорости: ^[16] ${\displaystyle E}$

${\displaystyle E=kv^{n}}$

где — константа, — скорость, а — показатель скорости. Обычно находится в пределах от 2 до 2,5 для металлов и от 2,5 до 3 для керамики. ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$

Коррозия и окислительный износ

Коррозия и окислительный износ происходят как в смазанных, так и в сухих контактах. Основной причиной являются химические реакции между изношенным материалом и корродирующей средой. ^[21] Износ, вызванный синергетическим действием трибологических напряжений и коррозии, также называется трибокоррозией .

Ударный износ

Ударный износ вызывается контактом двух тел. В отличие от эрозионного износа, ударный износ всегда происходит в одном и том же, четко определенном месте. Если удар повторяется, то обычно с постоянной кинетической энергией в момент удара. Частота ударов может быть разной. Износ может происходить на обоих телах, но обычно одно тело имеет значительно большую твердость и вязкость и его износом пренебрегают.

Другие виды износа

Другими, менее распространенными типами износа являются кавитационный и диффузионный износ. ^[6]

Стадии износа

При номинальных условиях эксплуатации скорость износа обычно изменяется в три этапа: ^{[ необходима ссылка ]}

• Первичная стадия или ранний период приработки, на котором поверхности адаптируются друг к другу, а скорость износа может варьироваться от высокой до низкой.
• Вторичная стадия или процесс среднего возраста, где можно наблюдать устойчивый износ. Большая часть срока службы компонента проходит на этой стадии.
• Третичная стадия или период старения, когда поверхности подвергаются быстрому разрушению из-за высокой скорости износа.

Скорость износа сильно зависит от условий эксплуатации и образования трибопленок . Вторичная стадия сокращается с увеличением суровости условий окружающей среды, таких как высокие температуры, скорости деформации и напряжения.

Так называемые карты износа, демонстрирующие скорость износа при различных условиях эксплуатации, используются для определения стабильных рабочих точек для трибологических контактов. Карты износа также показывают доминирующие режимы износа при различных условиях нагрузки. ^{[ необходима цитата ]}

В явных испытаниях на износ, имитирующих промышленные условия между металлическими поверхностями, нет четкого хронологического различия между различными стадиями износа из-за больших перекрытий и симбиотических связей между различными механизмами трения. Поверхностная инженерия и обработка используются для минимизации износа и продления срока службы компонентов. ^{[1] [22]}

Испытание на износ

Существует несколько стандартных методов испытаний для различных типов износа, чтобы определить количество удаляемого материала в течение определенного периода времени в четко определенных условиях. Международный комитет ASTM G-2 стандартизирует испытания на износ для определенных применений, которые периодически обновляются. Общество инженеров по трибологии и смазке (STLE) задокументировало большое количество испытаний на трение, износ и смазку. Стандартизированные испытания на износ используются для создания сравнительных рейтингов материалов для определенного набора параметров испытаний, как указано в описании испытания. Чтобы получить более точные прогнозы износа в промышленных применениях, необходимо проводить испытания на износ в условиях, имитирующих точный процесс износа.

Испытание на истирание — это испытание, проводимое для измерения сопротивления зернистого материала износу.

Моделирование износа

Закон износа Рейе –Арчарда–Хрущова является классической моделью прогнозирования износа. ^[23]

Измерение износа

Коэффициент износа

Коэффициент износа — это физический коэффициент, используемый для измерения, характеристики и корреляции износа материалов.

Анализ смазочных материалов

Анализ смазочных материалов является альтернативным, косвенным способом измерения износа. Здесь износ определяется по наличию частиц износа в жидкой смазке. Чтобы получить более глубокое представление о природе частиц, можно провести химический (например, XRF, ICP-OES), структурный (например, феррография ) или оптический анализ (например, световая микроскопия ). ^[24]

Смотрите также

• Истирание (механическое)  – процесс износа поверхности.
• Люфт (инженерный)  – зазор между сопрягаемыми компонентами
• Гистерезис  – зависимость состояния системы от ее истории
• Трибометр  – прибор, измеряющий трение и износ между поверхностями. Оборудование, используемое для измерения трения и износа.
• Деградация бетона  – повреждение бетона, влияющее на его механическую прочность и долговечность.
• Коэффициент износа  – коэффициент, используемый в физике для измерения износа материала.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Уравнение Арчарда  – модель, используемая для описания износа
• Гипотеза Рея  [it]

Ссылки

1. Chattopadhyay, R. (2001). Поверхностный износ - анализ, лечение и профилактика . OH, USA: ASM-International. ISBN 978-0-87170-702-4.
2. Дэвис, Дж. Р. (2001). Поверхностная инженерия для коррозионной и износостойкой стойкости. ASM International. стр. 56. ISBN 0-87170-700-4. OCLC  1027005806.
3. Акчурин, Айдар; Босман, Роб; Лугт, Пит М.; Дроген, Марк ван (2016-06-16). «Анализ частиц износа, образующихся в контактах скольжения с граничной смазкой». Tribology Letters . 63 (2): 16. doi : 10.1007/s11249-016-0701-z . ISSN  1023-8883.
4. Дэвис, Дж. Р., ред. (1998). Справочник по металлам: настольное издание . ASM International. ISBN 9780871706546.
5. к своему золотому веку? Грандиозные проблемы в инженерном образовании и трибологических исследованиях». Frontiers in Mechanical Engineering . 4. doi : 10.3389/fmech.2018.00016 .
6. Varenberg, M. (2013). «К единой классификации износа». Трение . 1 (4): 333–340. doi : 10.1007/s40544-013-0027-x .
7. Уильямс, JA (2005). «Износ и частицы износа – Некоторые основы». Tribology International 38(10): 863–870
8. «Износ – О трибологии».
9. Рабинович, Э. (1965). Трение и износ материалов. Нью-Йорк, John Wiley and Sons.
10. Stachowiak, GW, и AW Batchelor (2005). Инженерная трибология. Burlington, Elsevier Butterworth-Heinemann
11. Glaeser, WA, Ed. (1993).
12. Дэвис, Джозеф Р. (2001). Поверхностная инженерия для коррозионной и износостойкой стойкости. Materials Park, OH: ASM International. стр. 72–75. ISBN 978-0-87170-700-0. OCLC  69243337.
13. Stachowiak, Gwidon (2006). "2.2.2 Виды износа: абразивный, адгезионный, текучий и усталостный износ". Износ — материалы, механизм и практика . John Wiley & Sons. стр. 11–14. ISBN 978-0-470-01628-2.
14. Стандартная терминология, касающаяся износа и эрозии, Ежегодник стандартов, том 03.02, ASTM, 1987, стр. 243–250
15. ASM Handbook Committee (2002). ASM Handbook. Технология трения, смазки и износа. США, ASM International. Том 18.
16. Davis, JR (2001). Поверхностная инженерия для коррозионной и износостойкой стойкости. ASM International. С. 61–67. ISBN 0-87170-700-4. OCLC  1027005806.
17. Мамата, КП (2008). «Обзор эрозии ила в гидротурбинах». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 12(7): 1974.
18. CAR, Duarte; FJ, de Souza; VF, dos Santos (январь 2016 г.). «Смягчение эрозии локтя с помощью вихревой камеры». Powder Technology . 288 : 6–25. doi :10.1016/j.powtec.2015.10.032.
19. Sinmazcelik, T. и I. Taskiran (2007). «Эрозионное износоустойчивое поведение композитов на основе полифениленсульфида (PPS)». Материалы в машиностроении 28(9): 2471-2477.
20. Виллерт, Эмануэль (2020). Stoßprobleme in Physik, Technik und Medizin: Grundlagen und Anwendungen (на немецком языке). Спрингер Вьюег.
21. Стачвайк, Гвидон В.; Батчелор, Эндрю В. (2005). Инженерная трибология (3-е изд.). Elsevier Inc. Bibcode :2005entr.book.....W.
22. Чаттопадхай, Р. (2004). Современные термически-ассистированные процессы поверхностной инженерии . Массачусетс, США: Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-1-4020-7696-1.
23. Биссон, Эдмонд Э. (1968). Различные режимы износа и факторы, их контролирующие . Технический меморандум NASA TM X-52426.
24. "Теория смазки в анализе масла | Learn Oil Analysis". learnoilanalysis.com . Получено 2017-11-30 .

Дальнейшее чтение

• Боуден, Табор: Трение и смазка твердых тел (Оксфорд: Clarendon Press, 1950).
• Клейс И. и Кулу П.: Эрозия твердых частиц . Springer-Verlag, Лондон, 2008, 206 стр.
• Zum Gahr K.-H.: Микроструктура и износ материалов , Elsevier, Амстердам, 1987, 560 стр.
• Джонс Дж. Р.: Смазка, трение и износ , NASA-SP-8063, 1971, 75 стр. Хороший, бесплатный и полезный документ доступен здесь.
• SC Lim. Последние разработки в области карт механизмов износа. Trib. Intl. 1998; 31; 87–97.
• HC Meng и K. C Ludema. Wear 1995; 183; 443–457.
• Р. Босман и DJ Шиппер. Wear 2012; 280; 54–62.
• М. В. Акрам, К. Полихронопулу, А. А. Поликарпу. Trib. Int.: 2013; 57;9 2–100.
• PJ Blau, Трибосистемный анализ — практический подход к диагностике проблем износа. CRC Press, 2016.

Внешние ссылки

• Университет Мишкольца: Износ и механизм износа