Истирание — это форма износа, вызванная сцеплением между поверхностями скольжения. Когда материал истирается, часть его притягивается к контактирующей поверхности, особенно если существует большая сила, сжимающая поверхности вместе. [1] Истирание вызвано сочетанием трения и адгезии между поверхностями с последующим скольжением и разрывом кристаллической структуры под поверхностью. [2] Обычно это приводит к тому, что часть материала прилипает или даже приваривается трением к прилегающей поверхности, тогда как истертый материал может выглядеть раздолбленным со скомканными или разорванными комками материала, прилипшими к его поверхности.
Истирание чаще всего встречается на металлических поверхностях, находящихся в скользящем контакте друг с другом. Это особенно распространено при недостаточной смазке между поверхностями. Однако некоторые металлы, как правило, более склонны к истиранию из-за атомной структуры их кристаллов. Например, алюминий — это металл, который очень легко истирается, тогда как отожженная (размягченная) сталь немного более устойчива к истиранию. Полностью закаленная сталь очень устойчива к истиранию.
Истирание является распространенной проблемой в большинстве случаев, когда металлы скользят при контакте с другими металлами. Это может произойти независимо от того, одинаковые или разные металлы. Такие сплавы , как латунь и бронза , часто выбирают для изготовления подшипников , втулок и других устройств скольжения из-за их устойчивости к истиранию, а также к другим формам механического истирания .
Истирание – это адгезионный износ , вызванный микроскопическим переносом материала между металлическими поверхностями при поперечном движении (скольжении). Это часто происходит всякий раз, когда металлические поверхности соприкасаются и скользят друг по другу, особенно при плохой смазке. Это часто происходит в высоконагруженных и низкоскоростных приложениях, хотя также может возникать и в высокоскоростных приложениях с очень небольшой нагрузкой. Истирание является распространенной проблемой при формовке листового металла , подшипниках и поршнях двигателей , гидравлических цилиндрах , пневматических двигателях и многих других промышленных операциях. Истирание отличается от выдалбливания или царапания тем, что оно включает в себя видимый перенос материала, поскольку он прилипает ( механически отслаивается ) от одной поверхности, оставляя его прилипшим к другой в виде приподнятого комка (нагара). В отличие от других форм износа, истирание обычно не является постепенным процессом, а происходит быстро и быстро распространяется, поскольку выступающие выступы вызывают еще большее истирание. Это часто может произойти с винтами и болтами, в результате чего резьба заедает и вырывается из крепежа или отверстия. В крайних случаях болт может заклинить без снятия резьбы, что может привести к поломке крепежа, инструмента или того и другого. Резьбовые вставки из закаленной стали часто используются для металлов, таких как алюминий или нержавеющая сталь , которые легко истираются. [3]
Для истирания необходимы два свойства, общие для большинства металлов: сцепление за счет притяжения металлических связей и пластичность (способность деформироваться без разрушения). На склонность материала к истиранию влияет пластичность материала . Обычно закаленные материалы более устойчивы к истиранию, тогда как более мягкие материалы того же типа быстрее истираны. На склонность материала к галлу также влияет специфическое расположение атомов, поскольку кристаллы, расположенные в гранецентрированной кубической (FCC) решетке, обычно обеспечивают перенос материала в большей степени, чем объемноцентрированная кубическая (BCC). . Это связано с тем, что гранецентрированный кубик имеет большую склонность к образованию дислокаций в кристаллической решетке, которые представляют собой дефекты, которые позволяют решетке смещаться или «перекрестно смещаться», делая металл более склонным к истиранию. Однако, если металл имеет большое количество дефектов упаковки (разница в последовательности упаковки между атомными плоскостями), он будет менее склонен к поперечному скольжению на дислокациях. Таким образом, устойчивость материала к истиранию в первую очередь определяется его энергией дефекта упаковки . Материал с высокой энергией дефекта упаковки, такой как алюминий или титан , будет гораздо более подвержен истиранию, чем материалы с низкой энергией дефекта упаковки, такие как медь , бронза или золото . И наоборот, материалы с гексагональной плотноупакованной структурой (HCP) и высоким соотношением C/A , такие как сплавы на основе кобальта , чрезвычайно устойчивы к истиранию. [4]
Первоначально истирание происходит при переносе материала с отдельных зерен микроскопического масштаба, которые прилипают или даже диффузионно привариваются к прилегающей поверхности. Этот перенос можно усилить, если один или оба металла образуют тонкий слой твердых оксидов с высокими коэффициентами трения , например, на алюминии или нержавеющей стали. По мере роста комка он давит на соседний материал, раздвигая его и концентрируя большую часть тепловой энергии трения на очень маленькой площади. Это, в свою очередь, приводит к усилению адгезии и налипанию материала. Локализованное тепло увеличивает пластичность испорченной поверхности, деформируя металл до тех пор, пока комок не прорвется через поверхность и не начнет выпахивать большие объемы материала с испорченной 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 увеличение поверхностной твердости металлов с помощью таких процессов, как цементация и индукционная закалка .
В инженерных науках и других технических аспектах широко распространен термин истирание. Влияние ускорения в зоне контакта между материалами было математически описано и сопоставлено с механизмом трения, обнаруженным в путях во время эмпирических наблюдений явления истирания. Из-за проблем с предыдущими несовместимыми определениями и методами испытаний более совершенные средства измерений в сочетании с более глубоким пониманием задействованных механизмов трения привели к попытке стандартизировать или переопределить термин «истирание», чтобы обеспечить более широкое использование. ASTM International сформулировала и установила общее определение технического аспекта явления истирания в стандарте ASTM G40: «Истирание — это форма повреждения поверхности, возникающая при скольжении твердых тел, отличающаяся микроскопическим, обычно локализованным, шероховатостью и образованием выступов (например, , комочки) над исходной поверхностью». [5]
Когда две металлические поверхности прижимаются друг к другу, начальным взаимодействием и точками соприкосновения являются неровности или выступы, находящиеся на каждой поверхности. Неровность может проникнуть в противоположную поверхность при наличии сходящегося контакта и относительного движения. Контакт между поверхностями инициирует трение или пластическую деформацию и вызывает давление и энергию на небольшой площади, называемой зоной контакта.
Повышение давления увеличивает плотность энергии и уровень тепла в деформированной области. Это приводит к усилению сцепления между поверхностями, что инициирует перенос материала, образование истираний, рост комков и образование выступов над исходной поверхностью.
Если комок (или выступ перенесенного материала на одну поверхность) вырастет до высоты нескольких микрометров , он может проникнуть в оксидный слой противоположной поверхности и вызвать повреждение основного материала. Повреждение сыпучего материала является предпосылкой возникновения пластического течения в деформированном объеме, окружающем комок. Геометрия и скорость куска определяют, как текущий материал будет транспортироваться, ускоряться и замедляться вокруг куска. Этот поток материала имеет решающее значение при определении контактного давления, плотности энергии и развиваемой температуры во время скольжения. Таким образом, математическая функция, описывающая ускорение и замедление текущего материала, определяется геометрическими ограничениями, выведенными или заданными контуром поверхности куска.
Если соблюдены правильные условия, такие 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 увеличение напряжения сжатия пропорционально увеличению потенциальной энергии и температуры внутри зоны контакта. Накопление энергии при скольжении позволяет уменьшить потери энергии из зоны контакта за счет малой площади поверхности на границе поверхности и, следовательно, низкой теплопроводности. Другая причина — энергия, постоянно проникающая в металлы, которая является продуктом ускорения и давления. В совокупности эти механизмы обеспечивают постоянное накопление энергии, вызывая увеличение плотности энергии и температуры в зоне контакта во время скольжения.
Этот процесс и контакт можно сравнить с холодной сваркой или сваркой трением , поскольку холодная сварка не является по-настоящему холодной, а в точках плавления наблюдается увеличение температуры и плотности энергии, обусловленное приложенным давлением и пластической деформацией в зоне контакта.
Истирание часто наблюдается между металлическими поверхностями, где произошел прямой контакт и относительное движение. Формовка листового металла , производство резьбы и другие промышленные операции могут включать движущиеся части или контактные поверхности из нержавеющей стали, алюминия, титана и других металлов, естественное развитие внешнего оксидного слоя которых за счет пассивации повышает их коррозионную стойкость, но делает их особенно восприимчивыми. чтобы раздражать. [6]
В металлообработке, включающей резку (в первую очередь токарную и фрезерную обработку), истирание часто используется для описания явления износа, возникающего при резке мягкого металла. Рабочий материал переносится на фрезу и образует «комок». Образовавшийся комок меняет характер контакта между двумя поверхностями, что обычно увеличивает адгезию и устойчивость к дальнейшему резанию, а из-за создаваемых вибраций его можно услышать как отчетливый звук.
Истирание часто происходит при использовании соединений алюминия и является частой причиной поломки инструмента. Алюминий — пластичный металл, а это означает, что он относительно легко обладает способностью к пластическому течению, что предполагает относительно постоянную и значительную пластическую зону.
Высокую пластичность и текучесть материала можно считать общей предпосылкой чрезмерного переноса материала и истирания, поскольку фрикционный нагрев тесно связан со структурой пластических зон вокруг проникающих предметов.
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 увеличению трения.
Обычно на адгезионный износ или истирание влияют две основные системы трения: контакт с твердой поверхностью и контакт со смазкой. С точки зрения предотвращения они действуют по-разному и предъявляют разные требования к структуре поверхности, сплавам и кристаллической матрице, используемой в материалах.
При контакте с твердой поверхностью или в условиях отсутствия смазки первоначальный контакт характеризуется взаимодействием между неровностями и проявлением двух разных видов притяжения: энергии сцепления поверхности или молекул, которые соединяют и склеивают две поверхности вместе, особенно даже если их разделяет измеримое расстояние. их. Прямой контакт и пластическая деформация создают другой тип притяжения за счет образования пластической зоны с текущим материалом, где индуцированная энергия, давление и температура позволяют связывать поверхности в гораздо большем масштабе, чем энергия сцепления поверхности.
В металлических соединениях и штамповке листового металла неровности обычно представляют собой оксиды, а пластическая деформация в основном состоит из хрупкого разрушения , что предполагает очень небольшую пластическую зону. Накопление энергии и температуры невелико из-за разрывности механизма разрушения. Однако во время первоначального контакта шероховатостей/неровностей остатки износа или кусочки неровностей прилипают к противоположной поверхности, создавая микроскопическое, обычно локализованное, шероховатость и образование выступов (фактически комков) над исходной поверхностью. Перенесенные частицы износа и комки проникают в противоположный оксидный поверхностный слой и вызывают повреждение нижележащего сыпучего материала, продвигая его вперед. Это обеспечивает непрерывную пластическую деформацию, пластическое течение и накопление энергии и температуры. Предотвращение переноса адгезивного материала достигается с помощью следующих или аналогичных подходов:
Смазываемый контакт предъявляет другие требования к структуре поверхности задействованных материалов, и основной проблемой является сохранение толщины защитной смазки и предотвращение пластической деформации. Это важно, поскольку пластическая деформация повышает температуру масла или смазочной жидкости и изменяет вязкость. Любое возможное перемещение материала или образование выступов над исходной поверхностью также уменьшит способность сохранять толщину защитной смазки. Правильную толщину защитной смазки можно обеспечить или сохранить за счет: