Носить

Повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях.

Задние (ведомые) велосипедные звездочки. Новый, слева, износа нет. Правый, бывший в употреблении, имеет очевидный износ из-за вращения по часовой стрелке.

Износ – это повреждение, постепенное удаление или деформация материала твердых поверхностей . 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 ухудшению функциональных поверхностей, что в конечном итоге приводит к выходу из строя материала или потере функциональности. Таким образом, износ имеет большое экономическое значение, как это впервые было отмечено в докладе Йоста . ^[1] По оценкам, только абразивный износ обходится в 1–4% валового национального продукта промышленно развитых стран. ^[2]

Износ металлов происходит путем пластического смещения поверхностного и приповерхностного материала и отрыва частиц, образующих остатки 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 потоками газов. ^[4]

На скорость изнашивания влияют такие факторы, как тип нагрузки (например, ударная, статическая, динамическая), тип движения (например, скольжение , качение ), температура и смазка , в частности процесс напыления и изнашивания деталей. пограничный смазочный слой. ^[5] В зависимости от трибосистемы могут наблюдаться различные типы и механизмы износа .

Виды и механизмы износа

Типы износа идентифицируются по относительному движению , характеру нарушений изношенной поверхности или «механизма», а также по тому, влияет ли оно на самовосстанавливающийся или базовый слой. ^[6]

Механизмы износа являются физическими нарушениями. Например, механизм адгезионного изнашивания – адгезия . Механизмы и/или подмеханизмы износа часто перекрываются и действуют синергетически, вызывая более высокую скорость износа, чем сумма отдельных механизмов износа. ^[7]

Адгезивный износ

СЭМ-микрофотография адгезионного износа (переносимых материалов) образца стали 52100, скользящего по алюминиевому сплаву. (Жёлтая стрелка указывает направление скольжения)

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

1. Адгезионный износ вызван относительным движением, «прямым контактом» и пластической деформацией, которые создают частицы износа и перенос материала с одной поверхности на другую.
2. Когезионные силы сцепления удерживают две поверхности вместе, даже если они разделены измеримым расстоянием, с каким-либо фактическим переносом материала или без него.

Обычно адгезионный износ возникает, когда два тела скользят или прижимаются друг к другу, что способствует переносу материала. Это можно описать как пластическую деформацию очень мелких фрагментов в поверхностных слоях. ^{[ нужна цитата ]} Неровности или микроскопические выступы ( шероховатость поверхности ), обнаруженные на каждой поверхности, влияют на серьезность того , как фрагменты оксидов отрываются и добавляются к другой поверхности, отчасти из-за сильных сил сцепления между атомами, ^[9], но также за счет накопления энергии в пластической зоне между неровностями при относительном движении.

Тип механизма и амплитуда поверхностного притяжения варьируются в зависимости от материала, но усиливаются за счет увеличения плотности «поверхностной энергии». Большинство твердых веществ в той или иной степени прилипают при контакте. Однако оксидные пленки, смазочные материалы и загрязнения, встречающиеся в природе, обычно подавляют адгезию ^[10] , а спонтанные экзотермические химические реакции между поверхностями обычно приводят к образованию веществ с низким энергетическим статусом в абсорбированных частицах. ^[11]

Адгезивный 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 разрушает окисленный поверхностный слой и соединяется с нижележащим объемным материалом, увеличивая возможность более сильной адгезии ^[11] и пластического течения вокруг куска.

Простую модель объема адгезионного износа можно описать 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 поверхность, напоминающая канавки, 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 это как потерю материала из-за твердых частиц или твердых выступов, которые прижимаются к твердой поверхности и движутся вдоль нее. ^[14]

Абразивный износ обычно классифицируют в зависимости от типа контакта и контактной среды. ^[15] Тип контакта определяет режим абразивного изнашивания. Два режима абразивного изнашивания известны как двухчастичное и трехчастичное абразивное изнашивание. Двухчастичный износ происходит, когда песчинки или твердые частицы удаляют материал с противоположной поверхности. Общая аналогия - это удаление или перемещение материала в результате резки или вспашки. Трехчастичный износ возникает, когда частицы не ограничены и могут свободно катиться и скользить по поверхности. Среда контакта определяет, классифицируется ли износ как открытый или закрытый. Среда открытого контакта возникает, когда поверхности достаточно смещены, чтобы быть независимыми друг от друга.

Существует ряд факторов, влияющих на абразивный износ и, следовательно, на способ удаления материала. Было предложено несколько различных механизмов для описания способа удаления материала. Три ^{обычно идентифицируемых} механизма абразивного износа ^:

1. Вспашка
2. Резка
3. Фрагментация

Вспашка происходит при смещении материала в сторону, в сторону от частиц износа, в результате чего образуются канавки, не предполагающие непосредственного съема 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 микрочипов, при этом материал практически не смещается в стороны канавок. Этот механизм очень похож на традиционную механическую обработку.

Фрагментация возникает, когда материал отделяется от поверхности в процессе резания, а вдавливающий абразив вызывает локальное разрушение изнашиваемого материала. Эти трещины затем свободно распространяются локально вокруг канавки износа, что приводит к дополнительному удалению материала в результате растрескивания . ^[15]

Абразивный износ можно измерить как потерю массы с помощью теста Табера на истирание в соответствии с ISO 9352 или ASTM D 4060.

Объем износа при одноабразивном изнашивании , можно описать формулой: ^[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 неровности (обычно от 0,1 до 1,0), коэффициент износа, расстояние скольжения и 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 циклическим нагружением, что является одним из типов общей усталости материала. Усталостный износ возникает, когда частицы износа отделяются в результате циклического роста микротрещин на поверхности. Эти микротрещины представляют собой либо поверхностные, либо подповерхностные трещины.

Фреттинг-износ

Фреттинг-износ – это повторяющееся циклическое трение между двумя поверхностями. В течение определенного периода времени фреттинг удаляет материал с одной или обеих соприкасающихся поверхностей. Обычно это происходит в подшипниках, хотя поверхность большинства подшипников закалена, чтобы противостоять этой проблеме. Другая проблема возникает, когда на любой поверхности образуются трещины, известные как фреттинг-усталость. Это более серьезное из двух явлений, поскольку оно может привести к катастрофическому выходу подшипника из строя. Сопутствующая проблема возникает, когда мелкие частицы, удаленные в результате износа, окисляются на воздухе. Оксиды обычно тверже основного металла, поэтому износ ускоряется, поскольку более твердые частицы дополнительно истирают металлические поверхности. Фреттинг-коррозия действует таким же образом, особенно в присутствии воды. Незащищенные подшипники крупных конструкций, таких как мосты, могут серьезно ухудшиться в работе, особенно когда соль используется зимой для борьбы с обледенением дорог, проходящих по мостам. Проблема фреттинг-коррозии была связана с трагедией на Серебряном мосту и аварией на мосту через реку Мианус .

Эрозивный износ

Эрозионное изнашивание можно определить как чрезвычайно короткое скользящее движение, выполняемое в течение короткого интервала времени. Эрозионный износ возникает в результате удара частиц твердого или жидкого вещества о поверхность предмета. ^{[10] [16]} Ударные частицы постепенно удаляют материал с поверхности посредством повторяющихся деформаций и режущих действий. ^[17] Это широко распространенный механизм в промышленности. Из-за особенностей процесса транспортировки системы трубопроводов склонны к износу при транспортировке абразивных частиц. ^[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 эрозируемой поверхности. Угол падения является одним из наиболее важных факторов и широко известен в литературе. ^[19] Для пластичных материалов максимальная скорость износа достигается, когда угол удара составляет примерно 30°, тогда как для непластичных материалов максимальная скорость износа наблюдается, когда угол удара перпендикулярен поверхности. ^[19] Подробный теоретический анализ зависимости эрозионного износа от угла наклона и свойств материала представлен в ^{[20] .}

Для данной морфологии частиц скорость эрозии может быть описана степенной зависимостью от скорости: ^[16] ${\displaystyle E}$

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

где – константа, – скорость, – показатель скорости. обычно составляет от 2 до 2,5 для металлов и от 2,5 до 3 для керамики. ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$

Коррозионный и окислительный износ

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

Ударный износ

Ударный износ возникает в результате контакта двух тел. В отличие от эрозионного износа, ударный износ всегда возникает в одном и том же, четко определенном месте. Если удар повторяется, то обычно с постоянной кинетической энергией в момент удара. Частота воздействий может варьироваться. Износ может происходить на обоих телах, но обычно одно тело имеет значительно более высокую твердость и вязкость и его износом не пренебрегают.

Другие виды одежды

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

Стадии износа

В номинальных условиях эксплуатации скорость износа обычно изменяется в ^{три этапа :}

• Начальная стадия или ранний период приработки, когда поверхности адаптируются друг к другу, а скорость износа может варьироваться от высокой до низкой.
• Вторичная стадия или процесс среднего возраста, при котором наблюдается устойчивый износ. На этом этапе проходит большая часть срока службы компонента.
• Третичная стадия или период старения, когда поверхности подвергаются быстрому разрушению из-за высокой скорости износа.

На скорость изнашивания сильное влияние оказывают условия эксплуатации и образование трибопленок . Вторичная стадия укорачивается по мере увеличения суровости условий окружающей среды, таких как высокие температуры, скорости деформации и напряжения.

Для определения точек устойчивой работы трибоконтактов используются так называемые карты износа, демонстрирующие скорость износа в различных условиях эксплуатации. Карты износа также показывают доминирующие режимы износа при различных условиях нагрузки. ^{[ нужна цитата ]}

В явных испытаниях на износ, имитирующих промышленные условия между металлическими поверхностями, не существует четкого хронологического различия между различными стадиями износа из-за большого перекрытия и симбиотических отношений между различными механизмами трения. Технология обработки поверхности 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, позволяющих определить степень удаления материала за определенный период времени в четко определенных условиях. Международный комитет ASTM G-2 стандартизирует испытания на износ для конкретных 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 сравнительного рейтинга материалов для определенного набора параметров испытаний, как указано в описании испытания. Для получения более точных прогнозов износа в промышленности необходимо проводить испытания на износ в условиях, точно моделирующих процесс износа.

Испытание на истирание — это испытание, которое проводится для измерения стойкости гранулированного материала к износу.

Моделирование износа

Закон износа Рея -Архарда-Хрущева 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 обнаруживается 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, световую микроскопию ). ^[24]

Смотрите также

• Истирание (механическое)  – процесс истирания поверхности.
• Люфт (технический)  – 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.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта
• Уравнение Арчарда  - модель, используемая для описания износа
• Гипотеза Рея  [это]

Рекомендации

1. Чаттопадхьяй, Р. (2001). Поверхностный износ – анализ, лечение и предотвращение . Огайо, США: ASM-International. ISBN 978-0-87170-702-4.
2. Дэвис, младший (2001). Разработка поверхности для защиты от коррозии и износа. АСМ Интернешнл. п. 56. ИСБН 0-87170-700-4. ОСЛК  1027005806.
3. Акчурин, Айдар; Босман, Роб; Лугт, Пит М.; Дроген, Марк ван (16 июня 2016 г.). «Анализ частиц износа, образующихся в скользящих контактах со смазкой на границе». Письма по трибологии . 63 (2): 16. дои : 10.1007/s11249-016-0701-z . ISSN  1023-8883.
4. Дэвис, младший, изд. (1998). Справочник по металлам: настольное издание . АСМ Интернешнл. ISBN 9780871706546.
5. Попов, Валентин Л. (2018). «Приближается ли трибология к своему золотому веку? Большие проблемы в области инженерного образования и трибологических исследований». Границы в машиностроении . 4 . дои : 10.3389/fmech.2018.00016 .
6. Варенберг, М. (2013). «На пути к единой классификации износа». Трение . 1 (4): 333–340. дои : 10.1007/s40544-013-0027-x .
7. Уильямс, Дж. А. (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, Джон Уайли и сыновья.
10. Стаховяк, Г.В. и А.В. Бэтчелор (2005). Инженерная трибология. Берлингтон, Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн
11. Глезер, Вашингтон, Эд. (1993).
12. Дэвис, Джозеф Р. (2001). Разработка поверхности для защиты от коррозии и износа. Парк материалов, Огайо: ASM International. стр. 72–75. ISBN 978-0-87170-700-0. ОСЛК  69243337.
13. Стаховяк, Гвидон (2006). «2.2.2 Режимы износа: абразивный, адгезионный, текучий и усталостный износ». Износ: материалы, механизм и практика . Джон Уайли и сыновья. стр. 11–14. ISBN 978-0-470-01628-2.
14. Стандартная терминология, касающаяся износа и эрозии, Ежегодный сборник стандартов, том 03.02, ASTM, 1987, стр. 243–250.
15. Справочный комитет ASM (2002). Справочник АСМ. Технология трения, смазки и износа. США, ASM International. Том 18.
16. Дэвис, младший (2001). Разработка поверхности для защиты от коррозии и износа. АСМ Интернешнл. стр. 61–67. ISBN 0-87170-700-4. ОСЛК  1027005806.
17. Мамата, КП (2008). «Обзор иловой эрозии в гидротурбинах». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 12 (7): 1974.
18. АВТОМОБИЛЬ, Дуарте; Ф.Дж., де Соуза; В.Ф., душ Сантос (январь 2016 г.). «Уменьшение эрозии локтя с помощью вихревой камеры». Порошковая технология . 288 : 6–25. doi : 10.1016/j.powtec.2015.10.032.
19. Синмазчелик, Т. и И. Таскиран (2007). «Эрозионное изнашивание композитов на основе полифениленсульфида (ПФС)». 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.; Бэтчелор, Эндрю В. (2005). Инженерная трибология (3-е изд.). Бибкод Elsevier Inc .: 2005entr.book.....W.
22. Чаттопадхьяй, Р. (2004). Передовые процессы термической обработки поверхности . Массачусетс, США: Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-1-4020-7696-1.
23. Биссон, Эдмонд Э. (1968). Различные режимы износа и их контролирующие факторы . Технический меморандум НАСА TM X-52426.
24. «Теория смазки в анализе масла | Изучите анализ масла» . Learnoilanaанализ.com . Проверено 30 ноября 2017 г.

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.
• Зум Гар К.-Х.: 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 хороший документ доступен здесь.
• СК Лим. Последние разработки в области карт механизмов износа. Триб. Международный 1998 год; 31; 87–97.
• Х.К. Мэн и К.С. Людема. Одежда 1995 года; 183; 443–457.
• Р. Босман и DJ Шиппер. Одежда 2012 года; 280; 54–62.
• М.В. Акрам, К. Полихронопулу, А.А. Поликарпу. Триб. Междунар.: 2013; 57;9 2–100.
• П. Дж. Блау, Анализ трибосистемы – практический подход к диагностике проблем износа. ЦРК Пресс, 2016.

Внешние ссылки

• Университет Мишкольца: Износ и механизм износа