для какого вида изнашивания характерно появление микротрещин на поверхности деталей
Виды изнашивания
Изнашивание деталей сопровождается сложными физико-химическими явлениями. Скорость изнашивания зависит от материала и качества трущихся поверхностей, характера контакта и скорости их взаимного перемещения, вида и значения нагрузки, вида трения и смазки, качества смазочного материала и от многих других факторов. В соответствии с ГОСТ 27674-88 установлены следующие виды изнашивания в машинах.
Механическое изнашивание — это изнашивание в результате механических воздействий. Этот вид изнашивания подразделяется на абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитационное, усталостное, при заедании и при фреттинге.
Абразивное изнашивание — это процесс микропластических деформаций и резания металла твердыми абразивными частицами, находящимися между поверхностями трения, а также в результате непосредственного контактирования с абразивной средой (рабочие органы сельскохозяйственных, мелиоративных и строитель-ных машин, детали ходовой части гусеничных машин и др.).
Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — результат действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно поверхности детали. Этот вид изнашивания характерен для деталей водяных и масляных насосов, гидроусилителей, гидроприводов тормозных систем и др.
Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — это эрозионное изнашивание в результате действия (трения) потока жидкости (газа) о металл. Этому виду изнашивания подвергаются детали системы охлаждения, системы вентиляции и т. п.
Усталостное изнашивание — механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Под действием больших удельных повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, появляются микротрещины, которые развиваются и приводят к усталостному отслаиванию и выкрашиванию частиц металла. Усталостное изнашивание проявляется на поверхностях подшипников качения, зубьев шестерен и т. п.).
Кавитационное изнашивание — механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое удельное давление или температуру, под действием которых происходит разрушение поверхности. Этому виду изнашивания подвержены наружные поверхности гильз цилиндров, стенки рубашки охлаждения, лопасти водяных насосов и т. п.
Изнашивание при заедании — результат схватывания микронеровностей сопрягаемых поверхностей, глубинного вырывания материала и его переноса с одной поверхности на другую. Особенно подвержены этому изнашиванию тяжел она груже нн ые детали (шейки коленчатых и распределительных валов, поршни и т. п.).
Изнашивание при фреттинге возникает в соприкасающихся поверхностях при малых колебательных относительных перемещениях. Этому виду изнашивания подвержены кольца шарико- и роликоподшипников, поверхности деталей при ослаблении резьбовых соединений и т. п.
Изнашивание при действии электрического тока называют электроэрозионным. Оно происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока (электроды свечи, контакты прерывателя — распределителя, клеммы электроприборов и т. п.).
Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Это изнашивание подразделяется на окислительное и изнашивание при фретгинг-коррозии.
Окислительное изнашивание характеризуется тем, что основное влияние иа изнашивание имеет химическая реакция металла с кислородом или окислительной средой. Проявляется этот вид изнашивания у деталей подвижных сопряжений, на поверхности которых образуется твердая пленка окислов. При трении происходит выкрашивание пластически недеформируемых хрупких окислов.
Изнашивание при фретпитг-коррозии возникает при трении скольжения с очень малыми колебательными относительными перемещениями. При ударах и вибрации происходит интенсив- вое окисление соприкасающихся поверхностей вследствие резкой активации шгастически деформируемого металла. В результате на рабочих поверхностях в местах контакта появляется резко выраженное разрушение.
Изнашиванию при фретгинг-коррозии подвергаются посадочные поверхности подшипников качения, болтовые и заклепочные соединения рам и другие детали.
3.1. Виды механического изнашивания
Механическое оборудование: техническое обслуживание и ремонт / В.И. Бобровицкий, В.А. Сидоров. – Донецк: Юго-Восток, 2011. – 238 с.
Механический износ – процесс постепенного разрушения поверхностей деталей при относительном движении. Для повышения надёжности работы оборудования следует выявить условия возникновения отдельных видов изнашивания, механизм разрушения и внешний вид поверхности трения. Основная функция визуального осмотра трущихся поверхностей – определение вида изнашивания и постановка диагноза, позволяющая принять рациональные ремонтные воздействия, снижающие скорость износа.
Контактируемые поверхности деталей машин характеризуются микрорельефом, который в начальный момент работы узлов трения определяет площадь фактического контакта. В процессе эксплуатации под действием рабочих нагрузок и деформаций образуется рабочий рельеф, состоящий из впадин и выступов. Их размеры зависят от внутреннего строения материалов деталей и процессов пластической деформации. При относительном движении в поверхностных слоях контактируемых деталей возникают упругопластические деформации, вызывающие появление вторичных (физических, химических, механических) процессов. Профессор Б.И. Костецкий выделяет пять основных видов механического износа [11]:
Рисунок 3.1 – Износ схватыванием первого рода
Механизм разрушения определяется взаимодействием рабочих рельефов при давлениях, превышающих предел текучести, сопровождается интенсивными пластическими деформациями, в результате которых разрушаются плёнки окислов и вскрываются химически чистые металлические поверхности. Пластические деформации способствуют максимальному сближению деталей и образованию в поверхностных слоях текстур из предельно деформированных кристаллов, расположенных по направлению относительного смещения деталей. Если расстояния предельно малы и соизмеримы с размерами атомных решеток, то между ориентированными кристаллами двух деталей появляются металлические связи. Дальнейшее смещение деталей приводит к упрочнению металла в местах образования связей. При предельных значениях твёрдости и хрупкости металлические связи разрываются.
Проявление. На контактной поверхности детали из менее прочного материала образуются хаотически расположенные вырывы, а на детали из более прочного материала – налипания. Налипшие частицы высокой твёрдости способствуют развитию вторичных процессов местной пластической деформации и микрорезанию поверхностей трения. Скорость изнашивания деталей 10-15 мкм/ч. Силы трения определяются геометрическими характеристиками рабочих рельефов, площадью контактных поверхностей и прочностью металлических связей. Коэффициент трения чрезвычайно высок – 4-6 единиц.
Рисунок 3.2 – Окислительный износ
Проявление. Различают три стадии износа схватыванием второго рода:
Рисунок 3.3 – Вид поверхности при износе схватыванием второго рода
Рисунок 3.4 – Схема возникновения осповидного износа
Проявление. В местах образования сколов на контактных поверхностях появляются осповидные углубления. Наиболее характерный вид изнашивания для деталей подшипников качения (рисунок 3.5).
Рисунок 3.5 – Вид осповидного износа на поверхности наружного кольца подшипника
Рисунок 3.6 – Абразивный износ рабочей поверхности кольца подшипника
Эрозионное изнашивание. Твёрдые частицы, движущиеся в потоке газа или жидкости, оказывают на поверхность металла многократные локальные импульсные удары, вызывающие расшатывание и вымывание поверхностного слоя деталей – эрозию.
Электроэрозионное изнашивание – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. При электрической эрозии контактов происходит частичный перенос металла с одного контакта на другой и распыление металла.
Кавитационное изнашивание – гидроэрозионное изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости (и наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая тем самым местное повышение давления.
7. Виды износа и поломок деталей
материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович
7.1. Виды механического износа
Механический износ – процесс постепенного разрушения поверхностей деталей при относительном движении.
Основная функция визуального осмотра трущихся поверхностей – определение вида изнашивания и постановка диагноза, позволяющая принять рациональные ремонтные воздействия, снижающие скорость износа. [1]
Основные виды механического износа приведены в таблице 7.1 [2].
Таблица 7.1 – Основные виды механического износа
К эрозионным видам износа относят [1]:
К дополнительным видам износа относят (таблица 7.2) [3].
Таблица 7.2 – Дополнительные виды износа
7.2. Виды разрушений и изломов
Излом – разрушение детали, вызванное низким качеством материала, дефектами изготовления, нарушением правил эксплуатации, случайными механическими повреждениями и другими факторами. [1]
Вид излома позволяет определить причины его возникновения (таблица 7.3).
Таблица 7.3 – Основные виды изломов
| Внешний вид | Характер развития | Причина возникновения |
|---|---|---|
| Вязкое разрушение | ||
| Имеет волокнистое строение, без кристаллического блеска (неровные участки рассеивают свет – поверхность излома кажется матовой). Характерным признаком является наличие боковых скосов по краю излома. | Сопровождается интенсивной пластической деформацией материала детали. Первичные изломы редко бывают вязкими. Относительно медленно развивающаяся вязкая трещина либо заблаговременно обнаруживается, либо из-за чрезмерной пластической деформации деталь ещё до разрушения перестаёт выполнять свои функции. | Воздействие значительных кратковременных сил, возникающих при заклинивании механизма или нарушении технологического режима. Может иметь место при длительном действии сил, вызывающих напряжения, превышающие предел текучести материала детали. |
| Хрупкое разрушение | ||
| Имеет ярко выраженное кристаллическое строение у недеформируемых материалов и гладкое от сдвига у мягких материалов. Кромки изломов гладкие, ровные, без скосов или с небольшими скосами. Скос на хрупком изломе указывает место долома (окончания разрушения). | В большинстве случаев начинают развиваться в зонах концентрации напряжений (в местах приварки элементов жёсткости, пересечения сварных швов, у отверстий и галтелей, в зонах резкого изменения толщины). Очагами часто являются дефекты сварки (горячие и холодные трещины, непровары, подрезы, шлаковые включения, поры, расслоения металла). | Происходит внезапно при однократном приложении силы или под действием повторных ударных сил при малой степени местной пластической деформации. |
| Усталостное разрушение | ||
| Чётко выделены: зона усталостного разрушения, имеющая мелкозернистое строение, с фарфоровидной или шлифованной поверхностью; зона статического разрушения – с волокнистым строением у пластичных металлов и крупнозернистым у хрупких. | Возникают в процессе постепенного накопления повреждений в материале деталей, находящихся под действием переменных напряжений, которые приводят к образованию микротрещин, их развитию и окончательному разрушению детали. | Является одним из основных видов повреждения от действия циклических нагрузок. |
Правила при очистке и осмотре излома [1]:
Особенности дефектов закалки приведены в таблице 7.4. [1]
Таблица 7.4 – Дефекты закалки
| Проявление | Причина |
|---|---|
| Закалённый слой мелкозернистый, равномерный. | Температурный режим выдержан. |
| Поверхность излома волокнистая, напильник оставляет заметный след на детали. | Изделие не было нагрето до необходимой температуры. |
| Поверхность излома неравномерная по зернистости. | Изделие было нагрето до более высокой температуры, чем требовалось. |
| Излом крупнозернистый, с сильным белым блеском. | Изделие было нагрето до чрезмерно высокой температуры и находилось при этой температуре продолжительное время. |
| Излом неоднородный, местами незакалённые и хорошо закалённые зёрна, на рёбрах и тонких частях наблюдаются пережжённые зёрна. | Изделие было нагрето слишком быстро и неравномерно. |
7.3. Повреждения подшипников качения
Следы радиальной силы, приложенной в одной точке, постоянной по направлению, при вращающемся внутреннем и неподвижном наружном кольце проявляются в виде непрерывного следа на внутреннем кольце и местном изнашивании наружного кольца (рисунок 7.1). [3]
Рисунок 7.1 – Следы радиальной силы, постоянной по направлению:
а) непрерывный след износа на внутреннем кольце;
б) местное изнашивание наружного кольца
Если неподвижным является внутреннее кольцо, а подвижным наружное, тогда воздействие постоянной радиальной силы проявится в виде непрерывного следа износа на наружном кольце и местном изнашивании внутреннего кольца.
При деформации наружного кольца подшипника в результате отклонений формы посадочного места на наружном неподвижном кольце появится осповидное выкрашивание в двух точках (рисунок 7.2).
Рисунок 7.2 – Осповидное выкрашивание в двух местах на беговой дорожке наружного кольца двухрядного сферического радиального роликоподшипника при отклонении формы посадочного места крышки подшипника
Радиальная сила, приложенная в одной точке, совершающая периодическое колебательное движение в ограниченном секторе приводит к местному изнашиванию наружного и внутреннего колец подшипника (рисунок 7.3). Такой вид изнашивания характерен для шарнирных механизмов, в которых вал совершает колебательные движения.
Рисунок 7.3 – Местное изнашивание беговой дорожки наружного кольца двухрядного радиального роликоподшипника при колебательном движении
Радиальная сила, вращающаяся вместе с валом, приведёт к появлению постоянного следа износа на неподвижном наружном кольце и местного выкрашивания на внутреннем кольце (рисунок 7.4).
Рисунок 7.4 – Местное выкрашивание внутреннего кольца шарикоподшипника при вращающейся радиальной силе, неподвижном наружном кольце и одновременном воздействии осевой силы
Осевая сила, действующая в продольном направлении, вызывает смещение следов износа на кольцах подшипника (рисунок 7.4). Дополнительно, о воздействии осевой силы можно судить по наличию засветлений на торцах роликов (рисунок 7.5).
Рисунок 7.5 – Высветления на торцах роликов одной из беговых дорожек двухрядного радиального роликоподшипника при воздействии осевой силы
В подшипниковом узле имеются как неподвижные, так и подвижные контактирующие поверхности деталей. Осмотр подшипника качения проводится последовательно от посадочной поверхности подшипника в корпусе механизма к посадочной поверхности внутреннего кольца на вал.
Если поверхности внутреннего кольца и вала неподвижны, то внутреннее кольцо подшипника имеет матовую поверхность (рисунок 7.6).
Рисунок 7.6 – Матовая поверхность внутреннего кольца подшипника при неподвижной посадке на вал
Ослабление посадки подшипника в результате ошибок монтажа, эксплуатации часто приводит к проворачиванию подшипника на валу и в корпусе (рисунок 7.7). Проворот подшипника сопровождается увеличением температуры узла, изменением характера шума и вибрации и приводит к недопустимому износу корпусных деталей.
Рисунок 7.7 – Следы проворачивания колец подшипника
Фреттинг-коррозия возникает при перемещении контактирующих поверхностей под воздействием переменных сил или вибраций. Проявляется в виде интенсивного окисления поверхностей, тёмных пятен на посадочных поверхностях колец подшипников (рисунок 7.8). Приводит к стуку, ударам при работе подшипника. При дальнейшем развитии может служить причиной зарождения усталостных трещин.
Рисунок 7.8 – Следы фреттинг-коррозии на посадочной поверхности колец шарикоподшипника:
а) внутреннего;
б) наружного
Если нагрузка неравномерно распределяется по длине ролика или между рядами тел качения двухрядного подшипника (рисунок 7.9), то долговечность подшипника значительно снижается. Причина – перекос корпуса подшипника.
Рисунок 7.9 – Неравномерное выкрашивание при изгибе вала:
а) по длине роликов радиального роликоподшипника;
б) по беговым дорожкам двухрядного радиального сферического шарикоподшипника
Осмотр внешних торцевых поверхностей колец подшипника позволяет подтвердить проворачивание колец или определить наличие контакта подшипника с рядом расположенной деталью (рисунок 7.10).
Рисунок 7.10 – Кольцевые риски на торцевой поверхности внутреннего кольца – результат контакта кольца подшипника с неподвижной деталью
Осмотр беговых дорожек внешнего и внутреннего колец позволяет установить характер контакта тел качения и беговой дорожки. Перекос вала относительно корпуса подшипника может быть зафиксирован по треугольному следу при колебательном характере нагружения подшипника (рисунок 7.11).
Рисунок 7.11 – Треугольная форма контакта кольца с роликом при перекосе вала относительно корпуса двухрядного роликового радиального подшипника
Трещины поперек беговых дорожек – результат воздействия динамических нагрузок, ударов или ошибок монтажа (рисунок 7.12а). Сколы бортов колец – результат динамических воздействий осевой силы (рисунок 7.12б).
Рисунок 7.12 – Результаты воздействия ударной нагрузки:
а) поперечная трещина на кольце подшипника;
б) сколы бортов кольца
Трещины, расположенные вдоль кольца подшипника, – результат отсутствия тепловых зазоров при нагреве механизма. Возникающая при тепловом расширении осевая сила приводит к исчезновению радиального зазора и возникновению значительных радиальных сил, способных привести к разрушению наружного кольца (рисунок 7.13).
Рисунок 7.13 – Разрушение наружного кольца шарикоподшипника при отсутствии теплового зазора
Увеличенная осевая игра пары радиально-упорных шариковых подшипников приводит при возникновении продольной силы к появлению гранности или к осповидному выкрашиванию на нерабочей части беговой дорожки (рисунок 7.14).
Рисунок 7.14 – Нерабочая часть беговой дорожки радиально-упорного шарикового подшипника при увеличенной осевой игре и продольном нагружении:
а) гранность;
б) осповидное выкрашивание
Бринеллирование проявляется в появлении вмятин на беговых дорожках с шагом, равным шагу тел качения. Оно является следствием ударных воздействий во время монтажа (рисунок 7.15).
Рисунок 7.15 – Бринеллирование на беговых дорожках упорного шарикоподшипника – вмятины с шагом, равным шагу тел качения
Ложное бринеллирование возникает при оттоке смазки с поверхностей качения подшипников неработающей машины в результате механических колебаний, передающихся от работающих механизмов. Проявляется в виде повреждений рабочей поверхности подшипника, расположенных с шагом равным шагу тел качения (рисунок 7.16).
Рисунок 7.16 – Следы ложного бринеллирования на рабочей поверхности наружного кольца роликового радиально-упорного конического однорядного подшипника
Повреждения сепаратора – наиболее серьёзный вид повреждений. При повреждениях сепаратора возможны повреждения других деталей вследствие вибрации, износа, заклинивания и перекосов (рисунок 7.17). Наиболее распространённая причина разрушения сепаратора – проблемы смазывания и деформации наружных колец. Это приводит к возникновению неравномерных сил по телам качения и воздействию разрушающих сил на сепаратор.
Рисунок 7.17 – Разрушение сепаратора
Подшипники качения подлежат замене при наличии одного из следующих повреждений [4]:
7.4. Повреждения зубчатых передач
На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внешние факторы:
Рисунок 7.18 – Отсутствие деформаций – признак воздействия номинальной нагрузки:
а) рабочая поверхность зубьев;
б) торцевая поверхность зубьев
Рисунок 7.19 – Превышение предела выносливости материала приводит к осповидному выкрашиванию рабочей поверхности:
а) начальная стадия;
б) дальнейшее развитие;
в) предельное состояние
Рисунок 7.20 – Пластические сдвиги на рабочей поверхности зубчатой передачи – напряжения на площадках контактов превысили предел текучести:
а) начальная стадия;
б) дальнейшее развитие
Рисунок 7.21 – Излом зубьев из-за воздействия динамических ударов
Рисунок 7.22 – Пятно контакта на нерабочей поверхности зуба колеса
Рисунок 7.23 – Следы коррозии на поверхности зубьев:
а) равномерный слой;
б) неравномерный слой
Первоначальное проявление абразивного износа – появление царапин или рисок на рабочей поверхности в направлении движения абразивного материала (рисунок 7.24). Развитию абразивного износа способствует использование загрязнённой или пластичной смазки, являющейся аккумулятором абразивных частиц. У изношенных передач повышаются зазоры в зацеплении; усиливаются шум, вибрация и динамические перегрузки; искажается форма зуба; уменьшаются размеры поперечного сечения и прочность зуба (рисунок 7.25).
Рисунок 7.24 – Начальная стадия абразивного износа колеса шестерённого насоса – появление рисок на рабочей поверхности зубьев
Рисунок 7.25 – Предельная стадия абразивного износа кремальерной шестерни
На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внутренние факторы:
Рисунок 7.26 – Состояние посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала:
а) неподвижная посадка;
б) малые перемещения сопрягаемых деталей
Рисунок 7.27 – Окислительный износ поверхности зубчатой передачи при жидкостном трении
Рисунок 7.28 – Полированная поверхность зуба – признак граничного трения
Отсутствие смазки между контактирующими поверхностями приводит к повышению температуры, разрушению поверхностных твёрдых плёнок окислов и возникновению адгезионных связей между контактирующими поверхностями. Для тяжелонагруженных высокоскоростных зубчатых передач наиболее характерное проявление – вырывы металла на вершинах зубьев (рисунок 7.29). Для их предотвращения рекомендуют обеспечить постоянное смазывание контактирующих поверхностей, в том числе, путём правильного выбора смазочного материала. Такие повреждения нарушают характер зацепления зубьев, увеличивают скорость износа и создают концентраторы напряжений на поверхности зубьев, способствующие развитию усталостных трещин и сколов.
Рисунок 7.29 – Вырывы металла на вершинах зубьев – схватывание поверхности при отсутствии разделительной масляной плёнки
Рисунок 7.30 – Равномерное расположение пятна контакта по длине и высоте зуба
Рисунок 7.31 – Сокращение пятна контакта из-за непараллельного расположения осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колёс
Рисунок 7.32 – Неравномерный износ зубьев зубчатой муфты при несоосности валов
Отклонения в расположении валов и зубчатых колёс приводит к нарушению равномерности воздействия прилагаемых сил. Она может проявляться в неравномерном распределении сил по длине зуба (рисунок 7.33) и равномерном по окружности зубчатого колеса. Неравномерное распределение сил по окружности зубчатого колеса возможно из-за его эксцентричного расположения. Отклонения могут быть настолько велики, что приведут к нарушению контакта зубчатого зацепления (рисунок 7.34). Неравномерность распределения сил приводит к образованию локальных сколов зубьев в ограниченном секторе (рисунок 7.21).
Рисунок 7.33 – Неравномерное распределение действующих сил по длине зуба и равномерное распределение по окружности зубчатого колеса
Рисунок 7.34 – Повреждения конического колеса при выходе зубьев из зацепления