Виды и механизмы изнашивания материалов

А. С. Жилин, М. А. Филиппов

ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ
ИЗНАШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано учебно-методическим советом
Института материаловедения и металлургии
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки
150100 «Материаловедение и технология материалов»
и 150400 «Металлургия»

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73-1
        Ж721

Рассмотрены основные виды и механизмы изнашивания. На основе
современных представлений описаны физико-химические свойства поверхностей трения деталей, условия их контактного взаимодействия. Проанализированы виды трения, основные виды изнашивания и повреждений и вызванные ими механизмы изнашивания. Обоснованы требования, предъявляемые к износостойким материалам, и описаны основные классы износостойких материалов.
Кратко рассмотрены распространенные типы лабораторных установок
для изучения трения и изнашивания металлов и приведены методические
указания для проведения лабораторной работы по изучению основного
вида механического изнашивания металлов – абразивного изнашивания.
Для студентов металлургических и машиностроительных специальностей втузов.

Жилин, А. С.
Виды 
и 
механизмы 
изнашивания 
материалов

[Электронный ресурс] : [учеб. пособие] / А. С. Жилин, М. А. 
Филиппов ; науч. ред. Л. А. Мальцева.  — 2-е изд., стер. — 
М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. —  64 с.

ISBN 978-5-9765-3102-4 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1599-4 (Изд-во Урал. ун-та) 

Ж721

ISBN 978-5-9765-3102-4 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1599-4 (Изд-во Урал. ун-та) 

Рецензенты:
кафедра материаловедения, контроля в машиностроении
и методики профессионального образования
Российского государственного
профессионально-педагогического университета – РГППУ
(заведующий кафедрой профессор, доктор технических наук
Б.  Н.  Гузанов);
Б.  А.  Потехин,  профессор, доктор технических наук
(Уральский государственный лесотехнический университет)

Научный редактор
Л.  А.  Мальцева,  доктор технических наук, профессор

УДК 621(075.8)

© Институт материаловедения и металлургии, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. Общие закономерности трения и изнашивания ....................... 4

§ 1. Внешнее трение твердых тел ..................................................... 4
§ 2. Изнашивание металлов при трении .......................................... 8

ГЛАВА 2. Классификация и характеристика видов
и механизмов изнашивания ...................................................................... 13

§ 1. Классификация видов изнашивания ........................................ 13
§ 2. Механизмы изнашивания .......................................................... 26

ГЛАВА 3. Кинетика процессов изнашивания ......................................... 28

ГЛАВА 4. Процессы, происходящие на поверхностях трения,
и механизмы изнашивания и разрушения ................................................. 32

§ 1. Виды нарушения фрикционных связей поверхностей трения  32
§ 2. Структурные превращения металлов при трении .................. 35

ГЛАВА 5. Требования, предъявляемые к износостойким материалам,
и основные классы износостойких материалов ...................................... 39

§ 1. Требования к структуре и свойствам

износостойких материалов ...................................................... 39

§ 2. Основные классы износостойких материалов

и выбор сталей для различных условий изнашивания .......... 45

ГЛАВА 6. Оборудование и методы для испытания материалов
на трение и износ ....................................................................................... 51

Лабораторная работа
Изучение износостойкости сталей при абразивном изнашивании ........ 58

Библиографический список ...................................................................... 61

Глава 1

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ

§ 1. Внешнее трение твердых тел

Трение – всеобщее явление живой и неживой природы. Поверх
ности двух тел, вступающие в контакт, испытывают трение. Человечество более 5 тыс. лет назад научилось использовать трение для получения огня, а впоследствии – во множестве других применений,
но до настоящего времени многие стороны этого явления остаются
плохо изученными. Это вызвано тем, что при трении одновременно происходят механические, физические, химические, электрические, тепловые, вибрационные и другие процессы. Эти процессы
быстро протекают в очень тонких поверхностных слоях контактирующих тел и трудно поддаются изучению.

Многообразие и сложность накладывающихся процессов обу
словили выделение специальной науки о трении и процессах, его
сопровождающих, – трибологии ( – трение,  – слово).
Часто используется более широкий термин триботехника – наука
о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин, это упорядоченные знания о практическом применении трибологии. В технической литературе получил право на жизнь термин динамическое, или триботехническое
металловедение, – раздел металловедения, изучающий структуру
и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов в процессе
трения.

Необходимо определить ряд основных терминов, используе
мых в триботехнике в соответствии с ГОСТ 23.002-78. К общим
понятиям триботехники относятся представления о видах трения.

ґ
ґ

Внешнее трение – явление сопротивления относительному

перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое
диссипацией энергии.

Сила трения – сила сопротивления при относительном перемеще
нии одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, направленной по касательной к общей границе между этими телами.

В зависимости от наличия относительного движения различают

внешнее трение покоя и трение движения, в зависимости от характера движения – трение скольжения, трение качения, трение
качения с проскальзыванием, в зависимости от наличия смазочного материала – трение со смазочным материалом и трение без смазочного материала.

Трение покоя – трение двух тел при микроперемещениях до пе
рехода к относительному движению.

Трение движения – трение двух тел, находящихся в относи
тельном движении.

Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором

их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при ко
тором скорости тел в точках касания различны по величине и направлению или по величине или направлению.

В общем случае коэффициент трения (равный отношению силы

трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг
к другу, f = F/N) выше при трении покоя, чем при трении движения. В зависимости от условий трения (вида трения, величины нагрузки, скорости относительного движения, температуры на контакте, наличия смазки, характера среды и др.) коэффициент трения изменяется в широких пределах – от 0,005 до 1,0 при трении на воздухе.

В зависимости от наличия смазочного материала подразделяют

трение со смазочным материалом – трение двух тел при наличии
на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение без смазочного материала – трение двух тел при от
сутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

При этом под смазочным материалом понимают материал,

вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения
и (или) интенсивности изнашивания.

Существование ряда гипотез и теорий внешнего трения вызва
но сложностью процессов, протекающих в зоне контакта твердых
тел. Известны механическая, молекулярная, молекулярно-механическая, электрическая и другие теории трения [1].

Наибольшее развитие получила молекулярно-механическая тео
рия внешнего трения. В основу этой теории положено представление о двойственной природе трения и дискретном характере контакта между реальными поверхностями твердых тел. Наличие более
или менее выраженного рельефа, неровностей на поверхностях реальных твердых тел обусловливают контакт между ними лишь на отдельных элементарных площадках (пятнах касания) (рис. 1).

b

а
Аi

r

Рис. 1. Номинальная и реальная Ai

r  площади контакта

Общая площадь фактического контакта Аr складывается из сум
мы площадей отдельных пятен касания Аr = Аi

r и зависит от внеш
ней нагрузки N, механических свойств контактирующих тел. Для неподвижного контакта двух металлических материалов Аr  N/Н,
где Н – твердость наименее твердого материала. Для подвижного
контакта при трении скольжения Аr  (N/Н), где  – коэффициент,
зависящий от способности металла к упрочнению в процессе трения, от чистоты поверхности контакта и величины коэффициента
трения. Обычно   2…4, если f = 0,7…1,5.

В соответствии с молекулярно-механической теорией внешне
го трения, поверхностные связи при трении формируются вследствие упруго-пластической деформации поверхности контактирующих тел и адгезионного взаимодействия их поверхностей. Сила трения – это сумма сопротивлений срезу металлических соединений Fс
и сопротивлений пластическому оттеснению (пропахиванию) менее прочного металла при движении внедрившихся в него микронеровностей более твердого металла Fп: F = Fс + Fп = Аr + S,
где  – сопротивление металла на срез; Аr – площадь фактического
контакта;  – предел текучести менее прочного металла; S – площадь профилей царапин [2].

Считают, что при трении металлических тел обычно преобла
дает адгезионное взаимодействие их поверхностей. В этом случае
коэффициент трения f  /Н или f = /(Н – 2W/Х), где  – сопротивление сдвигу; Н – твердость менее прочного металла; W – интенсивность адгезионного взаимодействия металлических поверхностей.
Из выражения следует, что коэффициент трения зависит от свойств
прочности (, Н) контактирующих металлов и от интенсивности
адгезионного взаимодействия их поверхностей (W). На интенсивность адгезионного взаимодействия металлических поверхностей
оказывают влияние следующие факторы: состояние (чистота) поверхности, характер окружающей среды, химический состав и кристаллическая структура металлов, температура в зоне контакта и др. [2].

При трении металлических поверхностей в глубоком вакууме,

когда их взаимодействие весьма велико, коэффициент трения может достигать значений 1,0…10,0 и более.

При трении в воздушной среде коэффициент трения металли
ческих материалов обычно не превышает 0,5…1,0.

Адгезионное взаимодействие проявляется в схватывании метал
лов в отдельных точках пятен касания и образовании адгезионных
перемычек – мостиков между соприкасающимися поверхностями.
Сопротивление разрушению этих перемычек и образование новых
перемычек определяет адгезионную составляющую силы трения. Доля деформационной составляющей силы трения увеличивается пропорционально относительной глубине неровностей h/R, где h – глубина внедрения, мм; R – радиус кривизны у вершины неровности, мм.

§ 2. Изнашивание металлов при трении

Работа любого механизма и машины связана с передачей энер
гии и потерями части передаваемой энергии на трение. Процесс
трения, сопровождаемый различными воздействиями, вызывает изнашивание поверхности материалов. Можно сказать, что все, что
испытывает трение, изнашивается, и это утверждение верно в общем
случае, несмотря на впечатляющие успехи триботехники в создании безызносных узлов трения, исключения лишь подтверждают
правило. Далеко не все, что изношено, может быть восстановлено.

По ГОСТ 27674-88, изнашивание – это процесс отделения ма
териала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела.

Износ (изнашивание) в общем случае можно охарактеризовать

как изменение размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя твердого тела под влиянием внешней среды. Износ может вызываться трением поверхностей деталей машин одна о другую, воздействием на поверхность рабочей среды потоков жидкости, газа или контакта поверхности с твердыми частицами.

Износ – результат изнашивания, выражаемый в абсолютных или

относительных единицах. В абсолютных единицах износ характеризуется потерей массы детали (М), уменьшением ее линейных размеров (U) или объема (V). Износ, отнесенный к пути трения, исходным
размерам или объему, называется интенсивностью изнашивания Jh.
Износ, отнесенный ко времени, в течение которого проявлялось
изнашивание, определяет скорость изнашивания. Таким образом,
наиболее употребительными характеристиками износа являются:

– линейный износ, U, мкм, – изменение размера поверхности

при износе, измеренное перпендикулярно ей;

– скорость изнашивания j = dU/d, мкм/ч, – отношение вели
чины износа ко времени, в течение которого он образовался;

– интенсивность изнашивания Jh = dU/dS – отношение вели
чины износа к пути трения, dS, на котором происходило изнашивание. Чаще интенсивность изнашивания определяют, используя

соотношение: Jh = Q/(SP), где Q – потери массы материала, г;  –
плотность материала, г/см3; S – путь трения, см; Р – геометрическая
площадь контакта, см2; в этом случае Jh – безразмерная величина [2].

В некоторых случаях используют энергетическую интенсив
ность изнашивания Jw = V/WF = V/FS, где V – объем изношенного на пути S материала; WF – работа сил трения; F – сила трения.

Различают допустимый и предельный износ. При допустимом

износе сохраняется работоспособность детали, несмотря на изменение ее размеров и формы вследствие изнашивания. Предельный
износ характеризуется такими изменениями размеров и (или) формы детали, когда дальнейшее приводит к потере работоспособности этой детали и узла трения или механизма в целом.

Разнообразие условий взаимодействия контактных поверхнос
тей и свойств контактирующих материалов обусловливает влияние многих факторов, которые приводит к различным механизмам
изнашивания и, как следствие, к разной износостойкости. Вид
изнашивания и повреждения не являются характерными именно
для данной пары трения, а зависят от условий работы. Изменение
условий работы (вид смазки, скорость скольжения, температура)
может приводить к изменению ведущего вида изнашивания поверхностей. Так, увеличение скорости скольжения вызывает повышение температуры и ускорение окислительных процессов, поэтому
до некоторой скорости скольжения может наблюдаться схватывание поверхностей, а по достижении критической скорости возможен переход к окислительному изнашиванию вследствие увеличения скорости образования окисных пленок.

Cуществует зависимость износостойкости материалов от двух

групп основных факторов («внутренних» – свойств материала твердого тела и «внешних» – условий, характеризующих вид трения)
в виде гелиоцентрической схемы (рис. 2). «Внутренние» свойства
(круг 1): поверхностная энергия, кристаллическая структура, микроструктура, стабильность фаз, пластичность, способность к деформационному упрочнению, трещиностойкость, теплопроводность,
теплоемкость. «Внешние» свойства характеризуют вид трения (качение или скольжение), условия в зоне взаимодействия твердых

Рис. 2. Схема взаимосвязи износа материала с его структурой

и условиями изнашивания

1. «Внутренние» свойства:

1.1. Кристаллическая структура
1.2. Микроструктура
1.3. Фазы и их стабильность
1.4. Твердость, прочность
1.5. Пластичность
1.6. Склонность к деформационному
упрочнению
1.7. Трещиностойкость
1.8. Поверхностная энергия
1.9. Теплопроводность, теплоемкость

тел (температура, давление, скорость относительного перемещения, шероховатость поверхности, скорость рабочей среды или смазочного материала), характер приложения нагрузки (статическая,
динамическая, постоянная, переменная, реверсивная), материал
контртела (круг 2). Взаимное влияние указанных групп факторов
приводит в результате к какому-нибудь из известных видов изнашивания (круг 3) и разрушения контактной поверхности детали
по механизмам микрорезания, царапания, отслаивания, выкрашивания или схватывания и заедания (треугольник 1, 2, 3).

Процессы упруго-пластической деформации при трении метал
лов локализуются в микрообъемах поверхностного слоя, примыкающих к пятнам касания, и обусловлены действием высоких контакт
2. «Внешние» условия:

2.1. Нагрузка
2.2. Скорость скольжения
2.3. Температура поверхности
2.4. Химическая активность среды
2.5. Морфология поверхности
2.6. Материал контртела

3. Виды изнашивания:

3.1. Абразивное (гидро-,
газоабразивное)
3.2. Эрозионное
3.3. Кавитационное
3.4. Усталостное
3.5. Изнашивание при фреттинге
3.6. Изнашивание при заедании

1  2

3

ных напряжений. Характер распределения максимальных касательных напряжений в зоне фрикционного контакта показан на рис. 3,
на котором видно, что при трении скольжения максимальный
уровень касательных напряжений достигается непосредственно
на поверхности скольжения. По мере увеличения расстояния от поверхности трения напряжения снижаются примерно по степенному закону. При трении качения максимальный уровень напряжений реализуется на некотором расстоянии от поверхности качения, которое зависит от геометрии контакта, нормальной нагрузки
и деформационных характеристик материала, таких как модули
упругости, коэффициенты Пуассона.

Рис. 3. Характер распределения касательных напряжений по глубине
поверхностного слоя h в зоне фрикционного контакта твердых тел:

1 – при трении скольжения; 2 – при трении качения, 3 – при трении качения

с проскальзыванием [3]

1

2

3

v

h

Микрообъемы поверхности металла, примыкающие к пятнам

касания, пластически деформируются в условиях сдвига под давлением. При этом величина внешнего давления приблизительно равна
твердости (микротвердости) контактирующих металлов. Так, для сталей величина контактного давления может составлять 1–10 ГПа. Деформирование металлов при данном состоянии позволяет достигнуть в поверхностных слоях трущихся металлов очень высоких
степеней деформации, порядка 102.

Показано, что каждая единичная микронеровность, внедренная

в поверхность контртела, при движении создает в нем две зоны на