Износостойкость конструкционных материалов

УДК 669.018.29(075.8) 
ББК 34.43 
        К89 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. кафедры износостойкости машин и 
оборудования и технологии конструкционных материалов 
Российского  государственного  университета  нефти  и  газа 
им. И.М. Губкина В.Ф. Пичугин; 
канд. техн. наук, зав. лабораторией физических методов уп-
рочнения поверхностей трения Института машиноведения  
                    им. А.А. Благонравова РАН В.В. Алисин 

Куксенова Л. И. 
Износостойкость конструкционных материалов : учеб. 
пособие / Л. И. Куксенова, С. А. Герасимов, В. Г. Лаптева. — 
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 237, [3] c. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3514-2 
 
Рассмотрены причины разрушения поверхностных слоев при тре-
нии и выхода из строя узлов трения. Описаны параметры качества по-
верхностей и методы их оценки. Основное внимание уделено техноло-
гическим методам повышения износостойкости конструкционных ма-
териалов. Представлены результаты экспериментальных исследований 
работоспособности узлов трения из разных конструкционных мате-
риалов, подвергнутых механической, химико-термической обработке, 
обработке направленными высокоэнергетическими потоками. Рас-
смотрены триботехнологии, используемые для повышения долговеч-
ности пар трения, и современные смазочные материалы, влияющие на 
износостойкость конструкционных материалов. Изложена проблема 
выбора материалов узлов трения. Приведена база данных по триботех-
ническим характеристикам пар трения скольжения в пластичных сма-
зочных материалах и маслах. В приложении представлен обширный 
материал справочного характера. 
Для студентов, специализирующихся по направлениям материа-
ловедения, технологии материалов и покрытий, оборудования и тех-
нологии повышения износостойкости материалов. Может быть по-
лезно аспирантам, преподавателям вузов, научным и инженерно-
техническим работникам машиностроительных предприятий. 

     УДК 669.018.29(075.8) 
      ББК 34.43 

ISBN 978-5-7038-3514-2                                     Куксенова Л.И., Герасимов С.А., 
                                                                                  Лаптева В.Г.,  2011  
                                                                              Оформление. Издательство МГТУ  
                                                                                  им. Н.Э. Баумана, 2011  

К89 

Введение 

 
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время трение и износ являются причиной потери 
работоспособности более 85 % машин. Затраты на ремонт и техни-
ческое обслуживание в несколько раз превышают стоимость самой 
машины, а в современных условиях, характеризующихся ужесто-
чением режимов эксплуатации, расходы на восстановление изно-
шенных деталей существенно возрастают. Поэтому актуальность 
проблемы повышения износостойкости конструкционных мате-
риалов неуклонно растет.  
Решение новых, высоких по уровню сложности, проблем фрик-
ционного материаловедения обусловливает развитие глубоких, 
фундаментальных металлофизических исследований, связанных с 
изучением состояния поверхности, механизмов деформации, мас-
сопереноса и структурных превращений, которые происходят в 
поверхностных слоях взаимодействующих при трении тел. Новые 
результаты и тенденции развития трибологии требуют глубоких 
знаний механики и материаловедения, физики прочности и физи-
ко-химической механики, неравновесной термодинамики. 
Определяющим фактором успешного решения инженерно-техни-
ческими и научными работниками машиностроительных специаль-
ностей задач, связанных с обеспечением и повышением износостой-
кости, снижением уровня потерь на трение, является овладение в 
процессе обучения объемом знаний технических дисциплин. Их изучение 
включает научно обоснованные методы выбора типа износостойких 
конструкционных материалов, покрытий, способов направленного 
изменения свойств поверхностных слоев для реализации износостойких 
структурных состояний деформированных при трении 
поверхностных слоев применительно к конкретным условиям работы 
трибосопряжений. Эти знания позволят правильно рассчитать и 
обоснованно применить конструкцию трибосопряжения, подобрать 
соответствующие конструкционные и смазочные материалы, назначить 
режим работы, выбрать наиболее эффективные технологические 
методы изготовления, обработки и упрочнения материалов триботех-
нического назначения, а также обеспечить оптимальный режим эксплуатации, 
ремонта и обслуживания. 

 

Предисловие 

 4 

В учебном пособии приведены наиболее важные для системы 
обучения сведения о видах изнашивания узлов трения и характеристиках 
качества поверхностей контакта взаимодействующих 
твердых тел. Описаны методы контроля геометрических и механи-
ческих характеристик приповерхностных слоев, методы анализа 
структуры деформированной при трении зоны, основные методы 
триботехнических испытаний и критерии оценки трибологических 
свойств. 
Основное внимание в учебном пособии уделено результатам 
экспериментальных исследований по оценке триботехнических 
свойств разнообразных конструкционных материалов, предвари-
тельно подвергнутых разным по природе видам обработки по-
верхности. Рассмотрена эффективность механической обработки 
поверхностей трения, разных способов химико-термической обра-
ботки, методов создания износостойких покрытий.  
В последнее время в триботехнике, являющейся областью 
практического приложения трибологии, интенсивно развиваются 
триботехнологии как перспективное средство повышения долго-
вечности пар трения. Поэтому в учебном пособии достаточно под-
робно описан метод финишной антифрикционной безабразивной 
обработки (ФАБО), его сущность, методы реализации, области 
применения и триботехническая эффективность.  
Обеспечение требуемого уровня коэффициента трения, сниже-
ние износа трущихся поверхностей и предотвращение заедания 
узла трения во многом зависит от природы и свойств смазочного 
материала и функциональных присадок. В пособии эта проблема 
рассмотрена с позиций влияния смазочных материалов на износо-
стойкость конструкционных материалов. Описано влияние метал-
лоплакирующих и трибополимеробразующих присадок в жидких и 
пластичных смазочных материалах. 
Учебное пособие соответствует программам учебных курсов 
«Теория и проблемы износостойкости материалов» и «Износо-
стойкость материалов и покрытий». Оно содержит большой объем 
нового экспериментального материала, расширяющего фундамен-
тальные знания в области трибологии и фрикционного материало-
ведения, может быть полезным студентам при выполнении курсо-
вых и дипломных проектов, а также аспирантам и широкому кругу 
инженерно-технических и научных сотрудников. 
 
 
 

 

Введение 

 
5 

ВВЕДЕНИЕ 

В современном машиноведении под трением и износом понима-
ют широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприка-
сающихся поверхностей твердых тел при их относительном переме-
щении. Трение представляет собой комплексное явление, которое 
одновременно сопровождается механическими, металлургическими, 
электрическими, вибрационными и физико-химическими процессами. 
При трении наблюдается упрочнение или разупрочнение металла, 
в поверхностных слоях изменяется содержание основных легирующих 
элементов. Трение может насытить металл водородом или 
обезводородить его, превратить благородные металлы в оксиды, отполировать 
детали или даже осуществить сварку. В современном 
образовательном процессе трибология, как и ее прикладной раздел 
триботехника, представляет собой один из существенно значимых и 
сложных предметов.  
Основные термины, понятия и определения внешнего трения 
регламентированы ГОСТ 27674–88 (Трение, изнашивание и смазка).  
Трибология (от греч. тribos — трение и logos — наука) — наука 
о трении, износе, смазке и взаимодействии контактирующих поверхностей 
при их взаимном перемещении. Она охватывает теоретические 
и экспериментальные исследования физических (механических, 
электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических 
и других явлений, связанных с трением, изнашиванием и 
смазкой. Как наука, трибология имеет научно-технические разде-
лы: триботехнику, трибофизику, трибохимию, триботехническое 
материаловедение, трибоинформатику и др. 
Трибосистема — сложная термодинамическая система, обра-
зуемая при взаимодействии трущихся тел, а также промежуточной 
среды и части окружающей среды. Такая система представляет 
собой совокупность всех участвующих в процессах трения, изна-
шивания и теплообразования элементов, их свойств и связей, па-
раметров, воздействующих на эти элементы извне, а также харак-
теристик трения, изнашивания и теплообразования.  
Трибодиагностика — совокупность методов и средств контро-
ля и управления за состоянием фрикционно-износных характери-

 

Введение 

 6 

стик деталей и узлов трения. Наиболее часто применяют следую-
щие методы: акустоэмиссионные (акустоэлектрические), радиоак-
тивные, электрофизические (по интенсивности и амплитудно-
частотному спектру трибоЭДС и магнитной индукции), темпера-
турные (термопары, оптические пирометры), виброакустические, 
феррографические и т. д.  
Трибомониторинг — раздел трибологии, включающий трибо-
метрию и трибодиагностику. Он охватывает методы и средства 
измерения основных параметров фрикционного взаимодействия: 
сил (момента) трения, износа, температуры, шероховатости, вол-
нистости, контурной и фактической площади касания, контактной 
деформации и сближения, электрической проводимости. Трибо-
мониторинг является основой всех видов экспериментальных (мо-
дельных, натурных, эксплуатационных) исследований (испытаний) 
в триботехнике. В последние годы широко применяются  компью-
терные методы регистрации и обработки исследуемых параметров. 
Триботехническое материаловедение — раздел трибологии, 
изучающий поведение материалов при трении, изнашивании и 
смазке (изменение структуры и фазового состава поверхностных 
слоев металлов, сплавов, композиционных материалов, полимеров 
и других материалов под действием силы трения, износа, темпера-
туры трения, окружающей и смазочной среды и других производ-
ных от них факторов). Описывает принципы создания триботех-
нических материалов, обеспечивающих высокую надежность в 
эксплуатации. Выявляет закономерности и взаимосвязи между де-
формационными и физико-химическими параметрами материала 
зоны поверхностной деформации и триботехническими свойствами 
материалов. 
Интенсивность разрушения поверхностных слоев материалов 
при трении (износ), как правило, мало зависит от исходных объемных 
прочностных свойств материалов. Структура и фазовый 
состав в тонком поверхностном слое всегда отличны от исходных 
свойств материалов. Исходные свойства материалов рекомендуется 
подбирать таким образом, чтобы в результате контактного 
взаимодействия при трении с учетом тепловыделения и физико-
химического взаимодействия с материалом контртела и окружающей 
средой создавался и воспроизводился на поверхности трения 
рабочий слой со специфическими триботехническими свойствами, 
так называемое третье тело. 
Антифрикционные материалы — материалы, используемые для 
работы в несущих и направляющих узлах трения (в подшипниках 

Введение 

 
7 

скольжения, радиальных и торцовых уплотнениях). Классификация 
этих материалов по функциональному признаку позволяет более точно 
установить их отличие от фрикционных материалов, так как диапазоны 
значений коэффициентов трения для них иногда могут пе-
рекрываться. Принято считать, что коэффициент трения антифрикци-
онных материалов при наличии смазки  составляет 0,001–0,05, а без 
нее 0,004–
 0,3. Диапазон условий применения антифрикционных  
материалов зависит от их состава и в первую очередь обусловлен фи-
зическими свойствами входящих в них базовых материалов (матрицы 
материала или связующего) и антифрикционных наполнителей. Для 
этих целей используют металлические, порошковые, пористые спе-
ченные с последующей пропиткой, твердосплавные, полимерные, 
древесные, графитовые и другие базовые материалы. Антифрикцион-
ные наполнители — твердые кристаллические материалы со сложны-
ми решетками, легкоплавкие или пластичные материалы, некоторые 
полимеры, например фторопласты, графит, дисульфид молибдена и 
вольфрама и ряд других. Антифрикционные материалы применяют 
как в виде объемных элементов, так и в виде тонких покрытий. 
При выборе материалов контртела (обычно стали с различной 
термической обработкой поверхности трения) для данного анти-
фрикционного материала следует учитывать условия их совмести-
мости. 
Совместимость — способность двух или нескольких конструк-
ционных материалов выполнять совместно заданные функции в уз-
лах трения. При этом не должны ухудшаться коэффициент трения, 
износ и эффективность работы деталей, узла или трибосопряжения в 
целом ни в процессе эксплуатации, ни при хранении. Совместимость 
компонентов необходимо учитывать при создании материалов и вы-
боре конструкционных и смазочных материалов. 
Совместимость антифрикционных и фрикционных материалов — 
способность этих материалов работать без схватывания с материа-
лом контртела при трении. Она характеризуется предельно допусти-
мыми нагрузками, скоростью, температурой в зоне трения; превы-
шение этих показателей приводит к схватыванию, изнашиванию и 
нестабильности коэффициента трения. Совместимость смазочных 
материалов — способность двух или нескольких смазочных мате-
риалов смешиваться без ухудшения их служебных характеристик 
при использовании в узлах трения и при хранении. 
Фрикционные материалы — материалы, предназначенные для 
работы в узлах трения (тормоз, муфта, сцепление, демпфер, вариа-

Введение 

 8 

тор и др.), передающих или рассеивающих кинетическую энергию 
движущихся масс.  
Эффективность работы таких материалов в значительной сте-
пени определяется стабильностью коэффициента трения, а также 
их износостойкостью. Фрикционные материалы применяют как 
при сухом трении, так и при трении со смазочным материалом. 
Диапазон применения фрикционных материалов связан с их 
составом и в первую очередь с физическими свойствами базовых 
материалов и специальных наполнителей. Наиболее широко при-
меняют фрикционные полимерные материалы (пластмассы) на 
каучуковом, смоляном и комбинированном каучукосмоляном свя-
зующем и порошковые материалы на железной, медной и никеле-
вой основах. В качестве контртела обычно используют фрикцион-
ные серые и легированные чугуны, а также различные стали и 
сплавы. При выборе сочетания материалов в паре трения необхо-
димо также учитывать условия их совместимости.  
В последнее десятилетие в качестве фрикционных материалов 
широко применяют углеродистые фрикционные композиционные 
материалы. Особенно успешно их используют в одноименных па-
рах трения и многодисковых колесных тормозах самолетов. 
Известный ученый в области надежности машин А.С. Прони-
ков назвал трибологию основой проблемы надежности и технического 
качества машин [40]. При этом термин качество в соответствии 
с Международным стандартом рассматривается как совокупность 
свойств и характеристик, удовлетворяющих назначению 
продукции [47]. 
Роль триботехники в разных отраслях машиностроения и эксплуатации  
машин и механизмов состоит в первую очередь в том, 
что трение и износ — основные причины потери работоспособности 
более 85 % машин. При этом затраты на ремонт и техническое обслуживание 
машины в несколько раз превышают ее стоимость.  Например, 
затраты на ремонт самолета превышают его стоимость в  
5 раз, автомобиля — в 6 раз и станка — в 8 раз. Показательны данные 
по затратам на ремонт автотранспортных средств. В США в начале 
1990-х гг. они составили около 24 млрд долл. в год. В России эти  
расходы (в ценах 1990-х гг.) достигали 40 млрд р., а за последнее 
время увеличились в несколько раз. При этом установлено, что из-за 
износа и плохой регулировки теряется около 15 % мощности двигателя, 
изношенные двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в 
атмосферу большое количество оксидов углерода (СО) и азота 
(NO), соединений свинца и других вредных веществ. Простои авто-

Введение 

 
9 

мобилей из-за технических неисправностей, связанных с трением и 
износом, в среднем достигают 30…40 % календарного времени. 
При этом оценить потери, возникающие в случае внезапных отка-
зов, вызванных заеданием пары коленчатый вал — вкладыш, про-
блематично в силу непредсказуемых масштабов ущерба. Такой 
ущерб может состоять не только в резком ухудшении работы двига-
теля, но и в полном его заклинивании, что приводит к автокатаст-
рофам. 
В современном машиностроении проблема износостойкости 
конструкционных материалов занимает одно из приоритетных 
мест вследствие не только технических причин (необходимость 
создания материалов с заданными свойствами для конструирова-
ния новых изделий), но и экономических (колосальные затраты 
вследствие износа деталей машин, оборудования, инструментов). 
Эта проблема в фрикционном материаловедении занимает одно из 
ведущих положений.  
В трибологии известно много способов решения материаловед-
ческих задач, например путем создания поверхностных слоев (нане-
сение покрытий и модифицирование) для повышения долговечно-
сти деталей машин. Наиболее широко применяют методы поверх-
ностной закалки, различные химико-термические методы обработки 
(цементация, азотирование, борирование и т. д.), наплавки, гальва-
нические методы осаждения покрытий и т. п.  В последнее время 
интенсивно расширяется применение новых технологий упрочне-
ния деталей, основанных на воздействии на их поверхность концен-
трированных потоков высокоэнергетических квантов и более круп-
ных частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров). К ним 
относятся лазерные, электронно-лучевые (пучковые), вакуумные 
ионно-плазменные (включая имплантацию) технологии.  
К методам повышения износостойкости конструкционных ма-
териалов относится также улучшение качества смазочных мате-
риалов. В этом направлении радикальные изменения произошли 
только тогда, когда возникла принципиально новая концепция ис-
следования процессов трения и изнашивания: открыто такое явле-
ние, как избирательный перенос и созданы новые смазочные мате-
риалы [5, 6]. На сегодняшний день избирательный перенос, или 
так называемый эффект безызносности, продвинулся в самые раз-
личные области науки и техники. Сущность этого явления состоит 
в том, что в результате механических воздействий  и комплекса 
физико-химических реакций в зоне контактного взаимодействия 
конструкционных и смазочных материалов возникает самооргани-

Введение 

 10

зующийся процесс формирования защитной пленки, называемой 
сервовитной, которая не только защищает поверхности от изнаши-
вания, но и компенсирует износ. Однако реализация избирательно-
го переноса оказывается возможной при соблюдении ряда усло-
вий, главным из которых является правильный подбор сочетания 
конструкционных и смазочных материалов, используемых в узлах 
трения. Поэтому научно-обоснованный подбор материалов в ас-
пекте избирательного переноса становится мощным средством, с 
помощью которого можно не только повысить износостойкость, 
но и существенно повлиять на энергосбережение.  
Состояние трибологии и триботехники позволяет выделить не-
сколько основных направлений развития материаловедения: 
структурная теория износостойкости конструкционных мате-
риалов; 
износостойкие структурные состояния поверхностных слоев; 
новые прогрессивные технологии обработки поверхности из-
делий триботехники; 
современные методы испытаний и исследования материалов 
триботехнического назначения. 
С материаловедческой точки зрения трение рассматривается как 
процесс накопления при контактном взаимодействии условий, при-
водящих к изменению состава, структуры и свойств материала при-
поверхностного микрообъема. Изменения поверхностей сопровож-
даются совокупностью последовательных переходов материалов 
поверхностных слоев из одного структурного состояния в другое. 
Условия такого перехода накапливаются при каждом отдельном акте 
контактирования. В одних условиях эти переходы определяются уп-
ругопластической деформацией, когда процесс зависит от механиче-
ских свойств поверхности (пределов прочности, текучести и устало-
сти, твердости и др.), в других — осуществляются более глубокие 
структурные и фазовые превращения, которые определяются физи-
ко-химическими константами материала приповерхностных микро-
объемов, работающих на трение (коэффициентами диффузии, теп-
лопроводности, константами растворимости, скоростью химических 
реакций и др.). Износостойкость определяется структурой материала 
зоны деформации при трении, в которой реализуются деформацион-
ные и физико-химические процессы. Под структурой понимают эле-
ментный и фазовый составы, тип кристаллической решетки, диффу-
зию и массоперенос, микро- и макроструктуру, дефекты кристалли-
ческой решетки.