Виды изнашивания гидравлических машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Изнашивание при сухом трении

При непосредственном контакте двух трущихся поверхностей, когда отсутствует смазочная прослойка, нет случайных загрязнений, адсорбированных слоев и т.д., проявляется так называемое внешнее трение. Такой режим трения по стандартной терминологии определяется как трение без смазки (сухое трение). Наука о внешнем трении долгое время базировалась на законе зависимости силы трения (Т) от нормальной нагрузки (N), установленном Амонтоном:

, (1.1.1)

где - коэффициент трения.

В соответствии с этим законом, сила трения не зависит от состояния поверхностей тел на площадках контакта, площади и скорости скольжения. В.Б.Дерягин установил, что закон Амонтона соблюдается при достаточно малых скоростях скольжения. В соответствии с законом Амонтона, ослабление силы трения следует ожидать при уменьшении или почти полном устранении действия нагрузки N за счет колебаний-вибраций в поперечном направлении. В этом случае тело будет находиться под действием силы инерции переменного направления, когда в одном направлении нагрузка будет возрастать, а в другом - уменьшаться. При силе инерции, равной или большей, чем вес тела, под действием даже небольшой горизонтальной силы тело начнет перемещаться. Тряска может вызвать сползание предметов с наклонных поверхностей. Этот эффект широко используется в вибротехнике.

Однако в целом ряде случаев закон Амонтона не соблюдается. Так, например, при взаимном сдавливании поверхностей пластичных тел, таких как олово или свинец, площадь фактического контакта возрастает, возникают силы прилипания и наблюдается отклонение от закона Амонтона. В этом случае сопротивление относительному перемещению сохраняется даже тогда, когда нагрузка становится равной нулю.

Существенно отклоняется от закона Амонтона сопротивление перемещению частиц мелких порошков по плоской поверхности. В.П.Лазаревустановил, что коэффициент трения тем больше, чем меньше диаметр частиц. Для частиц небольших размеров соскальзывание не происходит даже при вертикальном положении плоскости.

В.Б. Дерягин доказал, что в этих случаях следует учитывать силы межмолекулярного притяжения.

, (1.1.2)

где А - дополнительная величина, независимая от нормальной нагрузки.

Б.В. Дерягин раскрыл физическую сущность рассматриваемого закона трения, доказав, что молекулярные силы притяжения действуют на сопротивление перемещению Т, увеличивая его на величину N0:

, (1.1.3)

где N0 - равнодействующая сила молекулярного притяжения между трущимися поверхностями.

Теория молекулярно-механического трения получила своё развитие благодаря работам И.В. Крагельского, Ф.П. Боудена, Б.В.Дерягина, Д. Тейбора, П. Томплинсона и других. Согласно этой теории на площадях фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, образующие адгезионные мостики (участки сварки между твердыми телами). При приложении тангенциальной силы, вызывающей относительное скольжение двух тел, происходит разрушение - срез адгезионных мостиков, сопровождаемое разрывом молекулярных или атомных связей, что требует дополнительной затраты энергии.

Одновременно с разрушением участков сварки при различающейся твердости контактируемых выступов будет происходить деформирование поверхностных слоёв - пропахивание. При отсутствии взаимодействия между этими факторами общая сила трения Т составит сумму адгезионной Та и деформационной составляющих, т.е.

. (1.1.4)

Соответственно

, (1.1.5)

где и - коэффициенты трения адгезионной и деформационной составляющих.

В расчетах на трение и износ часто применяются термины «фактическая», «контурная» и «номинальная» площади контакта (рис 1).

Контактирование двух поверхностей осуществляется отдельными выступами и по мере их сближения количество выступов возрастает. В итоге при установившемся нагружении образуется площадь контакта, состоящая из площадок отдельных пар выступов сопряженных поверхностей, составляющих фактическую площадь контакта. Площадки фактического контакта группируются на отдельных участках, образующих контурную площадь контакта. На рис I.I показаны фактическая площадь контакта Ar, контурная Ac и номинальная Аа площади.

Из представленной схемы следует, что

, (1.1.6)

где - среднее значение площади выступа контакта (на рисунке 1.1 площади выступов контакта показаны в виде точек).

, (1.1.7)

(где - площади, ограниченные штриховыми линиями)

. (1.1.8)

Рис. 1 - Виды площадей контакта

Фактическая площадь контакта составляет сотые или десятые доли процента от номинальной площади, а контурная - несколько процентов. Расчет фактического контакта производится на основе модели шероховатой поверхностив виде набора сферических сегментов определенного радиуса. По классификации И.В.Крагельского принято различать пять видов фрикционных связей (рис. 2):



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 - Виды фрикционных связей

При связи I типа в процессе внедрения неровностей происходит микрорезание. Условием этого процесса является соблюдение неравенства для несмазанных поверхностей и для смазанных поверхностей, где - радиус кривизны единичной неровности, моделированной в виде сферы, - глубина внедрения.

Связь типа II характеризует пластическое оттеснение, проявляемое при малом значении сил адгезии, когда при данной степени пластической деформации еще не достигается схватывание. В этом случае .

Связь типа III относится к упругому оттеснению, т.е. на контактируемых поверхностях осуществляется взаимодействие в условиях упругой деформации. Тогда

, (1.1.9)

где - предел упругости;

E - модуль упругости.

При связи типа IV осуществляется пластическая деформация и адгезионное взаимодействие в тонком поверхностном слое, когда( -сдвиговое напряжение). Этот вид фрикционной связи характеризуется положительным градиентом механических свойств, когда вышележащие слои менее прочны, чем нижележащие. Если поверхности трения подчиняются указанному правилу, наблюдается наименьшая повреждаемость - износ и трение в узле. Это правило положено в основу выбора многих материалов пар трения.

Во фрикционной связи V типа осуществляется глубинное разрушение поверхностей в результате схватывания. При этом [2,3].

2. Изнашивание при граничной смазке

В соответствии с ГОСТ 23.001-77 под граничной смазкой понимается смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.

Это достигается при толщине граничной смазки < 0.1 мкм. В реальных условиях редко наблюдается чистый режим граничной смазки. Обычно такая смазка проявляется на отдельных участках, когда пара трения работает в режиме смешанного трения (рис 3).

При смешанном режиме сила трения Т определяется по формуле Д.Мура

, (1.2.1)

где - доля площади - фактического контакта;

- напряжение сдвига твердого тела и жидкости,

- сила трения от деформационного взаимодействия.



Рис. 3 - Участок смешанного трения

Изменение режимов трения, в том числе и образование смешанной смазки, подчиняется диаграмме Герси-Штрибека (рис.4), показывающей зависимость коэффициента трения от безразмерного критерия Зоммерфельда Z.

, (1.2.2)

где - угловая скорость,

- динамический коэффициент вязкости,

P - нагрузка.

Рис. 4 - Диаграмма Герси-Штрибека



Критическое значение Z соответствует минимальному значению коэффициента трения.

На рис 4 область 1 соответствует граничной смазке; область 2 - полужидкостной; область 3 - жидкостной смазке (гидродинамическое трение). От зоны 2 вправо рост коэффициента трения происходит за счет возрастания внутреннего гидродинамического трения в слое смазки.

Влево от зоны 2 увеличивается влияние граничной смазки, что влечет за собой увеличение коэффициента трения. В области 2 - неустойчивой полужидкостной смазки - уменьшение вязкости, окружной скорости и увеличение нагрузки вызывают возрастание трения и тепловыделения.

При образовании граничной смазки коэффициент трения снижается скачком на существенную долю, что связано с образованием граничного адсорбционного слоя. Адсорбционный слой образуется при наличии в смазке так называемых поверхностно-активных веществ (ПАВ). Механизм образования адсорбционного слоя заключается в следующем.

Молекулы ПАВ, в частности, жирных кислот, состоят из карбоксильных групп СООН, углеводородных цепей СН2 и метильной группы СН3. Различные кислоты отличаются большим или меньшим количеством углеводородных цепей. Минимальный «хвост» у уксусной кислоты, которая состоит из группы СООН и метильной группы СН3. Стеариновая же кислота содержит 17 углеводородных цепей. Ее формула СН3(СН2)15СООН. Молекулы ПАВ стремятся ориентироваться перпендикулярно твердой поверхности, имея сцепление на одном конце. Этим концом с электрическим зарядом является активная карбоксильная группа СООН (радикал), обладающая сильным притяжением к металлу.

В процессе адсорбции длинномерные молекулы плотно выстраиваются вдоль поверхности, образуя частокол расположенных параллельно друг другу молекул. Силы молекулярного притяжения обеспечивают достаточную прочность слою, который способен выдержать высокую нагрузку. Большая длина цепей позволяет им под влиянием скольжения несколько наклоняться и изгибаться, снижая трение.

Для скачкообразного снижения трения достаточно образоваться насыщенному монослою, однако на практике граничные слои имеют мультимолекулярное строение (рис 5).

Рис. 5 - Строение мультимолекулярной пленки

Активная связь между концами молекул и поверхностью металлов приводит к прохождению химических реакций с образованием мыльной пленки. Этот процесс наиболее эффективно проходит на химически активных металлах, таких как .

Адсорбционные слои по существу являются квазитвердыми и имеют физико-механические характеристики, существенно отличающиеся от свойств в объеме фазы. На прочность адсорбционного слоя существенное влияние оказывают такие факторы, как температура, величина нагрузки и материал пар трения.

Присутствие на поверхностях поверхностно - активных веществ (ПАВ) способно не только снизить трение при относительном скольжении, но и существенно снизить прочность материалов. Адсорбционное снижение прочности твердых тел принято называть эффектом академика П.А.Ребиндера, который открыл его и теоретически обосновал в 1928 г.

Снижение прочности достигается за счет воздействия небольшого количества ПАВ. При этом нередко уровень действующих напряжений оказывается столь значительным, что образуется хрупкое разрушение пластичных тел. Хорошо известен опыт с цинковой пластинкой, которую вследствие большой пластичности можно при комнатной температуре на воздухе согнуть под прямым углом. При этом не возникнут трещины. Если же перед изгибом на пластинку нанести капельку ртути (несколько миллиграммов) таким образом, чтобы она смочила поверхность (предварительно разрушив окисную пленку), то на растягиваемой стороне уже при небольшом усилии возникает быстро растущая трещина и пластина разрушается без остаточной пластической деформации.

Действие ПАВ связано с их способностью уменьшать при адсорбции значение поверхностной энергии, т.е. уменьшать работу, необходимую для образования новых поверхностей.

Измерение поверхностной энергии твердого тела достаточно сложно, и до настоящего времени нет прямых методов её определения. В то же время, достаточно эффективно производится измерение поверхностного натяжения на границе жидкость - газ и жидкость - жидкость в случае их несмешивания. Эту особенность использовал немецкий металловед Г.Тамман для приближенного определения поверхностной энергии твердых тел. Так как любое тело стремится иметь наименьшую поверхность, чтобы достичь минимума свободной поверхностной энергии, то это означает, что силы поверхностного происхождения будут препятствовать течению металла. Используя это положение, Г.Тамман предложил тонкую металлическую полоску (фольгу) нагружать при температуре, близкой к температуре плавления, до тех пор, пока силой F не будут скомпенсированы силы поверхностного натяжения, т.е.

, (1.2.3)



где - предел прочности.

Такое измерение правомочно, т.к. при высокой температуре металл становится пластичным и может пластически деформироваться (течь) под действием небольших нагрузок.

В последние годы предложены формулы, позволяющие рассчитать значения поверхностной энергии с помощью измерения характеристики - работы выхода электронов. Так, Л.Л.Куниным предложено следующее уравнение поверхностной энергии:

, (1.2.4)

а В.Г.Егиевым -

, (1.2.5)

где R - атомный радиус,

- коэффициент.

Адсорбционный эффект снижения прочности металлов проявляется в ряде случаев при воздействии других жидких металлов. Его следует ожидать в случае, когда жидкий металл незначительно растворим в твердом металле рабочей поверхности, что наблюдается при небольшом различии между атомными радиусами. Например, ртуть снижает прочность олова, цинка и алюминия; олово - кадмия и цинка; висмут - меди; медь - железа. Известны случаи хрупкого разрушения и появления трещин при образовании задира с выделением жидкой меди при работе подшипников, изготовленных из различных бронз.

Для образования и последующего развития трещины под влиянием расплавленной меди большое значение оказывают дефекты структуры, которые, обладая избыточной свободной энергией, могут интенсивно адсорбировать инородные атомы и усиливать транспортировку их внутрь металла к новым зародышевым поверхностям. Необходимым условием образования трещины является наличие растягивающих напряжений; на участках, испытывающих сжимающие напряжения, трещины не развиваются.

В присутствии жидкого металла трещина растет, как правило, по межзеренным границам. Это объясняется тем, что границы раздела обладают избыточной свободной энергией, и атомы адсорбционного расплава, адсорбируясь на межзеренных границах, снижают их поверхностную энергию, способствуя снижению прочности металла. Кроме того, следует учитывать, что для зарождения трещины необходимо скопление дислокаций перед препятствием в плоскости скольжения. Границы зерен являются как раз труднопреодолимыми препятствиями на пути их движения. Одновременно сами границы зерен состоят из большого количества дефектов, которые удобны для диффузии атомов расплава с поверхности вглубь металла.

Снижение прочности под влиянием адсорбционно-активного расплава возрастает с увеличением исходной прочности (твердости) металла. Это парадоксальное утверждение доказано в работах У.Ростокера, С.Т.Кишкина, Л.М.Потока и других [4,5].

3. Твердые смазочные покрытия

Твердые смазки предназначены для снижения трения в условиях, при которых невозможно создание жидкостной смазки. Например, они применяются при работе в вакууме, при низкой и высокой температуре, в агрессивной среде и т.д. Наиболее распространенными твердыми смазками являются твердые тела, имеющие слоистую структуру. Низкое трение у них достигается вследствие явно выраженной анизотропии свойств. Наиболее распространенными материалами этой группы являются графит, дисульфит молибдена, тальк, слюда и нитрид бора. Принцип действия твердых смазок рассмотрим на примере графита.

Структура графита представлена на рис. 6:

Рис. 6 - Структура графита

Слои атомов углерода с плотной упаковкой находятся на больших расстояниях друг от друга. В таких слоях атомы имеют гексагональное расположение и обладают прочными межатомными связями (420 кДж/г атом). Прочность же связей между атомами, расположенными в различных плоскостях, на порядок меньше, поэтому при трении происходит сравнительно легкий сдвиг одной плоскости относительно другой.

В последнее время в качестве твердой смазки применяют твердый подшипниковый полимерный материал политетрафторэтилен (ПТФЭ), обладающий уникальными антифрикционными свойствами. ПТФЭ, или фторопласт, обладает низким коэффициентом трения (0,05-0,1) вплоть до температуры размягчения (320оС). Использованию фторопласта в чистом виде препятствуют его низкая прочность, токсичность паров фтора, плохая теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и низкая способность сопротивляться трению при высоких скоростях и повышенном тепловыделении. Поэтому ПТФЭ вводят в поверхность пористого металла, чаще всего пористой бронзы. ПТФЭ, заполняя поры металла, обеспечивает хорошие антифрикционные свойства, а бронзовая матрица создает достаточно прочный и хорошо проводящий теплоту каркас. Металлофторопластовые подшипники широко применяются за рубежом и в отечественном машиностроении, а используют их преимущественно в узлах трения, работающих без смазки или в условиях смешанной смазки. Для повышения износостойкости и увеличения ресурса таких подшипников во фторопласт вводят наполнители (медь, бронзу, стекловолокно, графит и др.).

4. Жидкостная смазка

Создателем гидродинамической теории смазки был Н.П.Петров, первые труды которого были опубликованы в 1883 г. Основные положения теории смазки и ее математическая формулировка были разработаны О.Рейнольдсом в 1886г. В дальнейшем теория гидродинамической смазки интенсивно развивалась в нашей стране и за рубежом.

В соответствии со стандартной терминологией, жидкостная или гидродинамическая смазка осуществляется при полном разделении поверхностей трения под воздействием давления, возникающего в слое смазки при относительном перемещении пар трения. Внутреннее трение в слое смазки определяется, в основном, ее вязкостью.

Существуют функциональные связи между касательным напряжением на площадке внутри движущейся жидкости и производной скорости по нормали к этой площадке. Такие зависимости называют «реологическими характеристиками». Зависимость касательных напряжений от поперечной производной скорости представлена на рис. 7.



Рис. 7 - Зависимость касательных напряжений от поперечной производной скорости

В общем случае деформация среды начнется тогда, когда напряжения достигнут значения (кривая I на рисунке 7). Тогда

. (1.4.1)

Среды, подчиняющиеся такому закону, называются нелинейно-вязкопластичными. К ним относятся, например, минеральные масла при низкой температуре, жиры и т.д.

Среды, у которых и отсутствует (кривая II), называют жидкостями.

На рис I.7 - статическое предельное напряжение сдвига, - динамическое предельное напряжение сдвига, величина которого определяется экстраполяцией прямолинейного участка.

Среды, у которых , а (кривая III), называют неньютоновскими жидкостями (жиры, суспензии и др.). Если , то аномалия вязкости отсутствует, и имеет место линейный закон

.(1.4.2)



Если же (кривая II), то получим выражение для , называемое гипотезой Ньютона:

, (1.4.3)

где - динамический коэффициент вязкости. В последнем случае говорят об истинно вязкой или ньютоновской жидкости.

Исходя из условий равновесия ньютоновской жидкости и с учетом уравнения неразрывности потока жидкости, получено уравнение изотермического течения смазки - уравнение Рейнольдса:

, (1.4.4)

где координаты x и z характеризуют продольное и поперечное перемещение элементарного объема жидкости,

h - глубина положения элементарного объема.

Процесс развития гидродинамических давлений в слое смазки рассмотрим на примере перемещения наклонной плоскости со скоростью V относительно неподвижной плоскости (рис.8).

На участке от а до b гидродинамическое течение и течение сдвига способны усиливать скорость перемещения жидкости по толщине слоя, а на участках от bдо с - ослаблять. Это вытекает из закона сохранения массы, согласно которому расход жидкости через любое сечение постоянен в данный момент времени.

Причиной развития гидродинамического давления в слое жидкости, при котором возникает переменность давления по длине смазочного слоя, является либо переменное сечение смазочной щели (клинообразное), либо переменная плотность жидкости и относительное перемещение пар трения, либо сдавливание слоя.

Рис. 8 - Процесс развития гидродинамических давлений в слое смазки

Анализируя уравнение Рейнольдса, можно проследить за всеми составляющими, способствующими возникновению давления в смазочном слое. Первый член левой части уравнения определяет расход смазки в направлении координаты X, второй - в направлении Z. Первый член правой части уравнения определяет вклад скорости относительно скольжения поверхностей V и форму смазочного слоя , а второй член - вклад скорости сближения поверхностей. Наиболее важным фактором является учет клинообразной формы смазочного слоя, особенно при расчетах радиальных подшипников.

Следует отметить, что при выводе уравнения гидродинамической теории смазки О. Рейнольдсом были сделаны следующие допущения:

- инерционные силы частиц смазки считаются значительно меньшими, чем силы вязкости;

- смазка принимается как ньютоновская жидкость;

- вязкость во всем слое принимается постоянной;

- жидкость несжимаемая;

- толщина слоя смазки мала по сравнению с другими размерами;

- скольжение на границе жидкость - твердое тело или газ - твердое тело отсутствует.

Дальнейшее развитие гидродинамической теории смазки шло по пути решения неизотермических задач, учета деформации опор и геометрической формы пар трения.

5. Абразивное изнашивание

Под термином «абразивный износ» обычно понимают разрушение поверхности трения под воздействием твердых частиц, присутствующих в зоне трения. Таким образом, к этому виду относятся износ, вызываемый частицами, отделившимися в процессе трения, а также износ вследствие попадания извне в зону трения инородных частиц минерального происхождения. Кроме того, рабочие органы некоторых машин изнашиваются в процессе взаимодействия непосредственно с массой абразива (почвы горной породы). Механическое воздействие абразивных частиц на изнашиваемый материал в большой мере зависит от их формы, степени закрепленности и соотношения механических свойств абразивной частицы и изнашиваемой поверхности, действующих нагрузок. По этой причине сам механизм износа может изменяться от упругого передеформирования до наиболее опасного - микрорезания.

Исследования процесса микрорезания с помощью жестко закрепленного абразива, перемещающегося относительно образца, показали, что большое значение имеет также ориентация абразивных частиц относительно поверхности трения. Так, эффект микрорезания начинает существенно сказываться на объеме изношенного материла при 10% объеме благоприятно ориентированных частиц.

Простейшая модель такого механизма разрушения приводит к следующему соотношению между интенсивностью изнашивания и давлением.

, (1.5.1)

где h - высота изношенного слоя;

L - путь трения;

Pa - номинальное давление;

PT - давление текучести;

K - коэффициент пропорциональности.

Если сопоставить износ образца h с износом эталона hэ при условии, что их пути трения и номинальные давления одинаковы, то относительная износостойкость будет пропорциональна давлению текучести образца, т.е. . В качестве параметра, характеризующего давление текучести, часто принимают твердость по Виккерсу. Однако до сих пор не получено универсальной зависимости, связывающей относительную износостойкость и твердость (давление текучести). Поэтому при расчетах интенсивности изнашивания пользуются эмпирическими зависимостями, выведенными для конкретных металлов и их сплавов [3,6].

Абразивный вид изнашивания гидравлической аппаратуры весьма распространен на промышленных предприятиях вследствие попадания частиц кварца из окружающей среды в гидробаки станочного оборудования. Кроме того, возможно загрязнение гидросистем промышленной пылью через неплотности соединений трубопроводов и деталей.

По литературным данным, около 70% гидравлического оборудования промышленных предприятий выходит из строя вследствие абразивного изнашивания. Поэтому очистка гидравлических жидкостей от механических примесей - одна из важнейших проблем, требующая незамедлительного решения.

6. Окислительное и коррозионное изнашивание

Окислительный износ наблюдается тогда, когда пара трения подвержена воздействию кислорода воздуха или кислорода, содержащегося в смазке. Образующиеся при этом на поверхности окислы изнашиваются. Одной из первых попыток связать износ с процессом образования окисных пленок предпринял Ухлиг при анализе явления фреттинг-коррозии. Эта модель износа в дальнейшем была развита рядом исследователей. Так, Квинн рассмотрел две модели окислительного износа при трении:

Пленка окисла образуется в то время, когда неровность поверхности не соприкасается с другой неровностью контртела.

На каждом контакте образуется одинаковое количество окисла.

После того, как пленка окисла достигнет критической толщины, происходит ее срез, который локализуется по границе металл-окисел.

Окислительный износ является частным случаем коррозионного износа, который имеет место при наличии в окружающей среде или в смазке коррозионно-активных веществ, сокращенно КАВ. Коррозионно-активными веществами являются, помимо кислорода, водород, кислоты, щелочи, некоторые органические соединения.

Коррозионно-активные вещества оказывают влияние на изнашивание в результате протекания процессов, сходных по своей природе с коррозией под напряжением. КАВ, адсорбируясь на поверхностях твердых тел, снижают интенсивность межатомных и межмолекулярных взаимодействий, уменьшая тем самым касательные напряжения на границе раздела. Это приводит к возрастанию числа воздействий до разрушения более мягкого тела. Процесс коррозионного изнашивания протекает особенно интенсивно при взаимодействии КАВ с дефектами поверхностных слоев (царапины, микротрещины). Известно также, что наиболее эффективно коррозия вызывает разрушение при растягивающих напряжениях, равных или приближающихся к пределу текучести материала. Такие процессы при трении в условиях граничной смазки приводят к снижению предела выносливости более мягкого материала, а интенсивность коррозионного изнашивания увеличивается.

Таким образом, КАВ двояко влияют на интенсивность изнашивания. С одной стороны, уменьшаются силовые взаимодействия при трении и интенсивность изнашивания уменьшается. С другой стороны, вследствие протекания процессов, сходных с коррозией под напряжением, уменьшаются пределы выносливости материалов и интенсивность изнашивания увеличивается. Следует отметить, что КАВ влияют на интенсивность изнашивания только при напряжениях, стремящихся к пределу текучести материала.

Создавая определенную концентрацию КАВ, можно добиться оптимального соотношения коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Однако воздействие коррозионно-активного вещества зависит от природы смазки, в которую оно добавляется, и от природы твердых тел. В настоящее время такие оптимальные соотношения между родом смазки и материалом пар трения получают экспериментальным путем.

Скорость коррозионного процесса на основании уравнений кинетики реакций определяется концентрацией участвующих в реакции веществ, а также константой скорости реакции К:

, (1.6.1)

где С - постоянная в уравнении Аррениуса,

Q - энергия активации реакции,

R - универсальная постоянная.

При интенсивном перемешивании жидкостей, непрерывном разрушении и удалении с поверхности металла продуктов коррозии и большом объеме среды постоянного состава можно полагать:

, (1.6.2)

где - коэффициент, зависящий от состава среды, характера и порядка реакции.

До сих пор речь шла о химическом механизме коррозии. Другой, не менее распространенный вид коррозии - электрохимический. Процесс электрохимической коррозии можно рассматривать как результат работы коррозионных гальванических элементов, возникающих при взаимодействии металла с электролитом. Теория локальных элементов была предложена Де Ла Ривом и получила развитие в трудах Г.В.Акимова и Н.Д.Томашова.

Работа гальванического элемента обусловлена протеканием двух процессов - анодного и катодного, локализованных на различных участках. Анодный процесс характеризуется переходом в раствор гидратированных атомов металла и оставлением эквивалентного количества электронов в металле:

. (1.6.3)

Если нет других электродных процессов, то анодное растворение металла прекращается вследствие установления динамического равновесия переноса зарядов в раствор и их обратного восстановления на металле. Если избыточные электроны будут перетекать с анодного участка на катодный, вызывая протекание катодного процесса, то растворение металла на аноде будет продолжаться.

Катодный процесс характеризуется реакцией восстановления иона водорода в газообразный водород:

(1.6.4)

или реакцией восстановления кислорода с превращением его в ион гидроксила:

. (1.6.5)

Основной причиной локализации анодного и катодного процессов является электрохимическая неоднородность корродируемой поверхности, связанная с различием значений электродных потенциалов и токов на различных участках поверхности.

Для термодинамически нестабильных металлов (неблагородных) скорость коррозии можно определить как:

, (1.6.6)

где - начальный потенциал катода,

- начальный потенциал анода,

S- скорость коррозии,

К- переводной коэффициент,

и - средние катодная и анодная поляризуемости соответственно,

R - общее омическое сопротивление системы.

Основные сложности при аналитических расчетах скорости коррозии связаны с обилием внешних и внутренних факторов, влияющих на протекание электрохимической коррозии. Внешние факторы определяются природой и свойствами среды, к внутренним относятся термодинамическая стабильность металла, положение его в периодической системе, структура, наличие внутренних напряжений и состояние поверхности. Металлы, в зависимости от их отношения к изменению водородного показателя PH, можно разбить на три группы:

Металлы, окислы которых растворимы как в кислотах, так и в щелочах. К ним относятся цинк, алюминий, свинец и олово. Для этих металлов скорость коррозии увеличивается как при уменьшении, так и при увеличении РН (рис 9а).

Металлы, окислы которых хорошо растворимы в кислотах, но не растворимы в щелочах. К ним относятся никель, медь, кобальт, хром, марганец, кадмий и магний. С увеличением РН скорость коррозии этих металлов будет снижаться (рис 9б). К этой группе можно также отнести железо, хотя при повышенной щелочности и температуре электролита образуются растворимые феррит натрия или гипоферрит.

Металлы повышенной устойчивости. К ним относятся благородные металлы.

Для этих металлов скорость коррозии не зависит от PH электролита (рис. 9в).



Рис. 9 - Основные типы диаграмм «водородный показательPH - скорость коррозии»

7. Усталостное изнашивание

Усталостное изнашивание - это постепенное или внезапное разрушение материала под воздействием динамических нагрузок, циклически изменяющихся во времени. Наиболее изученным является усталостное изнашивание металлов. Понижение прочности стальных конструкций под влиянием циклических нагрузок впервые было замечено в 1839 году французским ученым Понсоле. Это явление он назвал «усталостью металлов». В дальнейшем немецким ученым А. Веллером лабораторным путем было установлено, что разрушение от усталости в металлах возникает при напряжениях ниже предела текучести. Изменение разрушающих напряжений в зависимости от числа циклов нагружения до сих пор иногда называют «кривыми Веллера», хотя более употребляемыми являются термины «кривые усталости» или «кривые выносливости».

Отечественная школа теории усталости представлена рядом ученых - Н.Н. Афанасьевым, И.А. Одингом и другими в начале 20 столетия, Г.В. Карпенко, М.И. Чаевским, В.Ф. Шатинским и многими другими в наши дни.

В частности, Н.Н. Афанасьевым была разработана статическая теория усталости металлов, а А.И. Одингом - энергетическая.

В связи с ужесточением условий эксплуатации машин и механизмов при одновременном снижении их металлоемкости очень актуальной стала задача разработки расчетного метода прогнозирования усталости металлов.

Величина усталостного разрушения и время его наступления определяется не столько величиной приложенного напряжения, сколько характером циклической нагрузки.

Основные виды циклов нагружения представлены на рис. 10, 11.

Рис. 10 - Виды циклов нагружения: а) симметричный знакопеременный цикл; б) асимметричный знакопеременный цикл; в) асимметричный знакопостоянный цикл; г) пульсирующий цикл



Рис. 11 - Графики циклических нагрузок, наиболее часто встречающихся в практике: а) общий случай периодической закономерности; б) прямоугольный периодический цикл; в) пилообразный цикл; г) синусоидальный цикл

К характеристикам циклическогонагружения относятся:

1) амплитуда цикла нагружений (1.7.1)

2) среднее напряжение цикла

(1.7.2)

3) размах цикла



, (1.7.3)

4) коэффициент асимметрии цикла

, (1.7.4)

5) предел выносливости (усталости) -, МН/, под которым понимают максимальное напряжение цикла с асимметрией , соответствующее заданной долговечности или то наибольшее напряжение цикла , которое может выдержать металл образца без разрушения от усталости при неограниченном числе циклов нагружения;

6) долговечность - это число циклов нагружения, при котором происходит разрушение образца в данных условиях испытаний.

Усталостные разрушения наблюдаются как в вакууме, так и на воздухе или в любой неактивной и активной (коррозионной) среде. Ускоряют процессы разрушения наличие трения, влияние поверхностно-активных веществ и др.

Общее уравнение циклического напряжения

, (1.7.5)

где - зависимость изменения колебаний амплитуды напряжений за время одного цикла.

Для симметричного цикла уравнение подчиняется синусоидальному закону:

, (1.7.6)

где - частота циклов;

- угол, определяющий начальную фазу.

Испытания на усталость проводят на различных испытательных машинах, позволяющих воспроизвести реальную схему нагружения, характерную для эксплуатационных условий работы деталей. К основным типам нагружения относятся: а) чистый изгиб при вращении; б) то же в одной плоскости; в) поперечный изгиб при вращении консольных круглых образцов; г) то же в одной плоскости круглых и некруглых образцов; д) поперечный изгиб консольных и некруглых образцов при вращении силовой плоскости; е) растяжение-сжатие;

ж) переменное кручение образцов, а также нагружение внутренним давлением и при наложении гидростатического давления. От соотношения касательных и нормальных напряжений зависит сопротивление усталостному разрушению и его характер.

Результаты испытаний на усталость фиксируются на диаграммах усталости -кривых Веллера. Кривая усталости определяет зависимость между максимальными напряжениями цикла и долговечностью образцов одного типа и размеров. Основные типы кривых усталости представлены на рис. I.12.

Наиболее распространенным типом является кривая с четко выраженным горизонтальным участком (рис I.12а). В этом случае выявляется физический предел усталости. Кривые такого типа характерны для черных металлов и титана. Кривые усталости с наклонным участком к оси абсцисс (б), у которых предел выносливости является условным, характерны для цветных металлов, а также для черных металлов в коррозионной среде или в условиях фретинг-коррозии.



Рис. 12 - Основные типы экспериментальных кривых усталости

Появление разрывов и ступенек на кривой усталости (в) обусловлено следующими причинами:

- сменой напряженного состояния перед вершиной трещины;

- переходом от межзеренного разрушения к внутрикристаллическому, что также связано с перераспределением напряжений и изменением их уровня;

- изменением месторасположения разрушения с другими соотношениями факторов, влияющих на усталость;

- неравномерным распределением деформации по сечению, приводящему к более раннему пластическому течению поверхностных слоев. Иногда проявляется неравномерный темп изменения напряжений в области перегрузок [7,8].

Известно множество гипотез, объясняющих природу усталостного разрушения металлов. При определении природы разрушения необходимо в первую очередь выявить причину образования усталости, когда в материале изделия нет видимых дефектов.

Согласно гипотезе Х.Ф.Мура кристаллическое строение металла предусматривает наличие зерен, благоприятно ориентированных по отношению к действующей нагрузке. В результате этого в них возникают местные пластические деформации при напряжениях, более низких, чем предел упругости. При многократномнагружении происходит накопление пластических деформаций с последующим появлением микротрещин.

А.А. Гриффитц создал теорию усталостного разрушения, согласно которой предполагается, что в объеме любого твердого тела имеются рассеянные несплошности в виде трещин, размеры которых хотя и малы, но значительно больше, чем расстояние между атомами, порядка 1-5 мкм. Трещины, с одной стороны, уменьшают площадь сечения, на которую действует нагрузка, с другой стороны, они являются концентраторами напряжений. При благоприятном расположении отдельных трещин и высокой концентрации напряжений возможен их рост и соединение, вследствие чего и образуется трещина усталости. Уровень нормальных напряжений по границам трещины определяется уравнением:

, (1.7.7)

где с - длина трещины;

Е-модуль упругости;

- значение поверхностной энергии.

Применительно к стеклу Гриффитц установил, что устранение поверхностных и внутренних несплошностей приближает прочность стекла к теоретической. Теория Гриффитца способствовала последующему развитию представлений о разрушении материалов.

В отличие от А.А.Гриффитца, предполагавшего, что трещина усталости развивается хрупко, Е.Орован считал, что в наиболее напряженном участке детали образуется пластическая деформация в форме ядра малых размеров, окруженного упругой средой. При последующем воздействии циклических нагрузок в ядре происходят пластические сдвиги по плоскостям скольжения, вызывающие его упрочнение за счет наклепа. В результате такого процесса в ядре происходит изменение деформации от до . По мере увеличения продолжительности циклическихнагружений пластическая деформация накапливается, происходит упрочнение ядра и значение . Это стремление к нулю происходит примерно в геометрической прогрессии. Накопление предельного значения пластической деформации приводит к образованию трещин усталости.

Теория усталости Н.Н.Афанасьева вытекает из физической природы поликристаллических металлов. Н.Н. Афанасьев считал, что хотя отдельные зоны, состоящие из кристаллов, и не являются однородными, но внутри каждого кристаллита условно можно выделить объем, который будет однородным и изотропным. Такие объемы, названные зернами, условно имеют одинаковый предел текучести, но различный уровень напряжений, или одинаковый уровень напряжений, но различный предел текучести. Данные предположения облегчили математические описания процессов. Согласно теории Н.Н.Афанасьева, процесс усталостного разрушения делится на 3 стадии: первая связана с упрочнением наиболее напряженных зерен, во второй образуется «разрыхление» в некоторых зернах и превращение линий сдвигов в микротрещины, на третьей стадии микротрещины развиваются в трещины усталости. Н.Н.Афанасьев считал, что усталостное разрушение металлов, обладающих пластичностью, связано с максимальными касательными напряжениями, вызывающими сдвиги, дающие начало трещинам.

Современное представление о прочности кристаллических тел и процессах пластического деформирования связаны с теорией дислокаций. Поэтому и природа усталости связана с несовершенствами кристаллического строения. Применительно к усталости получила признание вакансионная гипотеза о происхождении усталостных разрушений. Согласно этой теории, в процессе пластической деформации и движения дислокаций в отдельных зернах при циклическом нагружении образуется концентрация вакансий, которая при определенных критических значениях служит образованию субмикротрещины, микротрещины и трещины усталости.

По мнению И.А.Одинга и В.С.Ивановой, процесс пластической деформации протекает в три стадии. На первой стадии циклические напряжения невелики и основные субструктурные изменения проходят по границам зерен. При этом осуществляется диффузия примесных атомов к искаженным границам кристаллов, что приводит к концентрации вакансий и происходит некоторое упрочнение периферии кристаллов.

На второй стадии осуществляется локальное разрыхление кристаллической решетки и возникновение субмикроскопических трещин. Внутри отдельных кристаллов развиваются полосы скольжения, которые и являются очагами дальнейшего разрыхления кристаллической решетки.

На третьей стадии полосы скольжения начинают выходить за границы кристаллов и развиваться в других зернах, при этом субмикроскопические трещины развиваются в микроскопические. Микротрещины растут с большей интенсивностью, чем субмикротрещины, так как большая концентрация напряжений у их вершин увеличивает скорость концентрации вакансий.

В последние годы становятся все более популярными представления о природе усталости на основе энергетических предпосылок.



Рис. 13 - Петля пластического гистерезиса; - механическое напряжение,- деформация

По теории И.А.Одинга, в процессе пластической деформации при циклическом нагружении энергия упругих искажений в кристаллической решетке металла накапливается до определенного значения, достаточного для образования трещины усталости. Способность металлов поглощать энергию в данном процессе И.А.Одинг назвал циклической вязкостью. Мерой циклической вязкости за один цикл напряжений принимается ширина петли пластического гистерезиса ?(рис. I.13, где у - механическое напряжение, д - деформация). Циклическая вязкость способствует снижению концентрации напряжений, поэтому показатель циклической вязкости металлов должен учитываться. Сравнительно высокую циклическую вязкость имеют углеродистые стали, содержащие 0,35%-0,40% углерода, и особенно высокий показатель этой характеристики у чугуна. Ход возрастания непоправимых повреждений или их снижения связан в одном случае с фактором разупрочнения (увеличение петли гистерезиса), а в другом - с упрочнением (стабилизация или даже снижение петли гистерезиса).

Согласно структурно-энергетической теории разрушения, развиваемой В.С.Ивановой, образование трещины усталости связано с огромной энергией упругой деформации, накапливаемой при движении дислокаций в отдельных микрообъемах металла. Критическое значение этой энергии равно теплоте плавления.

Протекание различных процессов подчиняется универсальной зависимости скорости процесса от температуры, установленной Аррениусом:

, (1.7.8)

гдеА - постоянная Аррениуса;

Е - энергия активации;

R - газовая постоянная;

T - температура.

Т.Екобори использовал это соотношение для анализа процессов текучести статического разрушения, ползучести и усталости. С.Н.Журков в основу своей кинетической теории прочности также положил соотношение Аррениуса. На этом же соотношении основано и протекание диффузионных процессов.

Универсальная зависимость (I.7.8), по мнению В.С.Ивановой, связана с дискретностью протекания элементарных процессов. Прохождение этих элементарных процессов связано с энергией активации, которая определяется уровнем внешнего воздействия (напряжения) и другими факторами. Для определения энергетических спектров, нарушающих межатомные связи, В.С.Ивановой предложена универсальная безразмерная константа, которая характеризует энергию активации элементарного процесса перестройки атомов при температуре 0К:

, (1.7.9)

где L - скрытая теплота плавления;

- изменение теплосодержания. Ср - при нагреве от 0К до температуры плавления;

G - модуль упругости при температуре 0К.

Итак, трещины усталости развиваются на участках, имеющих концентрацию напряжений в виде различных дефектов или неметаллических включений. Период работы детали от возникновения первой макроскопической трещины усталости (0,1 - 0,5 мм) до окончательного разрушения называют живучестью элемента конструкции или детали машины. Знание этой характеристики необходимо, так как срок между профилактическими ремонтами механизмов должен устанавливаться в зависимости от живучести, оцениваемой в статистическом аспекте с запасом по ресурсу[7,8].

8. Гидроэрозионное и кавитационное изнашивание

В работе [13] кавитация определяется как нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных газом или паром. Вобъемныхгидромашинах, имеющих каналы как пониженного, так и высокого давления, процесс кавитации проходит в две ступени. При прохождении жидкости по каналам с пониженным давлением (всасывающие трубопроводы насосов) жидкость закипает, если степень вакуума достаточно высока, или выделяет растворенный газ. Стенки канала при этом испытывают гидродинамическое давление от натекания жидкости на поверхность канала при расширении пузырьков. Кроме того, вследствие неустойчивости воздушных пузырьков во времени и в пространстве, происходит перераспределение градиентов скоростей, давлений и температур, и в результате наблюдается вибрация стенок канала, сопровождающаяся звуковыми явлениями (шум, треск, удары). Указанные явления приводят к эрозии стенок канала, усталостным разрушениям, а сама гидравлическая машина работает в неустойчивом режиме, снижает свои выходные характеристики и ресурсные показатели.

В большинстве случаев жидкость настолько быстро проходит через область пониженного давления, что газ не успевает выделиться. В этом случае кавитацию называют паровой, поскольку воздух, содержащийся в рабочей жидкости, обладает определенной влажностью, и таким образом происходит выделение водяного пара, заключенного внутри воздушных пузырьков.

Вторая ступень кавитации в объемныхгидромашинах наступает, когда пузырьки воздуха (пара) или газа увлекаются потоком в область повышенного давления. При практически мгновенном повышении давления пузырьки замыкаются (схлопываются). Перепады давления во время замыкания полостей составляют огромные величины - порядка сотен мегапаскаль, что также приводит к выщербливанию материала стенок каналов, вибрации, звуковым явлениям [34].

При кажущейся простоте явления кавитации до сих пор не удалось получить удовлетворительную математическую модель этого процесса. Нерешенными вопросами, важными в практическом аспекте, являются:

определение взаимосвязи скорости изнашивания при кавитации и гидродинамических характеристик потока;

определение связи между скоростью изнашивания при кавитации и комплексом физико-химических свойств материала.

Причиной нерешенности этих вопросов является отсутствие общепринятого подхода к механизму влияния кавитации на износ материала. На этот счет существует несколько различных гипотез. Можно считать установленными следующие утверждения:

I. Передача энергии от кавитирующего потока жидкости к поверхности твердого тела осуществляется за счет

удара струй от асимметрично схлопывающихся пузырьков;

удара при схлопывании одиночных пузырьков;

гидродинамического давления от натекания жидкости на поверхность при расширении пузырьков;

ударных волн при согласованном схлопывании большого числа пузырьков.

2. Даже при больших интенсивностях гидроударного воздействия при кавитации материал подвержен пластическим деформациям, которые развиваются на дне кратеров (микроуглублений), расположенных на неровной поверхности материала.

Последнее позволяет предположить, что эрозия при кавитации обусловлена не только чисто механическим воздействием серии гидроударов, но и термофлуктуационным характером процесса схлопывания пузырьков.

Авторы настоящей работы предложили и экспериментально апробировали следующую модель гидроэрозионного изнашивания при кавитации.

Известно, что при прохождении рабочей жидкости через гидравлическую машину, существенно изменяющую давление, происходит деформация пузырьков нерастворенного воздуха с соответствующим изменением температуры. Если повышение температуры от увеличения давления происходит настолько быстро, что отвод тепла будет исчезающее мал, то температуру после завершения процесса сжатия можно определить как

, (1.8.1)

где индекс 1 относятся к начальному состоянию, индекс 2 - к конечному, а n - показатель политропы, который зависит от физических свойств воздуха или другого газа (паровая или газовая кавитация). Установлено, что n существенно увеличивается с ростом давления и несколько уменьшается с повышением температуры.

Местное (локальное) повышение температуры в газовом пузырьке может достигать весьма больших значений: при изменении давления от 1*105 до 50*105 Па, показателе политропыn=1,7 и начальной температуры 323К конечная температура Т2 внутри пузырька составит около 13000С.

Повышение температуры в пузырьках воздуха и сопровождающий это повышение «дизель-эффект» были зафиксированы экспериментально. Этими локальными температурами объясняют возникновение каверн на поверхностях уплотнений и рукавов, особенно в местах, близких к креплениям соединений. Накопление таких каверн приводит к катастрофическим разрушениям. Увеличение количества пузырьков приводит к возрастанию их суммарной поверхности, что увеличивает интенсивность теплообмена. Атмосферный воздух, попадающий в гидросистему через штуцеры гидробаков и неплотности соединений, всегда содержит пары воды. Если предположить, что в пузырьке воздуха находится капля воды (рис I.14), то при практически мгновенном повышении температуры, хотя бы таком, как в рассмотренном примере (13000С), должно произойти такое же мгновенное испарение капли воды, сравнимое по эффекту со взрывом. Ударная волна, фронт которой образуют раздробленные капли, достигает металлической поверхности, осуществляя своего рода ее «бомбардировку». Помимо чисто механического воздействия «взорвавшейся» капли, по-видимому, должны также происходить пластические деформации поверхности, связанные с локальным повышением температуры. В результате на поверхности могут появиться углубления, напоминающие питтинг.



Рис. 14 - Схема воздушного пузырька

Такие углубления были нами обнаружены на поверхностях поршней аксиально-поршневых насосов после стендовых испытаний.

Локальные повышения температуры при наличии влаги в виде микрокапель должны активизировать коррозионные процессы на металлических поверхностях. Кроме того, при происходящем в гидромашинах трении сопряженных пар в местах локального повышения температуры может произойти схватывание (сварка) трущихся поверхностей с последующим разрушением.

Учитывая специфику работы поршневых пар аксиально-поршневых насосов, когда одни и те же поверхности испытывают и низкое, и высокое давление попеременно, причем смена давления происходит очень быстро, предлагаемая модель изнашивания пар трения в трехфазной среде «масло-вода-воздух» весьма вероятна. Если допустить, что процесс «взрыва» капли проходит при постоянном объеме газового пузырька, то под воздействием паров влаги давление внутри него увеличивается, а градиент давления, обусловленный разностью давлений внутри пузырька и в окружающей среде, будет тем больше, чем меньше давление в гидросистеме. Тогда скорость гидроэрозионного изнашивания поршней должна уменьшаться при повышении давления в гидросистеме. Если в масле гидросистемы помимо воздуха содержится вода, то количество капель внутри газовых пузырьков увеличится, соответственно увеличится количество «взрывов» капель и износ. Однако из-за высокой скорости проходящих процессов и конечного объема пузырьков наполнение газовых пузырьков каплями воды происходит до определенного предела, поэтому гидроэрозионныйизнос при достижении предельно возможного количества капель внутри пузырьков должен стабилизироваться. При увеличении содержания воздуха в гидросистеме количество «взрывов» капель, согласно принятой модели, увеличивается в геометрической прогрессии. Последнее объясняет резкое увеличение изнашивания гидрооборудования даже при не слишком большом увеличении содержания воздуха.При расчетах кавитационного изнашивания следует учитывать все стороны этого сложного процесса, принимая за основу модель гидроэрозионного изнашивания в фазе повышения давления [15, 16, 17, 18].