Виды изнашивания гидравлических машин

9. Факторы, определяющие виды изнашивания объемных гидромашин

Рассмотренные выше виды изнашивания проявляются в объемных гидромашинах, в большей или в меньшей степени, в зависимости от сочетания различных внутренних и внешних факторов, условий работы отдельных деталей, вида их нагружения, квалификации обслуживающего персонала.

Прецизионные пары объемныхгидромашин, как правило, выполняются с высокой степенью чистоты поверхности, поэтому преобладающим видом внешнего трения является трение с граничной и жидкостной смазкой. В таких условиях изнашивание почти целиком определяется свойствами смазочной среды. Присутствие в масле поверхностно-активных веществ может активизировать окислительный вид изнашивания и даже спровоцировать эффект Ребиндера с внезапным разрушением детали. В этом плане особенно важным является правильный подбор материалов пар трения в комплексе с видом гидравлической жидкости. Материалы и смазки должны быть совместимы. Совместимость проявляется, прежде всего, в способности их в процессе работы приспосабливаться друг к другу, обеспечивая устойчивую, без повреждений, эксплуатацию трибосистемы в течение заданного ресурса. При этом материалы пар трения должны удовлетворять одновременно двум свойствам - быть достаточно прочными и обладать хорошей антифрикционностью. Совместимость трибосистем определяется с учетом различных критериев: температурных, нагрузочных, энергетических, термомеханических, химических и ряда других. Чем больше появляется информации о процессах изнашивания, тем больше требуется критериев, поэтому чаще всего приходится решать типичную задачу оптимизации, т.е. обеспечения оптимального состояния по одному из выбранных критериев при заданных ограничениях на другие.

Одним из наиболее перспективных направлений в методике выбора параметров совместимости узла трения, работающего в сложных условиях, является имитационное моделирование, реализуемое с помощью компьютерной техники.

Попадание в масло гидравлических систем кислот, щелочей, воды в небольших количествах вызывает электрохимическую коррозию движущихся элементов. Наиболее опасными для гидравлического оборудования являются такие виды коррозии, как контактная, щелевая и коррозия под напряжением.

Контактная коррозия проявляется при контакте разнородных материалов в среде электролита. Металлы с преобладающим отрицательным потенциалом под влиянием металлов с преобладающим положительным потенциалом разрушаются со скоростями, значительно превышающими скорости коррозии этих металлов в отсутствие контакта. Контактная коррозия проявляется и в тех случаях, когда конструкция или прибор изготовлены из однородных материалов, но с применением сварки, пайки, болтовых и заклепочных соединений. Сварной шов, как правило, отличается по своему химическому составу и структуре от основного материала, что вызывает разность потенциалов. Анодными участками могут быть зоны наклепа, пористые швы, зоны термического влияния с измененной структурой и т.д.

Щелевая коррозия проявляется в случае попадания электролита в щель между контактирующими металлами или металлами и неметаллами. При наличии щелей и зазоров в конструкциях создаются благоприятные условия для удержания электролитов на поверхности металлов, аследовательно, и длительности процесса коррозии. Кинетика электрохимических реакций в щелях и зазорах имеет специфический вид, что чаще всего ускоряет коррозионное разрушение. Щелевая коррозия приводит к локальному разрушению клапанов, калиброванных дозирующих отверстий, гильз цилиндров под резиновыми уплотнительными манжетами. Особенно сильно подвержены щелевой коррозии нержавеющие стали и алюминиевые сплавы.

Коррозия под напряжением - опасный вид разрушения металлов при одновременном воздействии деформации и коррозионной среды. Способность металла запасать энергию при деформации снижает его термодинамическую стабильность, что объясняет повышенную реакционную способность деформированных металлов при коррозии. Наличие в металле внутренних напряжений вызывает нарушение сплошности защитных пленок на поверхности металла, что облегчает протекание коррозионных процессов. Коррозия под напряжением может иметь сплошной характер, однако наиболее опасны локальные ее виды, получившие название коррозионного растрескивания и коррозионной усталости. Разрушение происходит под действием напряжений, не превышающих предел текучести. При этом наблюдается ярко выраженная избирательность влияния агрессивной среды на различные металлы и сплавы, а также взаимное усиление процессов коррозионного и механического разрушения металлов. Коррозионное растрескивание наблюдается при статических напряжениях в металле. Коррозионная усталость обусловлена циклическим характером деформации. Коррозия под напряжением вызывает разрушение осей автомобилей, валов, деталей гидротурбин, клапанов ДВС и др.

Из перечисленных выше видов поверхностно-активных или коррозионно-активных веществ в гидравлическое масло чаще всего попадает вода. До сих пор не сложилось единого взгляда на основную причину снижения выносливости металлов при их циклическом нагружении в присутствии воды. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что предел усталости сталей при испытании их в чистом масле и в масле, содержащем воду (5%) снижается на 10-30%. Основными моделями, объясняющими снижение выносливости металлов в присутствии воды, являются адсорбционная модель, основанная на теории П.А.Ребиндера, и модель коррозии под напряжением. Любопытным является тот факт, что наличие атмосферного воздуха в среде, используемой в усталостных испытаниях, существенно снижало выносливость металлов, а сам воздух, в зависимости от научной школы, принимался за поверхностно-активное или коррозионно-активное вещество.

Вместе с тем, как нам кажется, при испытаниях на усталость нельзя исключать влияния кавитационных процессов, поскольку скорости вращения испытуемых образцов достаточно высоки, а полная дегазация жидкости представляет собой сложную проблему, особенно когда жидкость постоянно контактирует с атмосферным воздухом. Таким образом, вода, попадающая в гидросистемы, способна вызвать несколько видов изнашивания гидромашин, причем при статическомнагружении деталей более вероятны щелевая коррозия, коррозия под напряжением. Для рабочих органов гидромашин (поршневых, плунжерных, пластинчатых пар трения) опасными являются кавитационные и гидроэрозионные процессы. Насосы, перекачивающие агрессивные жидкости, подвержены адсорбционному снижению прочности с повышенным коррозионным изнашиванием. Следует иметь в виду, что все рассмотренные виды изнашивания при попадании воды в масло могут происходить одновременно, оказывая взаимное влияние. Учет коррелированности отдельных процессов представляет собой сложную проблему, не поддающуюся пока строгому анализу. Поэтому в практических расчетах имеет смысл выделение наиболее опасного в данных условиях компонента процесса изнашивания.

Наличие в гидравлических жидкостях гидросистем воздуха вызывает интенсивную кавитацию, усложненную гидроэрозионным видом изнашивания. Поскольку гидроэрозионному изнашиванию подвержены в основном рабочие органы гидромашин, этот вид изнашивания является наиболее нежелательным. Но и в этом случае гидроэрозионный износ, по-видимому, дополняется коррозионным процессом, причем в связи с тем, что локальное повышение температуры внутри воздушных пузырьков при их замыкании достигает высоких значений, химическая активность воды и воздуха должна многократно возрастать. В промышленных гидроприводах механические загрязнения способны привести к интенсивному абразивному изнашиванию в распределительных дисках. Поршневые пары подвержены абразивному изнашиванию в меньшей степени, поскольку в них чаще осуществляется жидкостная смазка. Скорости движения рабочих органов поршневых гидромашин сравнительно невелики, поэтому износ поверхностей потоком абразивных частиц не может стать сколько-нибудь значительным. Кроме того, в промышленных гидроприводах основную долю механических загрязнений составляют продукты изнашивания прецизионных пар, которые не могут быть абразивом по отношению к рабочим поверхностям. Более вероятно в этом случае заклинивание плунжерных и распределительных пар вследствие засорения зазоров.

Гидроприводы строительных, дорожных и сельскохозяйственных машин подвержены значительному абразивному износу. Это связано с попаданием вих гидросистемы твердых частиц кварца, являющихся сильным абразивом для большинства металлов.

Учитывая вышеуказанное, можно сделать вывод, что основные виды изнашивания гидроаппаратуры обусловлены загрязнениями рабочей среды. Степени влияния этих загрязнений ни износ распределятся следующим образом: наиболее опасным является воздух, на втором месте - вода, на третьем (для промышленных гидроприводов) - абразивные механические примеси. На практике в гидросистемах технологического оборудования чаще всего присутствуют все виды загрязнений, а их влияние на износ является комплексным, включающим рассмотренные виды изнашивания в большей или меньшей степени[17, 23].

10. Причины, обусловливающие отрицательное влияние растворенного воздуха и воды на работу гидравлических систем

В последние годы вопросы содержания воздуха и воды в рабочих жидкостях, особенно в минеральных маслах, стали привлекать все большее внимание специалистов, занятых созданием гидрооборудования и эксплуатацией промышленных гидроприводов. Все работы, связанные с исследованиями по определению влияния этих примесей на характеристики гидросистем и минеральных масел, показывают крайне отрицательное влияние воздуха и воды на функционирование гидросистем. Становится все более очевидным, что при создании современных гидрофицированных машин с высокими динамическими и прочностными параметрами, в том числе приводов с большим объемом рабочей жидкости в исполнительных механизмах, необходимо не только учитывать сам факт наличия воздуха и воды, но и предусматривать меры по поддержанию их содержания на минимальном уровне. Столь же актуальны и вопросы продления срока службы минеральных масел, на которые присутствующие воздух и вода оказывают окислительное воздействие [10, 19]. При наличии этих примесей в маслах на нефтяной основе ускоренно растут кислотное число и число омыления, интенсивно разрушаются легирующие присадки, ухудшается деэмульгирующая способность и повышается пенообразование. В этих условиях масла значительно быстрее, чем это предусмотрено техническими условиями на эксплуатацию гидрооборудования (до 25-30% времени установленного ресурса), теряют свои служебные свойства, что отрицательно сказывается на работе элементов гидрооборудования. В частности, происходит повышенный износ трущихся поверхностей, наблюдаются случаи заклинивания золотниковых пар и заращивание дросселирующих щелей лакообразными отложениями. В масле образуются продукты окисления и старения, закупоривающие поры фильтроэлементов.

Наличие в рабочей жидкости растворенного, и особенно нерастворенного воздуха, заметно снижает выходные параметры гидрооборудования и гидросистем в целом, такие как коэффициент подачи насоса, расходные характеристики дросселирующих устройств, быстродействие, точность позиционирования и равномерность перемещения исполнительного гидродвигателя.

Помимо этого, воздух и пары воды в зонах переменного давления усиливают кавитационную эрозию деталей насосов и гидроаппаратуры, значительно повышают шум и вибрацию гидросистемы, способствуют повышению температуры рабочей жидкости и возможности самовоспламенения масла.

В настоящее время в нормативно-технической документации на рабочие жидкости гидросистем не приводятся данные по растворимости газов (воздуха) и не лимитируется их содержание как в растворенном, так и в нерастворенном (дисперсном) состоянии. Оговаривается только отсутствие воды в состоянии поставки. На практике же вследствие использования негерметичной тары при транспортировке и хранении в минеральных маслах присутствует определенное количество воды и воздуха. Предельное содержание растворенной воды обычно не превышает десятых долей процента в зависимости от типа минерального масла. Однако при повышении температуры растворимость воды в масле увеличивается. Содержание воды, находящейся в масле в виде эмульсий особенно высокой дисперсности, может достичь нескольких процентов.

Объем растворенного газа при давлении и температуре определяется по формуле:

, (1.10.1)

где - объем растворенного газа при нормальном давлении и температуре .

Согласно закону Генри, количество растворенного в жидкости газа прямо пропорционально абсолютному давлению на поверхности контакта:

, (1.10.2)

где - коэффициент растворимости.

Экспериментально закон Генри для минеральных масел проверялся многими исследователями, которые подтвердили его справедливость до давления порядка 5 МПа.

Время, в течение которого происходит насыщение рабочей жидкости воздухом, зависит: от площади поверхности раздела, приходящейся на единицу объема; степени возмущенности жидкости на этой поверхности; давления; коэффициента диффузии; коэффициента поверхностного натяжения на границе газ-жидкость и от шероховатости поверхностей деталей гидрооборудования. Условия выделения растворенного воздуха зависят, в основном, от тех же факторов, что и насыщение, но дополнительно - от наличия активных центров газовыделения, которыми являются включения механических примесей и микропузырьков газа. Однако выделение происходит интенсивнее, чем насыщение, в результате турбулентности потока жидкости в каналах гидросистемы и их вибрации. Иногда считают, что растворенный воздух, в отличие от нерастворенного, практически не влияет на свойства рабочих жидкостей. Однако независимое рассмотрение этих двух состояний воздуха нельзя признать правомерным, поскольку они в работающем приводе находятся в динамическом равновесии. Это объясняется последовательным переходом воздуха из растворенной фазы в нерастворенную и наоборот - при прохождении им зон и участков пониженного и повышенного давления. Данные об объемном содержании нерастворенного воздуха пока что не однозначны. Принято считать, что в масле действующей гидросистемы содержится от 0,5 до 5%, а в отдельных случаях до 10-15% нерастворенного воздуха от общего объема жидкости.

Вода проникает в минеральные масла вместе с воздухом через фильтр - сапун. Кроме того, вода часто попадает в масла из-за неплотности теплообменных аппаратов и небрежного хранения его в негерметичной таре.

Растворимость кислорода в жидкости на 40-50% больше, чем растворимость атмосферного воздуха. При этом обстоятельстве в значительной степени интенсифицируется процесс окисления масла. Принято считать рост кислотного числа в мг КОН одним из основных показателей старения масла. В присутствии растворенного кислорода ряд металлов, из которых изготовлены отдельные элементы гидросистем, а также их окислы действуют, как катализаторы окислительного процесса, происходящего в масле.

Наличие воздуха приводит к значительному снижению объемного модуля упругости жидкости, а также к увеличению вязкости. Это оказывает существенное влияние на показатель гидродинамической несущей способности масляной пленки. Повышение вязкости масла в сочетании с дисперсной фазой воздуха способствует седиментации пузырьков, взаимодействующих друг с другом, что приводит к расслоению жидкости в резервуаре на три условных слоя: верхний - пена; средний - жидкость, насыщенная пузырьками, и нижний - полностью дегазированная жидкость. Пена, взаимодействуя с продуктами окисления масла, образует устойчивые эмульсии, которые могут удаляться только методом флотации или центрифугированием, поскольку пористые фильтроэлементы ими быстро заиливаются. Эти эмульсии, превращаясь со временем в вязкие включения, откладываются на прецизионных парах, нарушая их нормальную работу. Известно, что при адиабатическом сжатии воздушных пузырьков в зонах повышенного давления возникают местные температуры порядка 1100 - 1500. Именно поэтому считается, что основной причиной старения масел является именно этот факт, приводящий к термическому крекингу масла.

Отрицательное влияние на эксплуатационные свойства минеральных масел оказывает присутствие в них даже незначительного количества воды. Специальными исследованиями [20] была доказана несовместимость легирующих присадок с водой. В частности, при добавлении воды в стенд, имитирующий схему станка с ЧПУ, наблюдались интенсивные отложения (на фильтре из нержавеющей стали с тонкостью очистки 30 мкм) лака и шламов, которые появляются вследствие окисления масла. Было также установлено, что лаки, образуемые в присутствии воды, намного крепче пристают к поверхностям деталей и не смываются потоком жидкости. Процессы старения масла, связанные с наличием в нем воды, носят взаимосвязанный и прогрессирующий характер. Так, при старении масла ухудшается его деэмульгирующая способность, что способствует беспрепятственному участию воды в окислительных процессах. Присутствие воды и воздуха в масле активизирует процессы трения за счет снижения антиизносных и антикоррозионных свойств, что приводит к значительному износу деталей гидрофицированных устройств и преждевременному выходу их из строя.

По мнению В.А. Рокшевского, присутствие пузырьков воздуха увеличивает вязкость масла, что ухудшает его смазывающие свойства и приводит к разрыву сплошности масляной пленки. Кроме того, увеличенное содержание воздуха усиливает кавитационные процессы и приводит к эрозии поверхностей деталей, расположенных в зонах схлопывания пузырьков. Установлено, что 10% случаев выхода из строя аксиально-поршневых насосов в составе 140 приводов металлорежущих станков и строительных машин являлись следствием кавитации. Кавитационная эрозия, как показали расчеты и непосредственные измерения, вызвана высокими местными давлениями, достигающими 150 - 200 МПа и температурами порядка 100 - 1500[19]. На интенсивность кавитационного разрушения влияют свойства рабочих жидкостей, давление и температура. Исследования [21] показывают, что паровая кавитация значительно активнее вызывает эрозию поверхностей деталей гидрооборудования, чем смыкание газовых пузырьков. Наличие воды, кроме того, активизирует износ деталей гидрооборудования. Вода, совместно с с растворенным в жидкости кислородом, вызывает химические реакции, которые усиливают процессы трения за счет снижения антиизносных и антикоррозионных свойств масел. Это подтверждено исследованиями по определению влияния незначительного количества воды в маслах классов и на износ деталей пластинчатого насоса фирмы Wickers (Англия) типа (см. табл. 1)

Таблица 1 - Влияние воды в объеме 0,05% на износ пластинчатого насоса

Износ без воды в масле (Q=83 л/мин.), мг	40	60
Износ на масле в присутствии 0,05% воды	130	28500

Было также проведено испытание быстроходного поршневого насоса высокого давления (n = 3300 об/мин., Р = 35 МПа) на масле, содержащем 1% воды, при Т = 39. Через 200 часов в результате недопустимой коррозии бронзовых подпятников насос вышел из строя. В таблице 2 показаны результаты износа пары трения «сталь по стали», приведенные в той же работе [19]:

Таблица2 - Влияние кислорода и воды на износ пары трения «сталь по стали»

Рабочая жидкость	Износ, мг
	без кислорода и воды	без кислорода с 1% воды	с кислородом и с 1% воды
Минеральное масло с противоокислительной и антикоррозионной присадками	0,24	0,38	0,64

Наличие в жидкости нерастворенного воздуха приводит к недозаполнению рабочих камер насосов и снижению их производительности. Подсчитано, например, что при 5% содержании этой фазы объемный КПД насоса при давлении 20 МПа уменьшается примерно на 10%.

Воздух интенсифицирует кавитацию в дроссельных элементах гидроприводов, что влечет за собой снижение их расходных характеристик. Исследования по определению «критических» (срывных) режимов работы дросселирующих устройств на макетах насадок и моделях золотника и клапана с коническим запорным элементом на минеральных маслах, содержащих воздух, проведены в МВТУ им. Н.Е. Баумана. При небольших сечениях трубопроводов (особенно в местах промежуточных соединений) вследствие указанных причин могут образовываться воздушные пробки, и тогда движение газо-жидкостной фазы приобретает прерывистый (импульсный) характер. В процессе работы гидропривода газосодержание постоянно возрастает до некоторого равновесного состояния, определяемого свойствами жидкости и условиями эксплуатации привода. Последнее обстоятельство понижает жесткость гидросистем, приводит к прерывистому движению выходных звеньев, может вызвать нарушение устойчивости против автоколебаний и ухудшает динамические характеристики гидравлических следящих систем. Сжимаемость жидкости, обусловленная присутствием воздуха в быстродействующем приводе, увеличивает время срабатывания исполнительных механизмов. Это подтверждается исследованиями, проведенными во ВНИИГидропривод на машине литья под давлением модели 711А07. Привод эксплуатировался на огнестойкой жидкости «Промгидрол», имеющей низкий модуль упругости из-за наличия в нем 6% нерастворенного воздуха. В результате время подпрессовки увеличилось на 15 - 20%, что привело к остыванию металла в прессформе и снижению качества изделия - образованию неплотностей в отливке и раковин.

Сжимаемость жидкости, заполняющей рабочий объем исполнительного механизма, вызывает дополнительные затраты мощности, необходимой на ее сжатие. С увеличением рабочего объема гидродвигателя и скорости его срабатывания потери мощности увеличиваются. Например, при использовании рабочей жидкости с объемным модулем упругости = 1406 МПа в приводе с частотой срабатывания 100 Гц и гидроцилиндром с ходом 240 мм потеря мощности составит примерно 5 кВт на каждые 5,8 см площади поршня при давлении в системе 21 МПа.

Следует также отметить, что воздух и вода усиливают высокочастотные колебания давления в каналах гидрооборудования и трубопроводах, что способствует повышению шума в работающей гидросистеме.

Литературные данные свидетельствуют, что содержание паров воды в атмосфере существенно сказывается на величине износа пар трения [4]. В ряде работ получены противоречивые данные по влиянию влажности атмосферного воздуха на износ. Так, например, Нильд и Гриффин установили, что интенсивность изнашивания уменьшается с увеличением относительной влажности воздуха. Майлендер и Дис установили, что величина износа с влажностью увеличивается и лишь при больших нагрузках, в общем, не зависит от влажности. Зибель и Коблиц констатировали независимость износа от влажности. М. Финк установил, что износ в зависимости от влажности переходит через минимум. Причина такого расхождения заключается в различии методик испытаний и различия применяемых материалов. Так, например, Нильд и Гриффин испытывали два перекрещивающихся цилиндра. Верхний цилиндр совершал колебательные движения (94 в минуту) на угол 24, при нагрузке 40 кГс. В испытаниях использовались литейные и сварочные стали. Майлендер и Дис проводили испытания по схеме «тормозная колодка-вагонное колесо» для пары мягкое железо - хромистая сталь при различных давлениях и скорости скольжения 1 м/с. Г.Утц использовал машину Келя и Зибеля с максимальной нагрузкой 180 кГс, к которой был присоединен аппарат для увлажнения воздуха. Осушка воздуха проводилась путем пропуска его через силикагель. Опыты производились с мягким железом (НВ 123 - 142) и сталью 45 (НВ210 - 230), которые терлись по мягкому железу стали 45, каленой хромистой стали (НВ215 - 213), латуни при скорости 0,05 м/с и давлении 1 МПа. Часть опытов проведена им в вакууме, что особенно ценно, так как, сопоставляя результаты износа при одинаковом содержании водяных паров в вакууме и на воздухе, ему удалось разделить влияние кислорода, содержащегося в воздухе в присутствии водяного пара и водяного пара без кислорода воздуха. Автор показал, что достаточно следов воды (влажность 5%), как износ возрастает в 18 раз. Наличие кислорода воздуха, по его мнению, оказывает тормозящее действие на развитие износа. Г.Утц считает, что водяные пары являются поверхностно-активными веществами (ПАВ) и проявляющийся эффект П.А. Ребиндера вносит существенный вклад в рассматриваемое явление.

Из вышеизложенного следует, что подавляющее большинство исследователей склоняется к мнению об отрицательном воздействии воздуха и воды, присутствующих в зонах трения прецизионных пар, на их износ. Данные по качественному и количественному влиянию воды (влажности воздуха) сильно отличаются в зависимости от условий испытаний. В рассмотренных литературных источниках отмечается многообразие факторов, обусловливающих ухудшение работы гидрооборудования с маслом, содержащим воду и воздух. В целях расчета и прогноза изнашивания гидравлических машин из всего многообразия факторов необходимо выделить важнейшие механизмы воздействия воды и воздуха, содержащихся в масле, протекающие в характерных условиях эксплуатации гидравлических машин.

11. Влияние воды и воздуха, содержащихся в масле, на прочностные характеристики металлов

Данные исследований П.А. Ребиндера показали, что жидкости, в частности, вода, принимают активное участие в процессах разрушения твердых тел. Для объяснения разупрочняющего действия поверхностно-активных веществ в работах П.А. Ребиндера и его сотрудников предполагалось, что такие вещества адсорбируются на поверхности и мигрируют к вершине трещины, в результате чего создается большое давление, соответствующее давлению, развивающемуся в капиллярах. При дальнейшем развитии и уточнении механизма адсорбционного облегчения деформации и понижения прочности были использованы дислокационные модели. В основу таких моделей легло предположение об облегчении выхода дислокаций на свободную поверхность металла в результате внешней адсорбции среды, а также об активации поверхностно-активной средой источников генерирования дислокаций типа Франка - Рида.

В работах Г.В. Карпенко показано, что усталостная прочность сталей под воздействием ПАВ может существенно понижаться. Это явление Г.В. Карпенко объясняет в рамках адсорбционной теории прочности [8].

Несмотря на специфические особенности разрушения металлов при циклическом деформировании, М.И. Чаевский и В.Ф. Шатинский используют многие положения адсорбционного воздействия ПАВ при статическом нагружении для объяснения причин усталостных разрушений при циклическом нагружении[6]. По их мнению, ПАВ уменьшают силовое взаимодействие между атомами в вершине микротрещины, где концентрируются напряжения от внешних нагрузок, по сравнению с взаимодействием между атомами в объеме металла. Это, считают авторы, и может быть причиной облегченного развития микротрещины под воздействием ПАВ, вследствие чего значительно уменьшаются прочность и пластичность деформируемого металла. Адсорбционно-дислокационный механизм разрушения металла применительно к усталостному процессу при циклическом нагружении связан только со структурными факторами, прочность межатомной связи при этом остается неизменной. При деформировании в поверхностно-активной среде облегчается создание высоких локальных касательных напряжений, и зарождение сдвигов происходит при меньших приложенных напряжениях, чем при деформировании на воздухе. В этом, по мнению авторов, и может заключаться эффект пластифицирования, который проявляется в интенсификации процесса усталостного разрушения благодаря скоплению вакансий в плоскостях скольжения. Кроме того, поверхностно-активная среда, возбуждая источник генерирования дислокаций, способствует локальному росту не только касательных, но и нормальных напряжений на границе зерен металла. Повышение нормальных напряжений может вызвать образование микротрещины, которая под воздействием приложенных циклических напряжений начнет распространяться, постепенно выходя на поверхность. После выхода трещины на поверхность по ней начнет мигрировать поверхностно-активная среда, облегчая разрядку дислокаций по внутренним поверхностям раздела и активизируя внутренние источники дислокаций. В этом случае ПАВ, воздействуя на поликристаллический металл, способствует образованию микротрещин не на его поверхности, а в приповерхностных слоях.

Таким образом, при деформировании пластичного поликристаллического металла ПАВ способствуют зарождению трещины в плоскости скольжения, а при деформировании хрупкого металла - перед дислокациями, нагроможденными около препятствий.

В работе У. Ростокера и Х. Никольса[4, 5] показано, что, если в процессе проведения опыта (знакопеременное кручение) поверхностно-активная среда типа активированного масла (масло + олеиновая кислота) не загрязняется водой, усталостная прочность не понижается. На основе экспериментальных данных М.И. Чаевский делает вывод, что в случае загрязнения активированного масла парами влаги воздуха, масло превращается в своеобразный электролит. Поэтому действие активированного масла на деформируемый металл не связано с чисто физической адсорбцией поверхностно-активной среды. При этом следует учитывать химизм явления. М.И. Чаевский учитывает также диффузионный механизм разрушения, который происходит под воздействием расплавов легкоплавких металлов. Согласно работе [9], наиболее неблагоприятные последствия в стали могут вызвать примеси олова, висмута, свинца и сурьмы. Кроме того, металл может разупрочняться в результате своего взаимодействия с газами (водородом, кислородом).

Помимо адсорбционных эффектов и диффузионного механизма разрушения, в жидких агрессивных средах происходит коррозионно-усталостное растрескивание металлов. Коррозионные испытания армко-железа в литии показывают, что за тот сравнительно небольшой промежуток времени, в течение которого разрушаются образцы, значительное проникновение лития по границам зерен путем реактивной диффузии не происходит. Следовательно, причиной разрушения металла является не сам коррозионный процесс, а его совместное действие с локальными напряжениями.

В модели интеркристаллитного коррозионного растрескивания, предложенной В.Д. Робертсоном и А.С. Тетельманом[6], механизм коррозионного разрушения определяется двумя факторами:

1) избирательным и быстрым химическим воздействием вдоль граничных плоскостей, которое существенно уменьшает сопротивление разрушению границ;

2) концентрацией нормальных напряжений вдоль плоскости границы, вызываемой скоплением дислокаций.

Авторы [6] полагают, что напряжения косвенно определяют энергию деформации и, увеличивая химическую реактивность, удовлетворяют критерию Гриффитца вдоль охрупченной граничной плоскости. Однако это не объясняет сущности взаимодействия коррозионного процесса и действующих локальных напряжений, обусловливающих скачкообразный характер и большую скорость распространения трещин.

В основе предлагаемого М.И. Чаевским и В.Ф. Шатинским механизма постепенного коррозионного растрескивания при циклической нагрузке лежат представления об адсорбционном механизме роста локальных напряжений в приповерхностных слоях металла под воздействием среды. При медленном развитии одиночной трещины, после того, как длина ее станет равной размеру зерна, указанный механизм перестанет действовать. При одновременном росте нормально развивающихся трещин по границам зерен они могут способствовать взаимному развитию, т.е. совместно развивающиеся трещины, заполненные литием, как бы интенсифицируют развитие друг друга. Каждый скачок распространяющейся трещины захватывает значительную часть границы зерна, коррозионно не взаимодействовавшей с литием. По образовавшемуся каналу литий легко проникает вглубь металла, вступая снова в химическую реакцию с примесями по границам зерен. Этим можно объяснить быстрый рост трещин при коррозионном растрескивании. В процессе коррозионного растрескивания вблизи поверхности границы зерен не всегда располагаются так, что может действовать рассмотренный выше механизм, поэтому при коррозионном растрескивании получают развитие лишь отдельные трещины. Рассмотренный механизм, по мнению авторов [9], имеет место при достаточно больших действующих напряжениях. При более низких напряжениях коррозионное растрескивание контролируется скоростью реактивной диффузии. При рассмотрении модели коррозионного растрескивания на примере электролитических растворов авторы [9] распространяют ее на все типы сред, независимо от того, какой коррозионный фактор (химический, электрохимический или типа растворения) активируется прикладываемым механическим нагружением.

Вопрос о влиянии воды, содержащейся в минеральных смазочных маслах, на выносливость стали в процессе усталостных испытаний, исследовался многими авторами [2,6,10,11,12,13]. Однако единого взгляда на природу и степень влияния воды не сложилось. Наиболее подробно этот вопрос исследовался Г.В. Карпенко, который установил, что смазочный слой и другие поверхностно-активные среды вызывают адсорбционное снижение выносливости стали, по сравнению с выносливостью в воздухе [11]. Некоторые исследователи утверждают, что снижение выносливости стали в обводненном масле происходит только под влиянием примесей воды. Авторы работы [11] подчеркивают такое свойство воды, как ее «чрезвычайно высокая адсорбционная активность». В подтверждение приводится следующий пример. При циклической усталости высокопрочной стали в воде, поломки происходят на первых тысячах циклов нагружения, когда времени для развития электрохимического процесса явно недостаточно, однако выносливость в воде снижается на 50% по сравнению с ее уровнем на воздухе. Электронно-фрактографическое исследование изломов не выявило продуктов коррозии. При испытании на циклическую усталость на машинах типа НУ при чистом изгибе вращающихся образцов из стали в сухом воздухе, в обезвоженном бутиловом спирте, в воздухе лабораторного помещения, авторами получены кривые усталости, при анализе которых выявлено, что кривые усталости в спирте «аналогичны кривым, полученным при испытании в сухом воздухе». Авторы делают вывод, что обезвоженный бутиловый спирт влияет на усталостную прочность стали (как в области ограниченной выносливости, так и в области условного предела выносливости) адсорбционным путем. Для образцов из стали 40Х предел усталости в воздухе лабораторного помещения оказался на 4% меньше, чем в сухом воздухе. Авторы делают вывод, что при изучении адсорбционных эффектов необходимо учитывать влияние атмосферного воздуха на выносливость стали. Следует отметить, что содержание воды в спирте по данным [11] не превышало 0,1%. Сталь 40Х авторами испытывалась также в дистиллированной воде. Ими было отмечено, что дистиллированная вода сильнее снижает выносливость стальных гладких шлифованных образцов, чем образцов, имеющих какие-либо концентраторы напряжений (надрезы, трещины). Обезвоженный же спирт вызывает наибольшее снижение выносливости стали на образцах с трещинами. Из вышеуказанного можно сделать другой вывод, а именно, что характер воздействия на усталость металлов воды и спирта различен. По-видимому, по отношению к спиртам модель адсорбционного снижения прочности применима, если полностью исключить влияние содержащейся в них воды и воздуха. Если учесть, что в работе [11] допускалось содержание влаги в спирте до 0,1%, то понижение выносливости образца в спирте по сравнению с выносливостью в сухом воздухе может быть объяснено влиянием именно воды.

В.В. Романов считает, что в настоящее время отсутствуют достаточные основания для утверждения, сделанного Г.В. Карпенко, что в механизме коррозионной усталости существенное значение имеют поверхностно-активные элементы среды [12]. Эффект адсорбционного понижения циклической прочности проявляется далеко не всегда, поэтому В.В. Романов считает, что адсорбционно-электрохимическая гипотеза не имеет достаточно прямых экспериментальных обоснований. Он предлагает коррозионно-механическую гипотезу механизма коррозионной усталости металлов, которая включает электрохимический фактор. Причем В.В. Романов подчеркивает агрессивное влияние атмосферы, в частности, кислорода.

Х. Никольс и У. Ростокер[4, 5], проведя серию испытаний стали на растяжение при циклическом нагружении на машине типа «Болдуин» при частоте 1800 циклов в минуту, подтвердили выводы Г.В. Карпенко о том, что вода вызывает наиболее сильное снижение долговечности по сравнению со спиртами, олеиновой кислотой и маслами. Число циклов до разрушения при испытаниях в дистиллированной воде составило 0,6 - 0,8 млн при среднем напряжении 20 - 30 и максимальном 280 кГ/мм.

При использованной авторами [5] методике испытаний невозможно было предотвратить контакт исследуемой жидкости с атмосферным воздухом. В тех случаях, когда присутствие жидкости не вызывало разрушения стали, жидкость бралась из нового сосуда. Был сделан также еще один важный вывод о том, что уменьшение долговечности вызывает только растворенная вода. Для протекания электрохимического процесса необходим электролит. Разбавленные же растворы воды в органических жидкостях в лучшем случае проводят ток очень плохо. Эксперименты Х. Никольса и У. Ростокера подтвердили, что уменьшение долговечности на 20% слишком мало по сравнению с величиной использованных потенциалов (- 2 В, образец служит катодом). При анализе причин охрупчивающего действия воды авторы [5] предполагают три альтернативы: коррозия под напряжением, водородная хрупкость и адсорбционное понижение прочности. Коррозия под напряжением, по определению авторов, - это процесс коррозии или растворения, который сильно локализован возле дефектов поверхности и вершины растущей трещины и который ускоряется напряжениями или деформациями возле трещины. По своей природе коррозия под напряжением - электрохимический процесс, связанный с возникновением разности потенциалов между различными точками металла и с ионной проводимостью жидкой среды. Если потенциалы достаточно велики, то работа электрохимической ячейки может сопровождаться выделением водорода, адсорбцией водорода ферритом и последующим возникновением хрупкости. Коррозия и водородная хрупкость связаны с процессами электрохимического окисления и восстановления. Авторы не придают им определяющей роли. Влияние адсорбции поверхностно-активных веществ авторами дается под своеобразным углом зрения. По их мнению, взаимодействие металла с кислородом в виде двухатомных молекул происходит настолько сильно, что молекулярные связи разрываются, и образуется пленка окиси на поверхности металла. В молекуле воды атом кислорода прочно связан с двумя атомами водорода. Геометрия молекулы такова, что атом кислорода может внедриться между атомами железа на поверхности образца. С термодинамической точки зрения процесс восстановления ионизированной воды железом должен идти медленно и состояние физической адсорбции может существовать лишь ограниченное время. Эти условия, по мнению авторов, обеспечат непрерывное взаимодействие поверхности металла со средой, подобно тому, как это происходит в растущей трещине. Таким образом, адсорбция молекул воды может ослаблять силы сцепления между атомами железа. Легкая подвижность жидкости будет обеспечивать повторение разрыва атомных связей по мере продвижения трещины вглубь твердого тела. В этом процессе атом кислорода не отделяется от той молекулы воды, в состав которой он входил. Поэтому отсутствие эффектов понижения усталостной прочности в присутствии других полярных жидкостей с группами -ОН, -О- или =О связывается с тем, что эти жидкости не могут проникнуть в вершину хрупкой трещины, т.е. здесь играют роль чисто стерические препятствия.

В.Т. Степуренко, Г.Т. Проскуряков, М.Г. Сахаров и В.Н. Олейник [27, 28, 29] связывают снижение выносливости стали с электрохимическим коррозионным воздействием на металл воды и других агрессивных составляющих смазок. Причиной противоречий в объяснении характера влияния воды они считают «отсутствие унифицированной методики исследования, исключающей завуалированное коррозионное влияние углеводородной среды на выносливость». Связывая коррозионное влияние смазки с наличием воды, многие, тем не менее, допускают, что смазочные материалы в состоянии поставки практически коррозионно-нейтральны, а снижение выносливости металла в смазочных маслах объясняют только влиянием поверхностно-активных веществ. Для получения прямых данных о влиянии ПАВ и воды в минеральных смазочных маслах и о механизме влияния такой среды на выносливость стали авторы проводили испытания на усталость чистым изгибом при вращении (2840 об/мин.) шлифованных образцов из нормализованной стали 45. Испытания в масляной среде осуществлялись без доступа атмосферного воздуха. Результаты испытаний показали, что обезвоженные масла АС-8 и ИС-20 снижения выносливости стали не вызывают. Авторы делают вывод, что снижение циклической прочности стали перлитоферритной структуры не объясняется влиянием ПАВ. Они считают, что это снижение связано с проявлением коррозионного действия воды и других агрессивных веществ, содержащихся в масле. Для дополнительной проверки влияния воды ряд смазочных масел МВП, АС-8, ДИ-11, МС-20, ТАи-15 и нигрол обезвоживали, а затем добавляли воду в количествах 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5%. В результате экспериментов выяснилось, что содержащаяся в масле вода неизменно снижала выносливость стали, причем с увеличением ее концентрации до 2% это действие воды увеличивалось, а дальше оставалось примерно постоянным.

Авторы визуально наблюдали следы коррозии на образцах, испытанных в маслах с примесью воды от 0,5% и более. Интенсивность и равномерность протекания коррозионного процесса по рабочей поверхности образцов зависит от распределения и размеров частичек воды в масле, их насыщенности кислородом и величины приложенных нагрузок. По мнению авторов, об этом свидетельствует характерный многолопастный излом образцов. Многочисленные трещины усталости, так же, как и при испытании в других коррозионных средах, развиваются по всей рабочей части образцов, а окончательный излом является следствием развития нескольких трещин, расположенных в различных сечениях образца. Факт существенного влияния кислорода, растворенного в масле и примесях воды, на коррозионно-усталостный процесс авторы подтверждают опытом. В эмульсии масла МС-20 с одним и тем же количеством воды (1%) снижение предела усталости относительно масла в состоянии поставки различается почти вдвое, в зависимости от того, производилось ли перемешивание в атмосфере аргона (без предварительного удаления кислорода из масла) или на воздухе. Характер кривых усталости позволяет судить об интенсивности электрохимического процесса в устье трещины. При испытании в аэрированном масле МС-20, содержащем более 0,5% воды, коррозионный фактор, по мнению авторов, настолько существенен, что истинный предел усталостной прочности отсутствует. С увеличением концентрации воды от 0,5 до 5% наклон правой ветви кривой усталости к оси абсцисс увеличивается. Механизм понижения выносливости стали в смазочных минеральных маслах, содержащих влагу, В.Т. Степуренко и др. объясняют следующей схемой. В местах контакта капелек воды с поверхностью циклически деформируемого металла протекает локальный электрохимический процесс, вызывающий питтинговую коррозию. Питтинговые язвы, являясь первичными концентраторами напряжений, перерождаются со временем в усталостные микротрещины. Продолжительность и интенсивность развития коррозионных трещин усталости лимитируется объемом капелек воды и содержанием в них кислорода. После израсходования последнего дальнейшее развитие трещины усталости при отсутствии других коррозионных агентов протекает уже без коррозионного влияния среды, поэтому процесс усталостного разрушения металла не зависит от фактора времени. Этим авторы объясняют отсутствие наклона к оси абсцисс правой ветви кривой усталости стали в таких слабоагрессивных средах, как смазочные масла в состоянии поставки.

Таким образом, основными моделями, объясняющими снижение выносливости металлов в присутствии воды, являются адсорбционная модель и модель коррозии под напряжением. Причем большинство авторов подчеркивает отрицательное влияние атмосферного воздуха, содержащегося в среде, используемой при усталостных испытаниях. Представляется важным тот факт, что многими недооценивается влияние кавитационных процессов, по-видимому, имеющих место в процессе испытаний на выносливость металлов.



Список литературы

трение изнашивание сталь выносливость

1. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для студ.втузов/ [Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др.].- 2-е изд., перераб.- М.: Машиностроение, 2008.- 422 с.

2. Чугаев Роман Романович. Гидравлика: Учебник для вузов. - 4-е изд., доп. и перераб. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 2008. - 672 с.

3. Штеренлихт, Давид Вениаминович. Гидравлика.Учеб.длястуд-ов вузов по спец."Гидромелиорация".В 2 кн.Кн.1.- 2-е изд., перераб. и доп..- М.: Энергоатомиздат, 2006.- 349 с.

4. Штеренлихт, Давид Вениаминович. Гидравлика. Учеб. Для студ-ов вузов по спец."Гидромелиорация".В 2 кн.Кн.2.- 2-е изд., перераб. и доп..- М.: Энергоатомиздат, 2006.- 366 с.

5. Штеренлихт, Давид Вениаминович. Гидравлика: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2008. - 640 с.

Размещено на Allbest.ru