Раздражение - Galling

Цилиндрованная резьба на фитинге NPT .
Изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, показывает перенесенный листовой материал, накапливающийся на поверхности инструмента во время скользящего контакта в контролируемых лабораторных условиях. Вырост материала или локализованная шероховатость и образование выступов на поверхности инструмента обычно называют шишкой.
Повреждения на металлическом листе, форма износа или характерный рисунок не показывают прорыва оксидного поверхностного слоя, что указывает на перенос небольшого количества адгезивного материала и повреждение сплющивания поверхности листа. Это первая стадия переноса материала и накопления истирания.
Повреждения на металлическом листе представляют собой непрерывные линии или полосы, указывающие на прорыв оксидного поверхностного слоя.
Повреждение металлического листа или характерного рисунка иллюстрирует «неровную поверхность», изменение пластического поведения листового материала и связано с большим деформированным объемом по сравнению с простым сглаживанием поверхностных оксидов.

Истирание - это форма износа, вызванная адгезией между поверхностями скольжения. Когда материал истирается, часть его тянется за контактирующую поверхность, особенно если существует большое количество силы, сжимающей поверхности вместе. Истирание вызывается сочетанием трения и сцепления между поверхностями с последующим скольжением и разрывом кристаллической структуры под поверхностью. Как правило , это приводит к прилипанию материала или даже сварке трением к прилегающей поверхности, в то время как изрезанный материал может выглядеть выдолбленным из-за прилипших к его поверхности скомканных или разорванных комков материала.

Истирание чаще всего встречается на металлических поверхностях, находящихся в скользящем контакте друг с другом. Это особенно часто случается при недостаточной смазке между поверхностями. Однако некоторые металлы обычно более склонны к истиранию из-за атомной структуры их кристаллов. Например, алюминий - это металл, который очень легко истирается, тогда как отожженная (размягченная) сталь немного более устойчива к истиранию. Полностью закаленная сталь очень устойчива к истиранию.

Истирание - распространенная проблема в большинстве случаев, когда металлы скользят при контакте с другими металлами. Это может произойти независимо от того, являются ли металлы одинаковыми или разными. Такие сплавы , как латунь и бронза , часто выбирают для подшипников , втулок и других устройств скольжения из-за их устойчивости к истиранию, а также другим формам механического истирания .

Вступление

Истирание - это адгезионный износ , вызываемый микроскопическим переносом материала между металлическими поверхностями при поперечном движении (скольжении). Это часто происходит, когда металлические поверхности соприкасаются, скользят друг относительно друга, особенно при плохой смазке. Это часто происходит в приложениях с высокой нагрузкой и низкой скоростью, но также и в приложениях с высокой скоростью и очень небольшой нагрузкой. Заедание - распространенная проблема при формовании листового металла , подшипников и поршней в двигателях , гидроцилиндрах , пневмодвигателях и многих других промышленных операциях. Истирание отличается от выдолбления или царапания тем, что оно связано с видимым переносом материала, когда он слипается ( механически отслаивается ) от одной поверхности, оставляя его прилипшим к другой в виде приподнятого комка (галла). В отличие от других форм износа, истирание обычно не является постепенным процессом, а происходит быстро и быстро распространяется, поскольку выступающие шишки вызывают еще большее истирание. Это часто может происходить в винтах и ​​болтах, в результате чего резьба заедает и отрывается либо от крепежа, либо от отверстия. В крайних случаях болт может заедать без снятия резьбы, что может привести к поломке крепежа или инструмента, поворачивающего его. Резьбовые вставки из закаленной стали часто используются в таких металлах, как алюминий или нержавеющая сталь, которые легко истираются.

Истирание требует двух свойств, общих для большинства металлов: сцепления за счет притяжения металлических связей и пластичности (способности деформироваться без разрушения). На склонность материала к заеданию влияет его пластичность . Как правило, затвердевшие материалы более устойчивы к истиранию, тогда как более мягкие материалы того же типа будут истирать легче. На склонность материала к образованию галлов также влияет конкретное расположение атомов, поскольку кристаллы, расположенные в гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке, обычно допускают перенос материала в большей степени, чем объемно-центрированная кубическая (ОЦК). . Это связано с тем, что гранецентрированный кубик имеет большую тенденцию к образованию дислокаций в кристаллической решетке, которые являются дефектами, которые позволяют решетке сдвигаться или «поперечное скольжение», что делает металл более склонным к истиранию. Однако, если металл имеет большое количество дефектов упаковки (различие в последовательности укладки между атомными плоскостями), он будет менее склонен к поперечному скольжению на дислокациях. Следовательно, сопротивление материала истиранию обычно определяется его энергией дефекта упаковки . Материал с высокой энергией дефекта упаковки, такой как алюминий или титан , будет гораздо более восприимчив к истиранию, чем материалы с низкой энергией дефекта упаковки, такие как медь , бронза или золото . Напротив, материалы с гексагональной плотноупакованной структурой (HCP) и высоким отношением c / a , такие как сплавы на основе кобальта , чрезвычайно устойчивы к истиранию.

Изначально истирание происходит при переносе материала с отдельных зерен в микроскопическом масштабе, которые прилипают или даже привариваются диффузионной сваркой к прилегающей поверхности. Этот перенос может быть улучшен, если один или оба металла образуют тонкий слой твердых оксидов с высокими коэффициентами трения , например, на алюминии или нержавеющей стали. По мере того как комок растет, он прижимается к соседнему материалу и начинает раздвигать его, концентрируя большую часть тепловой энергии трения на очень небольшой площади. Это, в свою очередь, вызывает большую адгезию и нарастание материала. Локализованное тепло увеличивает пластичность заделанной поверхности, деформируя металл, до тех пор, пока комок не прорвется через поверхность и не начнет вспахивать большие количества материала с зазорованной поверхности. Способы предотвращения истирания включают использование смазочных материалов, таких как консистентная смазка и масло , покрытий с низким коэффициентом трения и тонкопленочных отложений, таких как дисульфид молибдена или нитрид титана , а также повышение поверхностной твердости металлов с помощью таких процессов, как поверхностная закалка и индукционная закалка .

Механизм

В инженерных науках и других технических аспектах широко распространен термин истирание. Влияние ускорения в зоне контакта между материалами было математически описано и коррелировано с проявленным механизмом трения, обнаруженным в дорожках во время эмпирических наблюдений за явлением истирания. Из-за проблем с предыдущими несовместимыми определениями и методами испытаний, более совершенные средства измерений в координации с более глубоким пониманием задействованных механизмов трения привели к попытке стандартизировать или переопределить термин истирание для обеспечения более широкого использования. ASTM International сформулировала и установила общее определение технического аспекта явления истирания в стандарте ASTM G40: «Истирание - это форма повреждения поверхности, возникающая между скользящими твердыми телами, отличающаяся микроскопическими, обычно локализованными, шероховатостями и образованием выступов (например, : комочки) над исходной поверхностью ».

Когда две металлические поверхности прижимаются друг к другу, начальное взаимодействие и точки сопряжения представляют собой неровности или высокие точки, обнаруженные на каждой поверхности. Неровность может проникнуть через противоположную поверхность при сходящемся контакте и относительном движении. Контакт между поверхностями вызывает трение или пластическую деформацию и вызывает давление и энергию в небольшой области, называемой зоной контакта.

Повышение давления увеличивает плотность энергии и уровень тепла в деформированной области. Это приводит к большей адгезии между поверхностями, что инициирует перенос материала, нарастание заедания, рост комков и образование выступов над исходной поверхностью.

Если комок (или выступ перенесенного материала на одну поверхность) вырастает до высоты нескольких микрометров , он может проникнуть в противоположный поверхностный оксидный слой и вызвать повреждение нижележащего материала. Повреждение сыпучего материала является предпосылкой для пластического течения, которое обнаруживается в деформированном объеме, окружающем комок. Геометрия и скорость куска определяют, как текущий материал будет перемещаться, ускоряться и замедляться вокруг куска. Этот поток материала имеет решающее значение при определении контактного давления, плотности энергии и развиваемой температуры во время скольжения. Таким образом, математическая функция, описывающая ускорение и замедление движущегося материала, определяется геометрическими ограничениями, выведенными или заданными контуром поверхности глыбы.

Если соблюдаются правильные условия, такие как геометрические ограничения куска, накопление энергии может вызвать явное изменение в контакте материалов и пластическом поведении; обычно это увеличивает адгезию и силу трения, необходимую для дальнейшего движения.

При трении скольжения повышенное сжимающее напряжение пропорционально увеличению потенциальной энергии и температуры в зоне контакта. Причинами накопления энергии во время скольжения может быть уменьшение потерь энергии вдали от зоны контакта из-за небольшой площади поверхности на границе поверхности и, следовательно, низкой теплопроводности. Другая причина - это энергия, которая постоянно нагнетается в металлы и является продуктом ускорения и давления. Совместно эти механизмы позволяют постоянно накапливать энергию, вызывая повышенную плотность энергии и температуру в зоне контакта во время скольжения.

Процесс и контакт можно сравнить с холодной сваркой или сваркой трением , потому что холодная сварка не является действительно холодной, а в точках плавления наблюдается повышение температуры и плотности энергии, обусловленное приложенным давлением и пластической деформацией в зоне контакта.

Заболеваемость и местонахождение

Истирание часто наблюдается между металлическими поверхностями, где произошел прямой контакт и относительное движение. Формовка листового металла , изготовление резьбы и другие промышленные операции могут включать движущиеся части или контактные поверхности из нержавеющей стали, алюминия, титана и других металлов, естественное развитие внешнего оксидного слоя которых в результате пассивирования увеличивает их коррозионную стойкость, но делает их особенно восприимчивыми к истиранию. .

В металлообработке, которая включает резку (в первую очередь токарную и фрезерную), истирание часто используется для описания явления износа, возникающего при резке мягкого металла. Рабочий материал переносится на резак и образует «комок». Образовавшаяся глыба изменяет поведение контакта между двумя поверхностями, что обычно увеличивает адгезию, сопротивление дальнейшему резанию и, из-за создаваемых вибраций, может быть слышно как отчетливый звук.

Заедание часто происходит с соединениями алюминия и является частой причиной поломки инструмента. Алюминий - пластичный металл, что означает, что он относительно легко обладает способностью к пластическому течению, что предполагает относительно стабильную и большую пластичную зону.

Высокая пластичность и текучесть материала можно рассматривать как общую предпосылку чрезмерного переноса материала и истирания, поскольку нагрев трением тесно связан со структурой пластичных зон вокруг проникающих объектов.

Истирание может происходить даже при относительно низких нагрузках и скоростях, поскольку именно реальная плотность энергии в системе вызывает фазовый переход, который часто приводит к увеличению переноса материала и более высокому трению.

Профилактика

Обычно существуют две основные системы трения, которые влияют на адгезионный износ или истирание: контакт с твердой поверхностью и контакт со смазкой. Что касается предотвращения, они действуют по-разному и предъявляют разные требования к структуре поверхности, сплавам и кристаллической матрице, используемым в материалах.

В контакте с твердой поверхностью или в условиях без смазки начальный контакт характеризуется взаимодействием между неровностями и проявлением двух разных видов притяжения: когезионная поверхностная энергия или молекулы соединяют и склеивают две поверхности вместе, в частности, даже если они разделены измеримое расстояние. Прямой контакт и пластическая деформация создают другой тип притяжения за счет образования пластической зоны с текущим материалом, где индуцированная энергия, давление и температура позволяют связываться между поверхностями в гораздо большем масштабе, чем когезионная поверхностная энергия.

В металлических соединениях и формовании листового металла неровности обычно представляют собой оксиды, а пластическая деформация в основном состоит из хрупкого разрушения , которое предполагает очень небольшую пластическую зону. Накопление энергии и температуры низкое из-за прерывистости механизма разрушения. Однако во время первоначального контакта неровностей с неровностями частицы износа или кусочки неровностей прилипают к противоположной поверхности, создавая микроскопические, обычно локализованные шероховатости и выступы (фактически, комки) над исходной поверхностью. Перенесенные частицы износа и комки проникают в противоположный поверхностный слой оксида и вызывают повреждение основного сыпучего материала, продвигая его вперед. Это обеспечивает непрерывную пластическую деформацию, пластическое течение, а также накопление энергии и температуры. Предотвращение переноса адгезивного материала достигается следующими или аналогичными подходами:

  • Низкотемпературная науглероживающая обработка, такая как Kolsterising, может устранить истирание аустенитных нержавеющих сталей за счет повышения твердости поверхности до 1200 HV0,05 (в зависимости от основного материала и состояния поверхности).
  • Менее когезионное или химическое притяжение между поверхностными атомами или молекулами.
  • Предотвращение непрерывной пластической деформации и пластического течения, например, через более толстый оксидный слой на исследуемом материале при формовании листового металла (SMF).
  • Покрытия, нанесенные на рабочий инструмент SMF, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) или физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и покрытия из нитрида титана (TiN) или алмазоподобного углерода, демонстрируют низкую химическую реакционную способность даже при высоком фрикционном контакте, где исследуемый материал защитный оксидный слой нарушен, а фрикционный контакт отличается непрерывной пластической деформацией и пластическим течением.

Смазываемый контакт предъявляет другие требования к структуре поверхности задействованных материалов, и основная проблема заключается в сохранении защитной толщины смазки и во избежание пластической деформации. Это важно, потому что пластическая деформация повышает температуру масла или смазочной жидкости и изменяет вязкость. Любой возможный перенос материала или образование выступов над исходной поверхностью также уменьшит способность сохранять защитную толщину смазки. Правильная толщина защитной смазки может поддерживаться или поддерживаться за счет:

  • Поверхностные полости или небольшие отверстия могут создать благоприятную геометрическую ситуацию для масла, чтобы сохранить защитную толщину смазки в зоне контакта.
  • Силы сцепления на поверхности могут увеличивать химическое притяжение между поверхностью и смазочными материалами и увеличивать толщину смазки.
  • Присадки к маслу могут снизить склонность к истиранию или адгезионному износу.

Смотрите также

Рекомендации