Раздражение - Galling
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
- Трибология - наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
- Реология - Изучение течения вещества, прежде всего в жидком состоянии.
- Поверхностная инженерия - изменение свойств твердых поверхностей.
- Штифт на дисковом трибометре