раздражение

Истирание — это форма износа, вызванная сцеплением между поверхностями скольжения. Когда материал истирается, часть его притягивается к контактирующей поверхности, особенно если существует большая сила, сжимающая поверхности вместе. ^[1] Истирание вызвано сочетанием трения и сцепления между поверхностями с последующим скольжением и разрывом кристаллической структуры под поверхностью. ^[2] Обычно это приводит к тому, что часть материала прилипает или даже приваривается трением к прилегающей поверхности, тогда как испорченный материал может выглядеть раздолбленным со скомканными или разорванными комками материала, прилипшими к его поверхности.

Истирание чаще всего встречается на металлических поверхностях, находящихся в скользящем контакте друг с другом. Это особенно распространено при недостаточной смазке между поверхностями. Однако некоторые металлы, как правило, 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 является распространенной проблемой в большинстве случаев, когда металлы скользят при контакте с другими металлами. Это может произойти независимо от того, одинаковые или разные металлы. Такие сплавы, как латунь и бронза, часто выбирают для изготовления подшипников , втулок и других устройств скольжения из-за их устойчивости к истиранию, а также к другим формам механического истирания .

Введение

Истирание – это адгезионный износ , вызванный микроскопическим переносом материала между металлическими поверхностями при поперечном движении (скольжении). Это часто происходит всякий раз, когда металлические поверхности соприкасаются и скользят друг по другу, особенно при плохой смазке. Это часто происходит в высоконагруженных и низкоскоростных приложениях, хотя также может возникать и в высокоскоростных приложениях с очень небольшой нагрузкой. Истирание является распространенной проблемой при формовке листового металла , подшипниках и поршнях двигателей , гидравлических цилиндрах , пневматических двигателях и многих других промышленных операциях. Истирание отличается от выдалбливания или царапания тем, что оно включает в себя видимый перенос материала, поскольку он прилипает ( механически отслаивается ) от одной поверхности, оставляя его прилипшим к другой в виде приподнятого комка (нагара). В отличие от других форм износа, истирание обычно не является постепенным процессом, а происходит быстро и быстро распространяется, поскольку выступающие выступы вызывают еще большее истирание.Это часто может произойти с винтами и болтами, в результате чего резьба заедает и вырывается из крепежа или отверстия. В крайних случаях болт может заклинить без снятия резьбы, что может привести к поломке крепежа, инструмента или того и другого. Резьбовые вставки из закаленной стали часто используются для металлов, таких как алюминий или нержавеющая сталь , которые легко истираются. ^[3]

Для истирания необходимы два свойства, общие для большинства металлов: сцепление за счет притяжения металлических связей и пластичность (способность деформироваться без разрушения). На склонность материала к истиранию влияет пластичность материала. Обычно закаленные материалы более устойчивы к истиранию, тогда как более мягкие материалы того же типа быстрее истираны. На склонность материала к галлу также влияет специфическое расположение атомов, поскольку кристаллы, расположенные в гранецентрированной кубической (FCC) решетке, обычно обеспечивают перенос материала в большей степени, чем объемноцентрированная кубическая (BCC). . Это связано с тем, что гранецентрированный кубик имеет большую склонность к образованию дислокаций в кристаллической решетке, которые являются дефектами, которые позволяют решетке смещаться или «перекрестно смещаться», делая металл более склонным к истиранию. Однако, если металл имеет большое количество дефектов упаковки (разница в последовательности упаковки между атомными плоскостями), он будет менее склонен к поперечному скольжению на дислокациях. Таким образом, устойчивость материала к истиранию в первую очередь определяется его энергия дефекта упаковки . Материал с высокой энергией дефекта упаковки, такой как алюминий или титан , будет гораздо более подвержен истиранию, чем материалы с низкой энергией дефекта упаковки, такие как медь , бронза или золото . И наоборот, материалы с гексагональной плотноупакованной структурой (HCP) и высоким соотношением C/A , такие как кобальта на основе сплавы , чрезвычайно устойчивы к истиранию. ^[4]

Первоначально истирание происходит при переносе материала с отдельных зерен микроскопического масштаба, которые прилипают или даже диффузионно привариваются к прилегающей поверхности. Этот перенос можно усилить, если один или оба металла образуют тонкий слой твердых оксидов с высокими коэффициентами трения , например, на алюминии или нержавеющей стали. По мере роста комка он давит на соседний материал, раздвигая его и концентрируя большую часть тепловой энергии трения на очень маленькой площади. Это, в свою очередь, приводит к усилению адгезии и налипанию материала. Локализованное тепло увеличивает пластичность испорченной поверхности, деформируя металл до тех пор, пока комок не прорвется через поверхность и не начнет выпахивать большое количество материала с испорченной поверхности. Методы 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 увеличение поверхностной твердости металлов с помощью таких процессов, как цементация. 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 соотнесено с механизмом трения, обнаруженным в гусеницах во время эмпирических наблюдений явления истирания. Из-за проблем с предыдущими несовместимыми определениями и методами испытаний более совершенные средства измерений в сочетании с более глубоким пониманием задействованных механизмов трения привели к попытке стандартизировать или переопределить термин «истирание», чтобы обеспечить более широкое использование. ASTM International сформулировала и установила общее определение технического аспекта явления истирания в стандарте ASTM G40: «Истирание — это форма повреждения поверхности, возникающая при скольжении твердых тел, отличающаяся микроскопическим, обычно локализованным, шероховатостью и образованием выступов (например, , комочки) над исходной поверхностью». ^[5]

Когда две металлические поверхности прижимаются друг к другу, начальным взаимодействием и точками соприкосновения являются неровности или выступы, находящиеся на каждой поверхности. Неровность может проникнуть в противоположную поверхность при наличии сходящегося контакта и относительного движения. Контакт между поверхностями вызывает трение или пластическую деформацию и вызывает давление и энергию на небольшой площади, называемой зоной контакта.

Повышение давления увеличивает плотность энергии и уровень тепла в деформированной области. Это приводит к усилению сцепления между поверхностями, что приводит к переносу материала, образованию истираний, росту комков и образованию выступов над исходной поверхностью.

Если комок (или выступ перенесенного материала на одну поверхность) вырастет до высоты нескольких микрометров противоположной , он может проникнуть в оксидный слой поверхности и вызвать повреждение основного материала. Повреждение сыпучего материала является предпосылкой возникновения пластического течения в деформированном объеме, окружающем комок. Геометрия и скорость куска определяют, как текущий материал будет транспортироваться, 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 текущего материала, определяется геометрическими ограничениями, выведенными или заданными контуром поверхности куска.

Если соблюдены правильные условия, такие как геометрические ограничения куска, накопление энергии может вызвать явное изменение контактного и пластического поведения материала, увеличивая силу трения, необходимую для адгезии и дальнейшего движения.

При трении скольжения увеличение напряжения сжатия пропорционально увеличению потенциальной энергии и температуры внутри зоны контакта. Накопление энергии при скольжении позволяет уменьшить потери энергии из зоны контакта за счет малой площади поверхности на границе поверхности и, следовательно, низкой теплопроводности. Другая причина — энергия, постоянно проникающая в металлы, которая является продуктом ускорения и давления. В совокупности эти механизмы обеспечивают постоянное накопление энергии, вызывая увеличение плотности энергии и температуры в зоне контакта во время скольжения.

Этот процесс и контакт можно сравнить с холодной сваркой или сваркой трением, поскольку холодная сварка не является по-настоящему холодной, а в точках плавления наблюдается увеличение температуры и плотности энергии в результате приложенного давления и пластической деформации в зоне контакта.

Заболеваемость и местоположение

Истирание часто наблюдается между металлическими поверхностями, где произошел прямой контакт и относительное движение. Формовка листового металла , производство 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 посредством пассивации повышает их коррозионную стойкость, но делает их особенно восприимчивыми. чтобы раздражать. ^[6]

В металлообработке, включающей резку (в основном токарную и фрезерную обработку), истирание часто используется для описания явления износа, возникающего при резке мягкого металла. Рабочий материал переносится на фрезу и образует «комок». Образовавшийся комок меняет поведение контакта между двумя поверхностями, что обычно увеличивает адгезию и устойчивость к дальнейшему резанию, а из-за создаваемых вибраций его можно услышать как отчетливый звук.

Истирание часто происходит при использовании соединений алюминия и является частой причиной поломки инструмента. Алюминий — пластичный металл, а это означает, что он относительно легко обладает способностью к пластическому течению, что предполагает относительно постоянную и значительную пластическую зону.

Высокую пластичность и текучесть материала можно считать общей предпосылкой чрезмерного переноса материала и истирания, поскольку фрикционный нагрев тесно связан со структурой пластических зон вокруг проникающих предметов.

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 увеличению трения.

Профилактика

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

При контакте с твердой поверхностью или в условиях отсутствия смазки первоначальный контакт характеризуется взаимодействием между неровностями и проявлением двух разных видов притяжения: энергии сцепления поверхности или молекул, которые соединяют и склеивают две поверхности вместе, особенно даже если их разделяет измеримое расстояние. их. Прямой контакт и пластическая деформация создают другой тип притяжения за счет образования пластической зоны с текущим материалом, где индуцированная энергия, давление и температура позволяют связывать поверхности в гораздо большем масштабе, чем энергия сцепления поверхности.

В металлических соединениях и штамповке листового металла неровности обычно представляют собой оксиды, а пластическая деформация в основном состоит из хрупкого разрушения , что предполагает очень небольшую пластическую зону. Накопление энергии и температуры невелико из-за неоднородности механизма разрушения.Однако во время первоначального контакта шероховатостей/неровностей остатки износа или кусочки неровностей прилипают к противоположной поверхности, создавая микроскопическое, обычно локализованное, шероховатость и образование выступов (фактически комков) над исходной поверхностью. Перенесенные частицы износа и комки проникают в противоположный оксидный поверхностный слой и вызывают повреждение нижележащего сыпучего материала, продвигая его вперед. Это обеспечивает непрерывную пластическую деформацию, пластическое течение и накопление энергии и температуры.Предотвращение переноса адгезивного материала достигается с помощью следующих или аналогичных подходов:

Низкотемпературная цементация, такая как кольстеризация, может устранить истирание аустенитных нержавеющих сталей за счет увеличения твердости поверхности до 1200 HV0,05 (в зависимости от основного материала и состояния поверхности). ^[7]
Менее когезионное или химическое притяжение между поверхностными атомами или молекулами.
Избегайте непрерывной пластической деформации и пластического течения, например, через более толстый оксидный слой на обрабатываемом материале при формовке листового металла (SMF).
Покрытия, нанесенные на рабочий инструмент SMF, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) или физическое осаждение из паровой фазы (PVD), а также покрытия из нитрида титана (TiN) или алмазоподобного углерода, проявляют низкую химическую активность даже при высокоэнергетическом фрикционном контакте, когда материал объекта защитный оксидный слой нарушается, а фрикционный контакт отличается непрерывной пластической деформацией и пластическим течением.

Смазываемый контакт предъявляет другие требования к структуре поверхности задействованных материалов, и основной проблемой является сохранение толщины защитной смазки и предотвращение пластической деформации. Это важно, поскольку пластическая деформация повышает температуру масла или смазочной жидкости и изменяет вязкость. Любое возможное перемещение материала или образование выступов над исходной поверхностью также уменьшит способность сохранять толщину защитной смазки. Правильную толщину защитной смазки можно обеспечить или сохранить за счет:

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

См. также

Трибология - наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
Реология - изучение течения вещества, преимущественно в жидком состоянии.
Поверхностная инженерия - Изменение свойств твердых поверхностей.
Дисковый трибометр со штифтом — прибор, измеряющий трение и износ между поверхностями.

Ссылки

^ Будински, Кеннет; Будински, Стивен (2015). «Интерпретация искажающих тестов» . Носить . 332 (1): 1185–1192. дои : 10.1016/j.wear.2015.01.022 .
^ Дохда, Куниаки (2021). «Истирательные явления при обработке металлов давлением» . Трение . 9 (4): 665–685. дои : 10.1007/s40544-020-0430-z . S2CID 228815215 .
^ Соединительный узел механического крепления Джеймса А. Спека - Марсель Деккер, 1997 г., стр. 128
^ Разработка поверхности для обеспечения устойчивости к коррозии и износу , Дж. Р. Дэвис - ASM International, 2001, стр. 76
^ Стандарт ASTM G40 (2006 г.)
^ «Истирание/заклинивание/замерзание нержавеющей стали» . Estainlesssteel.com . Проверено 4 ноября 2013 г.
^ Поверхностная закалка нержавеющих сталей методом кольстеризации, автор Гюмпель П. - Университет прикладных наук, Констанц, Германия AIJSTPME (2012) 5 (1): 11-18 (PDF)

[1] Будински, Кеннет; Будински, Стивен (2015). «Интерпретация искажающих тестов» . Носить . 332 (1): 1185–1192. дои : 10.1016/j.wear.2015.01.022 .

[2] Дохда, Куниаки (2021). «Истирательные явления при обработке металлов давлением» . Трение . 9 (4): 665–685. дои : 10.1007/s40544-020-0430-z . S2CID 228815215 .

[3] Соединительный узел механического крепления Джеймса А. Спека - Марсель Деккер, 1997 г., стр. 128

[4] Разработка поверхности для обеспечения устойчивости к коррозии и износу , Дж. Р. Дэвис - ASM International, 2001, стр. 76

[5] Стандарт ASTM G40 (2006 г.)

[6] «Истирание/заклинивание/замерзание нержавеющей стали» . Estainlesssteel.com . Проверено 4 ноября 2013 г.

[7] Поверхностная закалка нержавеющих сталей методом кольстеризации, автор Гюмпель П. - Университет прикладных наук, Констанц, Германия AIJSTPME (2012) 5 (1): 11-18 (PDF)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]