Изнашивание неподвижных соединений (фреттинг-коррозия) (стр. 2 )

Увеличение температуры может происходить и непосредственно в результате трения. Ряд исследователей, учитывая низкую скорость проскальзывания, отрицают возможность существенного местного разогрева образцов, подвергающихся фреттинг-коррозии, однако, как показывают исследования других, нагревание может быть значительным (до 700 ºС), что подтверждают структурные изменения поверхностных слоев стали, образование белых твердых нетравящихся структур на поверхности каверн под воздействием температуры.

Значительное влияние на развитие процессов фреттинг-коррозии, а следовательно, и износостойкость материалов, оказывает коррозионная активность среды. Причем степень зависимости интенсивности фреттинг-коррозии от коррозионной активности среды связана с химической активностью металла. Например, в газообразном азоте или гелии удельный массовый износ снижается по сравнению с воздушной средой, но одновременно увеличивается шероховатость в результате схватывания и пререноса материала с одной поверхности на другую.

В связи с тем, что выход из зоны трения продуктов изнашивания в условиях работы неподвижных трибосопряжений затруднен, существенное влияние на интенсивность изнашивания оказывает абразивная стойкость продуктов износа.

Нет однозначного мнения по поводу влияния на интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии влажности. С одной стороны, повышение влажности может способствовать увеличению скорости коррозионных процессов, а с другой, - повышение влажности воздуха может приводить к снижению скорости изнашивания. Уменьшение интенсивности изнашивания при увеличении влажности может быть связано с гидротацией окислов и вымыванием продуктов изнашивания из зоны сопряжения деталей. В то же время адсорбирующаяся на поверхности вода оказывает смазывающее воздействие.

Известно, что на износостойкость деталей большинства узлов трения практически всегда существенное влияние оказывает твердость материала деталей. И в случае, когда разрушение происходит в результате фреттинг-коррозии, большая твердость является благоприятным фактором, но между твердостью металлов и их фреттингостойкостью нет определенной связи. Сопротивляемость разрушению при этом виде изнашивания в значительной степени зависит от таких свойств материалов, как циклическая прочность, коррозионная активность, упруговязких свойств. При низкой твердости металла с повышением шероховатости контактирующих поверхностей износ возрастает, а в условиях смазки с понижением класса шероховатости поверхности ее фреттингостойкость повышается, так как микровпадины являются естественными микромасленками, кроме того в них собираются продукты износа.

Повреждения от фреттинг-коррозии проявляются в виде натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных порошкообразным продуктом коррозии, полос или канавок локального износа, а также поверхностных микротрещин. Основным признаком разрушения в результате фреттинг-коррозии является образование на сопрягающихся поверхностях мелких язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка.

Таким образом, следует помнить, что интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии увеличивается с ростом нагрузки, амплитуды и частоты колебаний, с возрастанием относительного проскальзывания, изменением объемной температуры.

2.  Механизм изнашивания

Наиболее типичным для изнашивания неподвижных соединений в результате фреттинг-коррозии является коррозионно-усталостное разрушение. Практически всеми отмечается наличие пленок окислов на поверхности трения и в складках деформационного рельефа. Ослабление посадок с натягом часто происходит в результате выпадения порошков износа из зоны трения.

На поверхностях, подверженных фреттингу, может возникать схватывание, микрорезание, а также усталостное разрушение микрообъемов материала. Разрушение поверхностей в результате фреттинг-коррозии увеличивается с ростом продолжительности работы сопряжения.

Фреттинг-коррозия характеризуется как особая форма износа, имеющая, по условиям возникновения и характеру проявления, следующие отличия:

-  вследствие малой амплитуды смещений удаление продуктов износа из зоны трения затруднено и повреждения при фреттинг-коррозии локализованы на площадках фактического контакта;

-  скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей намного ниже традиционных скоростей однонаправленного трения скольжения. Так, при амплитуде скольжения 0,025 мм и частоте колебаний 30 Гц максимальная скорость равна 4,7 мм/с, а средняя скорость 3 мм/с.

Наиболее распространенным представлением об особенностях и механизме изнашивания неподвижных соединений является то, что вследствие малых амплитуд перемещений повреждения сосредоточены на небольших площадках действительного контакта, а продукты износа обычно не могут выйти из зоны трения, в результате чего возникает высокое давление и увеличивается абразивное воздействие продуктов износа на основной металл. Кристаллическая решетка поверхностных слоев под действием сил трения при циклических тангенциальных смещениях разрушается. Происходит диспергирование поверхности без удаления продуктов износа. Размеры частиц сопоставимы с атомными. Продукты износа подвергаются окислению. Разрушение окисных пленок в основном происходит в результате действия не нормальных, а тангенциальных сил. Разрушению способствует и схватывание сопряженных поверхностей. Деформация и разрыв мостиков сварки приводят к отрыву отдельных атомов от кристаллической решетки и могут служить источником зарождения усталостных трещин. Так как разрушению поверхности предшествует образование окисных пленок на поверхности трения, то напряженное состояние и пластическая деформация поверхностных слоев могут оказывать каталитическое воздействие и интенсифицировать процессы коррозии. Окисленные продукты износа занимают больший объем, чем исходные структуры, что приводит к местному увеличению давления. Это способствует увеличению скорости изнашивания и возникновению питтингов. Окислы, обладая более высокой твердостью, чем исходные структуры, оказывают абразивное воздействие на поверхности трения. Для разрушения окисной пленки необходимо от нескольких циклов, до нескольких десятков циклов перемещений; для отслоения тонких чешуек металла необходимо - от нескольких десятков, до нескольких сотен циклов перемещений, а для разрушения локальных объемов поверхностных слоев, в соответствии с механизмом малоцикловой усталости, - от нескольких тысяч циклов, - до 2·105 циклов.

Скорость восстановления окисной пленки во многом зависит от температуры рекристаллизации, которая, в свою очередь, связана с реакционной активностью металла. На начальной стадии развития фреттинг-коррозии, когда коррозионный фактор еще не проявляется в полной мере, разрушение окисных пленок преобладает над их восстановлением, и велика вероятность взаимодействия ювинильных поверхностей. В этом случае, чем больше площадь контакта, определяемая пластической текучестью металла, тем выше прочность адгезионных связей. Это объясняется тем, что металлы, обладающие более высокой твердостью, имеют более высокие модули упругости, и, соответственно, легче разделяются при снятии нормальной нагрузки. Одним из значимых факторов, способствующих снижению адгезии, является деформационное упрочнение, которое во многом определяется миграцией и перераспределением легирующих элементов в поверхностном слое, их более высокой химической активностью. Таким образом, механизм образования адгезионных связей представляется более сложным процессом, чем простое схватывание и наклеп, за которым следует упругое поглощение напряжений в подложке.

Механизм изнашивания на ранней стадии развития фреттинг-коррозии определяется тем, что под действием тангенциальных сил, вследствие разрушения окисных пленок, адгезия резко возрастает и при относительном перемещении тел происходит разрыв образовавшихся связей. Это сопровождается деформацией в зоне фактического контакта. Из-за деформации возникают силы, действующие под углом к поверхности. При смене направления перемещения на противоположное угол среза переносится на противоположную грань и в процесс изнашивания вовлекается новый объем материала. В дальнейшем адгезия снижается, благодаря деформационному упрочнению поверхностных слоев, а области пересечения плоскостей скольжения являются источниками микротрещин, распространяющихся в плоскости главных напряжений. Так как отслоение происходит под некоторым углом к поверхности раздела, то возникающая тангенциальная сила выдавливает расслоившийся металл в свободную зону. Разрушение локальных объемов поверхностных слоев происходит по принципу многоцикловой усталости. Коррозионная среда, попадая в микротрещины, инициирует коррозионные процессы и стимулирует развитие микротрещин, которые могут перерастать в магистральные трещины, приводящие к износу от разрушения локальных объемов поверхностного слоя.

Значительное, часто определяющее влияние на механизм изнашивания оказывает амплитуда относительного перемещения контактирующих деталей. При малых амплитудах скольжения (до 30 мкм) механизм изнашивания определяется усталостными явлениями в локальных объемах поверхностного слоя, инициируемых коррозионными процессами на межзеренных границах. Увеличение амплитуды микроперемещений (более 100 мкм) приводит к изменению механизма изнашивания, который теперь обусловлен отслоением тонких чешуек поверхностного слоя и ростом окисных пленок на поверхности. В трении участвуют весьма тонкие поверхностные слои, порядка 2 – 5 мкм. При амплитуде смещения, превышающей величину упругих деформаций, начинают отчетливее проявляться последствия схватывания тел в зоне фактического контакта. Постепенно, при увеличении амплитуд, эффект фреттинг-коррозии может уменьшаться, так как изнашивание все более приобретает характер взаимодействия тел при скольжении.

По мнению таких известных исследователей, как , и др. [1 - 3], наиболее достоверной гипотезой физической сущности фреттинг-коррозии является усталостная трехстадийная модель. По их мнению, первоначально разрушение узлов схватывания происходит в результате циклического перемещения контактирующих поверхностей в результате сдвига или среза под действием касательных напряжений. В результате на поверхности образуются микрозадиры в пределах одной или нескольких площадок фактического контакта. Высота и объем задиров увеличиваются в соответствии с общими законами цепных реакций. Кинетика образования и развития задиров происходит в соответствии с механизмом малоцикловой усталости, близким к квазистатическому, свойственному одноактному разрушению. Это проявляется в виде разрушения узлов схватывания, надрывов, микротрещин и сопровождается специфическими вырывами в результате развития и соединения наклонных трещин. В дальнейшем увеличившиеся в объеме задиры начинают воспринимать на себя часть нормальной нагрузки, возникают новые участки поверхности, на которых происходит схватывание и образуются металлические продукты износа. Это приводит к перераспределению площадей фактического контакта вследствие микро - и макротекучести поверхностных слоев. Первая стадия процесса условно заканчивается наступлением определенного динамического равновесия, при котором между контактирующими поверхностями образуется устойчивая прослойка из первичных продуктов изнашивания. Эта стадия имеет незначительную продолжительность и составляет приблизительно 104 циклов. В дальнейшем происходит лавинообразное разрушение оставшихся наиболее выступающих наростов адгезионных связей в соответствии с механизмом малоцикловой усталости. Увеличивается плотность площадок фактического контакта, происходит интенсивное окисление продуктов изнашивания. Частицы износа окисляются, взаимодействуя с кислородом воздуха и адсорбирующейся влагой, одновременно продолжается истирание и разрушение окисных пленок. Продукты фреттинг-коррозии стальных деталей (обычно темно-красного или коричневого цвета), как правило, в основном состоят из окислов Fe2O3, незначительного количества α-железа, обычно присутствуют окислы FeO, Fe3O4 и гидроокись Fe2O3·H2O, могут присутствовать и нитриды. Формирование номинальной площади фактического контакта условно соответствует окончанию второй стадии процесса. На третьей стадии развивается глубинное разрушение материала, и скорость изнашивания многократно возрастает. Поверхностные слои металла, вследствие многократной циклической деформации, становятся настолько разупрочненными, что теряют устойчивость, и начинается их прогрессирующее отделение. Усталостный механизм изнашивания становится доминирующим. Характеристики колебательного процесса пропорциональны среднеквадратической скорости колебаний, определяемой произведением квадрата амплитуды на квадрат частоты колебаний, что способствует скоплению большого количества дислокаций, даже при незначительном уровне напряжений вследствие демпфирующего действия прослойки из продуктов износа. Активация источников происходит при напряжениях в несколько раз меньших предела текучести. Максимум напряжений находится на некоторой глубине от поверхности трения. Происходит слияние нескольких дислокаций в зародыш трещины, после чего они развиваются в микротрещины и далее может образоваться "магистральная" трещина путем вязкого разрушения разделяющего их материала. Механизм распространения поверхностных трещин, образующихся при фреттинг-коррозии, близок к квазистатическому, а размеры определяются расстоянием между частицами второй фазы или пустотами в поверхностном слое толщиной 0,5…12 мкм.