Енциклопедия по трибология - Уморно износване

Умората е механично износване в резултат на разрушение от умора при многократна деформация на микрообеми от материала на повърхностния слой. Възниква от триенето както при търкаляне, така и при плъзгане.

Процесът на уморно износване обикновено се свързва с многократно повтарящи се цикли на напрежения при търкалящ или плъзгащ контакт.При взаимодействието на повърхностите в горните им слоеве възникват полета на напрежение. Схемата на разпределение на напрежението при контакта на цилиндъра с равнината, изчислена по метода на крайните елементи, е показана на фиг.1. В процеса на триене върху работната повърхност на частите възникват максимални напрежения на натиск, а насочените тангенциални напрежения се разпространяват по дълбочината на материала на частта, чийто максимум е концентриран на определено разстояние от точката на техния контакт.

Фиг. 1. Схема на разпределението на напреженията на срязване, възникващи при търкаляне на цилиндъра по равнината.

Интензивността на уморното износване се определя от следните фактори: наличието на остатъчни напрежения в повърхностите на концентраторите на напрежение (оксиди, други големи включвания, дислокации); качество на повърхността (микропрофил, мръсотия, вдлъбнатини, драскотини, драскотини, бразди, рискове); разпределение на натоварването в интерфейса (еластични деформации, несъосност на частите, хлабина); вид триене (търкаляне, плъзгане или търкаляне с приплъзване); наличие и вид на смазката.

Механизмът на износване от умора на материала се обяснява по различни начини.

Теорията за износване от умора, разработена от група съветски учени, ръководени от I.V. Крагелски. Според тази теория частиците от износване на триещата се повърхност могат да бъдат отделени дори без въвеждане на грапавост на една част вповърхностни слоеве на друга съвпадаща част. Износването може да възникне поради умора на микрообемите на материала, което възниква под действието на повтарящи се сили на натиск и опън, които не надвишават критичната Pcr. В резултат на циклично натоварване на повърхността на частта се появяват микропукнатини от умора, които, постепенно затваряйки се, водят до образуване на частици от износване. Това явление се нарича умора при контакт с триене.

С механично взаимодействие; части в повърхностните слоеве на материала, възниква сложно състояние на напрежение: пред перваза на грапавостта се образува зона на натиск на материала, а зад перваза се образува зона на опън. В резултат на такъв редуващ се цикличен ефект щетите се натрупват в микрообемите на материала, намалявайки неговата здравина; Натрупването на микроповреди от умора води до разрушаване на повърхностните слоеве на материала в зоната на триене.

Процесът на уморно износване протича по следния начин (фиг. 2, а). Първо, върху триещата се повърхност се образуват микропукнатини от умора 2. Смазката, попадайки в микропукнатини, допринася за тяхното заклинване 3 и раздробяване 4 на метални частици, в резултат на което на повърхността на детайла се появяват малки петна (питинги). Броят на тези петна и в същото време техните размери се увеличават, докато нарастващите контактни напрежения върху работните повърхности водят до пластична деформация и интензивно износване на детайла. Дебелината на разрушения метален слой приблизително съответства на дълбочината на разпространение под повърхността на максималните напрежения на срязване.

В зависимост от съотношението на нормалните и тангенциалните компоненти на силите в контакта, както и структурата на материала и неговите физико-механични свойства, първичната микропукнатина може да възникне и вподповърхностен слой. В този случай механизмът на повърхностна деструкция може да бъде представен по следния начин (фиг. 2, б): 1 - подповърхностните дислокации се зараждат; 2 - процесът на натрупване на дислокации е в ход; 3 - образуват се кухини; 4 - сливането на кухините води до образуване на микропукнатини, успоредни на повърхността на триене; 5 - когато микропукнатината достигне определена критична дължина, се отделя частица от износване. Подповърхностните микропукнатини се зараждат, като правило, в части с нехомогенна структура на материала; азотирани, карбуризирани, повърхностно закалени, както и за части, работещи при много високи контактни напрежения.

Фиг.2. Схема на повърхностно износване от умора при P < Pcr и появата на: а - първични микропукнатини по повърхността; b - микропукнатини в подповърхностния слой (според V.A. Zorin).

Части от работните повърхности на части, повредени от износване на умора, имат две типични области: относително гладък материал, който се образува по ръбовете в резултат на триене между двете страни на микропукнатина, когато се отваря и затваря (в тази област металът обикновено има специфичен цвят поради излагане на масло, прах и корозионни продукти) и грапава повърхност на „разкъсан“ метал, разположен в долната част на корпуса.

Способността на дадена част да устои на износване от умора обикновено се оценява чрез времето на работа τ при дадени условия, докато металните частици се отчупят. Условията на триене (натоварване и температура), свойствата на материала (твърдост и грапавост на повърхността) и използваните смазочни материали имат най-голямо влияние върху развитието на износването от умора.

Устойчивостта на материалите на питинг е право пропорционална на твърдостта на работната повърхност и вискозитета на смазката. С увеличаване на натоварването N върху работната повърхностчасти, времето за работа преди появата на уморно разцепване намалява (фиг. 3).

Лубрикантите намаляват напрежението, действащо в контакта, в резултат на което процесът на образуване на микропукнатини в началния етап е по-бавен. Износването от умора най-често се наблюдава при условия на високи контактни натоварвания с едновременно търкаляне и плъзгане на една повърхност под друга. В такива условия работят например зъбни колела, силно натоварени зъбни колела и търкалящи лагери, зъбни венци.

Фиг.3. Зависимостта на времето за работа τ преди появата на уморно разцепване от вискозитета μ на смазката, твърдостта на материала HB и натоварването N.

Уморното износване на работните повърхности на частите е придружено от повишаване на нивото на шум и вибрации с увеличаване на износването. Износването от умора на материала може да бъде умерено и прогресивно.

Нормалното умерено износване от умора за повечето фрикционни двойки не е опасно и части с повреда от умора могат да се използват дълго време. Прогресивното износване възниква при високи контактни напрежения, придружено е от интензивно разрушаване на повърхността и може да доведе до счупване на части (например зъб на зъбно колело).

При интензивно абразивно износване на работните повърхности тяхното разрушаване става по-бързо от образуването на пукнатини от умора. Ето защо, като правило, в такива случаи не се наблюдават питинги.

Доценко А.И., Буяновски И.А. / Основи на трибологията. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.