Усталостное изнашивание

Усталостным называется механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Такое изнашивание наблюдается в большинстве сопряжений дорожных машин в качестве сопутствующего вида изнашивания. Оно возникает как при трении качения, так и при трении скольжения.

Процесс усталостного изнашивания обычно связан с многократно повторяющимися циклами напряжений в контакте качения или скольжения. В процессе взаимодействия поверхностей в их верхних слоях возникают поля напряжений. Схема распределения напряжений при контакте цилиндра с плоскостью, рассчитанная методом конечных элементов. В процессе трения на рабочей поверхности деталей возникают максимальные напряжения сжатия, а по глубине материала детали распространяются направленные касательные напряжения т с максимумом на некотором расстоянии от точки контакта.

Интенсивность усталостного изнашивания определяется следующими факторами: наличие остаточных напряжений и поверхностных концентраторов напряжений (оксидов и других крупных включений, дислокаций); качество поверхности (микропрофиль, загрязнения, вмятины, царапины, задиры); распределение нагрузки в сопряжении (упругие деформации, перекос деталей, зазор); вид трения (качения, скольжения или качения с проскальзыванием); наличие и тип смазочного материала.

Существуют две модели процесса усталостного изнашивания материала. Большое распространение в настоящее время получила теория усталостного изнашивания, разработанная группой ученых под руководством И.В. Крагельского. Согласно этой теории частицы износа с поверхности трения могут отделяться и без внедрения микровыступов одной детали в поверхностные слои другой детали сопряжения. Изнашивание может происходить вследствие усталости микрообъемов материала, возникающей под действием многократных сжимающих и растягивающих усилий.

Усталостное изнашивание наиболее часто наблюдается в условиях высоких контактных нагрузок при одновременном качении и проскальзывании одной поверхности по другой. В таких условиях работают, например, зубчатые колеса, тяжело нагруженные шестерни и подшипники качения, зубчатые венцы. Усталостное изнашивание рабочих поверхностей деталей сопровождается повышением уровня шума и вибрации по мере увеличения износа.

Усталостное изнашивание материала может быть умеренным и прогрессирующим. Обычное умеренное изнашивание для большинства пар трения не является опасным, и детали, имеющие усталостные повреждения, могут использоваться длительное время. Прогрессирующее изнашивание возникает при высоких контактных напряжениях, сопровождается интенсивным разрушением поверхности и может привести к поломке деталей (например, зуба шестерни).

При интенсивном абразивном изнашивании рабочих поверхностей их разрушение происходит быстрее, чем образование усталостных трещин, поэтому, как правило, в таких случаях питтинг не наблюдается.

Усталостное изнашивание также проявляется и при взаимодействии деталей из эластомерных материалов. Упругие свойства этих материалов позволяют воспроизводить шероховатость противолежащей твердой поверхности в процессе скольжения, что, в свою очередь, приводит к многократному циклическому нагружению материала. Если выступы неровностей твердой поверхности имеют закругленную форму и не вызывают абразивного изнашивания, то повреждение может возникнуть в подповерхностных слоях эластомера под действием повторяющихся напряжений сжатия, растяжения и знакопеременных касательных напряжений. Этот усталостный механизм вызывает изнашивание относительно малой интенсивности, которая существенно возрастает при действии циклических напряжений в течение длительного времени.