Усталостное изнашивание

Усталостное изнашивание – это механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя, вызывающего возникновение трещин и отделение частиц материала.

Циклически изменяющиеся контактные напряжения вызывают поверхностное разрушение в виде трещин, выкрашивания и отслаивания (см. табл.5.2). Незначительные трещины зарождаются в области максимальных касательных напряжений на некоторой глубине под поверхностью и распространяются к поверхности. Трещины могут зарождаться также на поверхности и распространяться в глубь материала.

Выкрашивание характеризуется образованием ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании. Образующиеся раковинки (ямки) с диаметром от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров увеличиваются в процессе работы узла трения машин и технологического оборудования, возникает шелушение поверхности трения (отслаивание). Количественная оценка контактной усталости выражается в числе циклов N перемен напряжения или в часах работы до возникновения усталостных разрушений поверхностей.

Экспериментально установлено, что число циклов перемен напряжений, вызывающих усталостное разрушение металлов, связано со средним контактным напряжением выражением

~ ~ ,

где – нормальная нагрузка на поверхность трения.

Из приведенного выражения видно, что незначительное увеличение контактного напряжения ведет к заметному снижению усталостной долговечности (числа циклов N).

Усталостное изнашивание ведет к усилению виброакустической активности, повышению уровня шума машин и технологического оборудования.

Наличие поверхностных и подповерхностных концентраторов напряжений ускоряет образование микротрещин, а, следовательно, способствует увеличению интенсивности усталостного изнашивания. К поверхностным концентраторам напряжений относятся дефекты в виде царапин, вмятин рисок от механической обработки, прижогов т.д. К подповерхностным концентраторам напряжений относятся неметаллические включения, микропоры, раковины, карбиды и т.д. Первичные трещины чаще зарождаются на поверхности контакта, но могут зарождаться и в приповерхностных слоях материала деталей узла трения.

Скорость развития усталостного изнашивания определяют следующие факторы:

– механические свойства материала;

– физико-механические свойства поверхности;

– качество обработки поверхности;

– остаточные напряжения в приповерхностных и поверхностных слоях материала;

– концентрация напряжений;

– частота изменения напряжений;

– уровень температуры;

– химическая активность окружающей среды и т.д.

В некоторых условиях эксплуатации развиваются глубинные усталостные трещины, вызывающие отслаивание. Трещины возникают под упрочненным поверхностным слоем при некачественно выполненной химико-термической обработке, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда под твердым поверхностным слоем недостаточно прочная сердцевина. В результате образования глубинных трещин определяются крупные частицы поверхностного слоя материала, уменьшается площадь контактирующих поверхностей, увеличивается интенсивность дальнейшего изнашивания.

Усталостное разрушение поверхностных слоев в виде выкрашивания возникает в узлах трения при хорошей смазке сравнительно быстроходных механизмов. Усталостное разрушение в виде выкрашивания и отслаивания имеет место в зубчатых передачах, подшипниках качения и скольжения, кулачковых механизмах, фрикционных передачах и т.д.