Износ представляет собой процесс, происходящий при контакте поверхностей. В результате этого частицы материала отделяются, а образующийся мусор ускоряет процесс износа. Уменьшение размеров деталей приводит к увеличению зазоров между частями, что вызывает более сильные удары и шум, значительно сокращая срок службы машины.
Износ встречается при любых условиях и у любых материалов – будь то пластик, конструкционная сталь или нержавеющая сталь. Даже стали с повышенной износостойкостью подвержены этому процессу. Однако правильно подобранные механические свойства материала способны замедлить скорость износа. Контроль износа осуществляется с помощью различных методов неразрушающего контроля, позволяющих удостовериться, что изделие по-прежнему находится в допустимых эксплуатационных пределах.
Механизмы износа различаются и могут иметь как физическую, так и химическую природу. Причины подразделяются на механические, коррозионные и адгезионные.
Механический износ – наиболее очевидный тип разрушения. Он возникает всякий раз, когда части или частицы трутся друг о друга или сталкиваются. В результате этого мелкие частицы материала отделяются, еще больше ускоряя износ.
Абразивный износ возникает под воздействием мелких частиц или выступающих неровностей поверхности в процессе трения. Это происходит, когда один материал тверже другого, а более мягкий страдает. Основные механизмы абразивного износа:
Абразивные частицы могут попасть в систему вместе со смазкой, из воздуха или быть продуктом предыдущего износа. Абразивный износ представляет опасность во многих отраслях, где присутствуют подобные мелкие фрагменты. Примеры: горнодобывающее и буровое оборудование, сельскохозяйственная и строительная техника.
Эрозионный износ вызывается твердыми частицами, находящимися в жидкостях или газах, которые сталкиваются с поверхностью материала. По сути, кратковременное скольжение частиц по поверхности разрушает её. Эффективность эрозионного износа зависит от скорости, формы и твердости частиц.
Однако наиболее важным фактором является угол встречи абразивных частиц с разрушаемой поверхностью. Для вязких материалов максимальный износ наблюдается при малых углах (около 20°). Для хрупких материалов максимальный износ приходится на большие углы (около 90°).
Если абразивные частицы находятся в жидкости, механизм называется гидроабразивной эрозией. Примеры – миксеры, реакторы, насосы, гидротурбины и др.
В случае наличия тех же условий в газовой среде речь идет о газоэрозионном износе. Его последствия можно наблюдать в вентиляционных системах, пневмотранспорте, на лопастях самолетов и пр.
Кавитационный износ встречается только в жидких средах. В любой жидкости присутствуют мелкие пузырьки. Когда давление жидкости падает ниже давления насыщенного пара, пузырьки начинают увеличиваться в размерах. Затем, при повышении давления, они сжимаются и схлопываются со скоростью до 1000 м/с. Такой процесс может происходить до 1000 раз в секунду, вызывая многочисленные гидроудары и вибрации.
При контакте с металлической поверхностью кавитация, по сути, атакует её, постепенно выбивая мелкие частицы. Характерным признаком кавитации является потрескивающий или дребезжащий звук. Поэтому появление таких шумов в насосах, трубах и аналогичном оборудовании является тревожным сигналом.
Усталостный износ возникает под воздействием циклических контактных нагрузок. Он появляется, когда нагрузка превышает предел усталости материала. При многократном воздействии этой нагрузки поверхность деформируется, со временем появляются трещины, а постоянное трение отделяет частицы материала, ускоряя разрушение.
Усталостный износ встречается как при качении, так и при скольжении. Поэтому движущиеся детали необходимо смазывать. Смазка разделяет компоненты тонким слоем, снижая трение, однако полностью предотвратить износ нельзя. Усталостный износ повреждает подшипники, железнодорожные рельсы, колеса поездов и т. д.
Другой тип износа – коррозионный, особенно часто встречающийся у черных металлов. Его также называют коррозионно-механическим, поскольку в этом случае механический износ сопровождается коррозией. Коррозионный износ включает оксидный износ и фреттинг-коррозию.
Оксидный износ – самая распространенная форма коррозионного износа. Материал вступает в реакцию с кислородом, а трение способствует формированию оксидной пленки толщиной всего 1 мкм. Такая тонкая пленка называется оксидной пленкой. Под ней находится деформированный слой материала с высокой плотностью дислокаций.
При обычном оксидном износе удаляется только поверхностный слой за счет механических воздействий. Оксидная пленка постоянно обновляется, делая процесс непрерывным. Скорость оксидного износа зависит от температуры.
Фреттинг-коррозия возникает на сопрягаемых поверхностях, которые постоянно вибрируют с небольшой амплитудой (20–30 мкм). Обычно этому процессу сопутствует коррозия. Постоянное разрушение и обновление только что сформированной оксидной пленки приводит к износу. Такой тип износа характерен для подшипников, муфт и зубчатых зацеплений, болтовых соединений и др.
Еще один тип износа, не имеющий подгрупп. Адгезионный износ (задир) характеризуется прилипанием частиц одного материала к другому под действием молекулярных сил. Это приводит к внезапной остановке движущихся деталей, что может вызвать выход из строя.
Адгезионный износ возникает при как низких (до 0,6 м/с), так и высоких (свыше 0,6 м/с) скоростях. При низких скоростях давление превышает предел текучести материала, при этом отсутствует смазка или оксидный слой. При высоких скоростях давление также велико, а температура может достигать 1500 °C. В обоих случаях происходит адгезионный износ.
