Физическое старение деталей


При работе и хранении автомобиля происходят процессы физического старения деталей, важнейшими из которых являются изнашивание, усталость и коррозия. Долговечность большинства деталей автомобиля ограничивается износом, возникающим вследствие сложных процессов изнашивания при трении поверхностей. Усталость и коррозия являются как самостоятельными процессами старения, так и составляющими при изнашивании.

Прочностью детали называется ее способность сопротивляться действию нагрузок, т. е. сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых деформаций. Сопротивление деформациям характеризует жесткость деталей. Долговечность деталей автомобилей по условиям прочности в основном определяется сопротивлением статическому или усталостному разрушению, а прочность картеров отдельных агрегатов зависит от сопротивления пластическим деформациям, вызывающим перекосы и смещение опор подшипников и валов. Статическое разрушение возникает практически при однократном действии нагрузки, величина которой превышает предел прочности материала детали. Такое разрушение является в основном следствием нарушения технологии изготовления или правил эксплуатации.

Усталость — это процесс разрушения детали под действием многократно повторяющихся знакопеременных нагрузок. Усталостное разрушение возникает в результате приложения определенного числа циклов переменных нагружений, превышающих предел выносливости материала детали. Разрушение связано с вЪзникновением усталостных трещин, развитие которых пропорционально количеству циклов нагружения и является естественным процессом старения. Долговечность рам, рессор, картеров ведущих мостов, полуосей определяется в основном усталостной прочностью.

Коррозия — процесс разрушения материалов вследствие физико-химического взаимодействия с внешней средой. Коррозионные поражения металлов и сплавов всегда начинаются с поверхности и являются следствием окислительно-восстановительных реакций, происходящих на границе металл — газовая или жидкая среда. Долговечность кузова автобуса и легкового автомобиля, например, во многом определяются его коррозионной стойкостью.

Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела. Поверхности трения не являются абсолютно ровными; они обладают микронеровностями, величина которых зависит от точности обработки (точение — до 80 мкм, шлифование — 2 ... 20 мкм, полирование — 0,8 ... 1,3 мкм). При трении возникает взаимодействие микронеровностей трущихся поверхностей между собой и с абразивными частицами, попавшими в масло. Разрушен ние нескольких слоев микронеровностей приводит к макроповреждениям — изменениям формы поверхности, размеров и формы деталей.

Изнашивание включает целый ряд физико-химических процессов. Происходит снятие тончайших слоев металла — микрорезание и смятие отдельных микронеровностей — пластическая и упругопластическая деформация. В результате многократного упругого деформирования микровыступов возникает усталость — образуются трещины и происходит выкрашивание поверхности. Взаимодействие микронеровностей при больших давлениях и скоростях вызывает выделение тепла. Высокие локальные температуры могут достигать значений, вызывающих изменение структуры металла и повышение его хрупкости, а такж е приводить к термическим трещинам и даже расплавлению. Одновременно происходит молекулярное взаимодействие поверхностей, заключающееся в сращивании отдельных участков контакта микронеровностей и в переносе частичек металла с одной поверхности на другую.

Химическая активность поверхностей вызывает коррозию. Скорость изнашивания резко меняется в зависимости от коррозионной агрессивности среды. Следует такж е отметить расклинивающее действие масла (эффект акад. П. А. Ребиндера), заключающееся в разрушении по­ верхностных слоев высоким давлением масла при затекании его в микротрещины.

С целью управления процессом изнашивания деталей разработана классификация видов изнашивания деталей в зависимости от ведущих процессов разрушения поверхностей трения. Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания, которые делят на три группы: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное.

Механическое изнашивание является результатом механических действий и включает резание, царапание, деформирование, отслаивание и выкрашивание микрообъемов материала. Основными видами механического изнашивания деталей автомобилей являются: абразивное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание состоит в основном в режущем и царапающем действии на деталь твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Ц арапание заключается в образовании углублений на поверхности в направлении скольжения под воздействием выступов сопряжений детали или свободных твердых частиц; при этом могут происходить многократная пластическая деформация и цикличное образование хрупкого слоя, который затем разруш ается.

Изменение структуры материала происходит из-за высокого местного нагрева, ударов, неравномерного изнашивания отдельных зерен металла и т. д. В подшипники с антифрикционным слоем абразивные частицы вдавливаются и при трении уве­ личивают износ сопряженного вала. Абразивному изнашиванию в сочетании с другими видами подвержены практически все трущиеся детали автомобиля.

Гидроабразивному изнашиванию, происходящему под действием твердых частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашивающейся детали, подвержены водяные, топливные и масляные каналы, а также детали, смазываемые под давлением. При этом абразивными частицами являются не только частицы кварца и других соединений, попадающие на трущиеся поверхности снаружи, но и частицы нагара и продукты износа, образующиеся внутри агрегатов автомобиля.

Газоабразивное изнашивание возникает под воздействием частиц, взвешенных в газе. Этому виду изнашивания подвержены впускные и выпускные системы автомобильных двигателей, а такж е наружные лакокрасочные покрытия кузовов автомобилей особенно при работе в запыленных условиях. Наибольший износ трущихся поверхностей деталей автомобиля вызывают частицы кварца, поэтому обеспечение чистоты воздуха и эксплуатационных жидкостей, поступающих во внутренние полости агрегатов автомобиля, является важнейшим методом уменьшения интенсивности различных видов абразивного изнашивания.

Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей вызывает их эрозионное и кавитационное изнашивание. Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости — гидроэрозионное изнашивание — или газа — газоэрозионное изнашивание. Гидро- и газоэрозионное изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.

Кавитация представляет собой образование, а затем поглощение парогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали жидкости при определенных соотношениях давлений и температур в переменных сечениях потока. Разрушение кавитационных пузырьков сопровождается гидравлическими ударами по поверхности детали и образованием каверн, полостей. Иногда - кавитационное изнашивание наблюдается на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на полостях водяных насосов.

Усталостное изнашивание является механическим изнашиванием в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали. Усталостное разрушение проявляется в виде выкрашивания — отделения частиц материала, приводящего к образованию ямок (питтинга) на поверхности трения. На развитие питтинга большое влияние оказывает расклинивающее действие масла. На поверхностях, где возможен выход масла из усталостных трещин, питтинги практически не наблюдаются. Усталостное разрушение имеет место на поверхностях кулачков и зубьев шестерен, в подшипниках качения трансмиссии, в антифрикционном слое вкладышей подшипников коленчатого вала двигателя.

На износ некоторых деталей, особенно выполненных из одинаковых материалов, большое влияние оказывает явление местного соединения в местах контакта, происходящее вследствие действия молекулярных сил — схватывание при трении. При этом происходит перенос материала, так как материал одной детали, соединившись с другой, отрывается от первой и остается на поверхности второй детали. Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала называют заеданием. Изнашиванием при заедании, таким образом, является изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Изнашивание при заедании определяется свойствами материала трущихся деталей и зависит от скорости скольжения поверхностей, а также от температуры. Для деталей автомобиля, когда материал трущихся деталей подобран правильно, схватывание поверхностей может быть вызвано в основном повышением температуры при сухом трении и определяется налипанием и переносом частиц размягченного и даже расплавленного металла. Заедание может завершаться прекращением относительного движения деталей и вызывать их задир — повреждение поверхностей трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. При аварийных отказах систем охлаждения и смазки автомобильных двигателей могут происходить заедание и, как следствие, наблюдаться задиры поршневых колец, поршней, гильз цилиндров, коренных и шатунных подшипников.

Коррозионно-механическое изнашивание является результатом механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Для деталей автомобиля коррозия при трении в основном связана с окислением материала поверхностей деталей, т. е. ведущее значение имеет окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. При окислительном изнашивании кислород воздуха или растворенный в масле образует на металле окисную пленку, которая механически удаляется при трении. Затем процесс повторяется. Пластическая деформация поверхностных слоев усиливает окисление. Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды имеет аналогичный механизм, однако пленки, как правило, малостойки при трении и скорость процесса резко возрастает. Следует отметить, что пленки окислов и других соединений из-за неметаллической природы не способны к схватыванию. Это используют при разработке дротивозадирных присадок к маслам — образующиеся достаточно стойкие к стиранию пленки исключают молекулярное схватывание поверхностей. Долговечность, например, основных деталей цилин-дропоршневой группы двигателя ог­ раничивается коррозионно-механическим износом, возникающим вследствие выделения в цилиндрах из продуктов сгорания сернистой, серной, угольной, азотной и других кислот.

Электроэрозионное изнашивание является видом эрозионного изнашивания поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Этому виду изнашивания подвержены контакты прерывателя и свечей системы зажигания автомобильного карбюраторного двигателя.

Зависимость  износа

Рис. 1.3. Зависимость износа и интенсивности изнашивания детали от пробега автомобиля

Интенсивность изнашивания, являющаяся отношением величины износа к объему выполненной работы или к наработке, на которой происходило изнашивание детали, зависит, как видно из описания процессов разрушения деталей, от различных факторов. Поэтому обеспечение износостойкости деталей требует различных мероприятий как на стадиях конструирования и изготовления автомобилей, так и при эксплуатации.

Величина износа (И, мкм) повы­ шается в течение всего пробега (L, км) автомобиля до предельного состояния детали, но интенсивность изнашивания (υи, мкм/1000 км) различна на разных этапах работы (рис. 1.3). Д етали после сборки сопрягаются по выступам микронеровностей, образовавшихся при изготовлении. Размеры деталей, хотя и в пределах заданных чертежом допусков, имеют отклонения, что приводит к макронеровностям деталей — овальности, конусности, неплоскостности и т. д. Фактическая площадь контакта трущихся деталей: в начальный период мала, поэтому происходит их приработка (см. рис. 1.3, I) . Приработка — это процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении работы трения, температуры и интенсивности изнашивания. Уменьшение приработочных износов достигается работой деталей в облегченных нагрузочных и скоростных режимах, применением специальных масел и усиленной очисткой их от продуктов износа. На период приработки деталей (в течение 1 ... 5 тыс. км) назначают режим обкатки автомобиля.

Период установившегося изнашивания (см. рис. 1.3, II) характеризуется постоянной интенсивностью υ = const и, следовательно, линейным возрастанием износа и при постоянном угле наклона а прямой на графике. В этот период, составляющий для различных деталей 60...500 тыс. км пробега автомобиля, происходят срабатывание и воссоздание примерно стабильных по величине микронеровностей поверхностей и постепенное накопление макроповреждений — изменение размеров и формы детали.

схема изменения зазора

Рис. 1.4. Схема изменения зазора в сопряжении деталей

Износ увеличивает зазоры в сопряжениях деталей, что приводит к ухудшению условий смазывания й повышению динамических, ударных нагрузок; разруш аются специально обработанные износостойкие поверхностные слои. Интенсивность изнашивания повышается — наступает период аварийного изнашивания (см. рис. 1.3, III). Чтобы не допустить полного разрушения детали и всего сопряжения, предельный износ Иmax, соответствующий предельному состоянию детали, назначают на начало этого периода.

На работоспособность подвижных сопряжений решающее влияние оказывают зазоры между деталями, которые, как отмечалось выше, увеличиваются в процессе работы вследствие изнашивания деталей. Как правило, в сопряжение входят детали, различной стоимости и сложности, с различной интенсивностью изнашивания. В автомобилях такими сопряжениями являются: коленчатый вал и подшипники; распределительный вал и подшипники; цилиндры и поршневые кольца двигателя; тормозные барабаны и накладки колодок и т. д.

Схема типичного случая измене­ ния зазора S в течение пробега Lр автомобиля до предельного износа Иmax деталей сопряжения представлена на рис. 1.4, где видны основные закономерности изменения зазора в сопряжении деталей:

  • изнашивание деталей А и Б в периоды I, II увеличивает зазор от номинального Sн, полученного при сборке, до приработочного Sп и предельного Sпр, соответствующего предельному износу ИmaxБ быстроизнашивающейся детали Б;
  • интенсивность изнашивания дета­ лей сопряжения, как правило, раз­ лична (β > α ) , поэтому быстроизнашиваемую деталь Б сопряжения за­ меняют на запасную часть Б1, стремясь восстановить зазор примерно до номинального Sн′;
  • при значительном износе детали А на пробеге автомобиля до замены детали Б для восстановления зазора Sн′ целесообразно установить запасную часть Б1 не с номинальным, а с ремонтным размером; при этом, если деталь типа вал (поршень, поршневое кольцо), ремонтный размер должен быть больше номинального, а если типа отверстие (шатунные и коренные вкладыши) — меньше номинального;
  • периоды процесса изнашивания после восстановления зазора повторяются — I′, II′ — до предельного износа БmaxА однако вследствие накопления повреждений незамененной деталью А интенсивность изнашивания деталей может несколько возрастать (α'>α и β'> β);
  • наработка до замены запасной части Б', как правило, меньше ресурса детали Б из-за возрастания интенсивности изнашивания и несовпадения ресурсов деталей (LAρ<LБρ+LБ′ρ).

В течение длительной эксплуатации автомобиля на процесс изнашивания каждого сопряжения оказывает влияние большое количество переменных факторов, связанных с особенностями изготовления и условиями эксплуатации. Рассмотренная природа изнашивания показывает, что на интенсивность процессов влияют молекулярная структура и другие свойства материалов, точность выполнения деталей, наличие и качество масла, его чистота; нагрузочный, скоростной и тепловой режимы работы, агрессивность среды, конструкция узла. Поэтому при конкретных реализациях изнашивания деталей неизбежны существенные отклонения от рассмотренной схемы (см. рис. 1.4) изнашивания: изменение количества замен деталей, изменение длительности периодов (I, Iρ, II, IIρ), изменение величин зазоров (Sн, Sп, Sпр), и, как следствие, ресуров деталей (LAρ, LБρ, LБ′ρ).

Вместе с тем общие закономерности процессов изнашивания, усталости и коррозии деталей выявляют основные направления повышения их ресурсов и в целом обеспечения надежности автомобильных конструкций при изготовлении и эксплуатации.