термических напряжений. При ударах абразивных частиц в поверхностных слоях наблюдается интенсивная пластическая деформация микронеровностей; более 50% внешней энергии при этом переходит в тепло. При многократных воздействиях абразивные частицы создают на поверхности детали тепловую знакопе$)еменную нагрузку, приводящую к образованию усталостных трещин.

На процесс абразивной эрозии влияют и другие факторы - полное давление сазов, вызывающее расклинивающее действие; химическая активность газовой струи и абразивных зерен; первоначальное состояние поверхности, подвергающейся эрозионному воздействию, и др.

Разрушение поверхности может произойти и при отсутствии абразивных частиц в результате обтекания изделий потоком жидкости или газа. Ударяясь о поверхность металла, такие потоки разрушают поверхностный слой, что приводит к появлению каверн, бороздок и др. Разновидностями эрозионного износа в этом случае являются газовая и кавитационная эрозия.

В основе явления газовой эрозии лежит удар газовых молекул о поверхность металла и разрушение кристаллитов поверхностного слоя. Скорость износа при газовой эрозии может быть значительной, если поток газов обладает большой кинетической энергией и создает высокие напряжения в поверхностном слое материала. При воздействии потока горячих газов эрозионное разрушение происходит значительно быстрее. Одним из факторов, стимулирующих изнашивание материала при эрозии, является удаление отлагающихся на поверхности продуктов коррозии. Исходя из этого, износостойкость определяется скоростью образования и удаления продуктов взаимодействия материала со средой и их свойствами. При отсутствии абразивных частиц в газовом потоке твердость самого материала не характеризует его износостойкость при эрозионном износе и не может, естественно, использоваться как показатель износостойкости.

В слое жидкости, прилегающем к металлу, при определенных условиях обтекания возникают области пониженного при данной температуре давления, где зарождаются кавитационные (парогазовые) пузырьки. В момент завершения кавитации (при замыкании пузырьков) металл испытывает гидравлические удары.

Многократные гидравлические удары, частота которых измеряется сотнями герц, сильно локализованы и вызывают возникновение больших напряжений в поверхностном слое деталей. Одновременно на поверхность действует жидкость, ослабляющая сопротивление материала циклическому контактному воздействию, а при высокой температуре вызывающая также образование продуктов коррозии, обычно непрочных и хрупких. Указанные явления могут вызвать хрупкое или усталостное разрушение изделий.

Эффективным способом борьбы с кави-тационным износом является усовершенст-

вование конструкции, исключающее возможность образования кавитационного эффекта. Важное значение имеет и подбор износостойких материалов для рассматриваемых условий изнашивания.

Скорость кавитационного износа в тысячи раз выше скорости чисто коррозионного разрушения -поверхностного слоя. Двойственная природа этого процесса определяет отсутствие прямой зависимости между стойкостью материалов в условиях кавитации и их механическими свойствами. Если предположить, что для какой-то группы сталей действие коррозионных факторов равнозначно, то с повышением твердости и содержания углерода износостойкость возрастает. Легирование сталей хромом и никелем, приводящее к повышению коррозионной стойкости, также благоприятно сказывается на сопротивлении материалов кавитационному изнашиванию. Опыт показывает, что оценка кавитационной стойкости материалов по показателям твердости не дает точных результатов и оправдывается лишь практическими удобствами. Здесь стойкость определяется сочетанием механических и антикоррозионных свойств. Поэтому правильней кавитационную стойкость оценивать по сопротивлению хрупкому разрушению при одновременном действии агрессивной среды.

Твердые частицы могут находиться между двумя металлическими поверхностями, имеющими относительное перемещение под нагрузкой. В этом случае передвижение абразивной частицы по поверхности каждой из деталей зависит от соотношения твердости этих деталей. При большой разности в твердостях абразивная частица может глубоко вдавливаться в более мягкую поверхность (шаржировать ее) и, двигаясь вместе с ней и став ее закрепленной частицей, будет изнашивать более твердую деталь. Через эти частицы будет передаваться нагрузка, что при недостаточной прочности частиц может привести к их дроблению. Абразивное действие частиц, попавших между дву* мя металлическими поверхностями, приводит к выходу из строя большого числа деталей металлургических машин.

Абразивному изнашиванию подвергаются детали дробилок, перерабатывающих руду в агломерационных цехах и на обогатительных фабриках. Условия трения и взаимодействия деталей и дробимого материала весьма различны в разных машинах в связи с влиянием дополнительных факторов; например, в щековых, конических и валковых дробилках на рабочие детали действуют высокие контактные сосредоточенные нагрузки; в дезинтеграторах и других ударных дробилках контактные нагрузки носят ударный характер; для вибрационных дробилок характерны малые, но частые перемещения металлических мелющих тел относительно перерабатываемого материала.

Трение руды и других материалов о металлические детали может сопровождаться нагревом разной степени, поэтому сопротивление металла изнашиванию определяется не исходными его свойствами, а свойствами, присущими металлу в данном со-

2-683

стоянии. Нагрев при трении может быть весьма высоким, что доказывается обнаружением на поверхности трения стальных деталей участков белой фазы - признака местной закалки, возникшей вследствие мгновенного местного нагрева до температуры, превышающей верхнюю критическую точку. Например, участки местной вторичной закалки наблюдали на рабочей поверхности роликов правильных машин, что указывает на высокий местный нагрев, вызванный теплом, выделенным при трении ролика о металл в процессе правки.

При абразивном изнашивании происходит наклеп поверхностного слоя металла. При интенсивном пластическом деформировании под действием ударной нагрузки у некоторых сталей наблюдаются упрочнение и повышение износостойкости. Примером могут Служить многие детали металлургического оборудования, изготовленные из высокомарганцовистой стали марки 110Г13Л: защитные сегменты малого конуса загрузочного устройства доменной печи, броневые плиты приемных воронок, воронок распределителя шихты, газоотводов, пылеуловителей, скипов, трактов перемещения мате-1)иалов в доменных и агломерационных цехах, дробилок и др.

Во многих случаях повышение температуры трущихся поверхностей происходит не только в результате трения, а вызывается условиями работы данных деталей и узлов: воздействием потоков горячего газа и воздуха, влиянием горячего агломерата, действием соприкасающегося с деталями нагретого до высоких температур металла и др. В этих случаях абразивное воздействие не-!к1еталлических частиц усугубляется изменением свойств материала, газовой коррозией и другими факторами, осложняющими и стимулирующими процесс изнашивания деталей.

5. Коррозионные повреждения деталей машин

Коррозия металлов и сплавов - это процесс их разрушения вследствие химического или электрохимического воздействия окружающей среды. Основные особенности коррозионных повреждений: разрушение металла всегда начинается с поверхности; внешний вид детали, как правило, изменяется; в результате коррозии металл обычно превращается в оксиды или гидроксиды.

По характеру внешней среды коррозию делят на три основных вида: атмосферную, газовую и коррозию в электролитах.

Электрохимическая коррозия объясняется действием микрогальванических элементов. В качестве анода и катода могут служить различные структурные составляющие сплава, границы и сердцевина зерна, напряженный и ненапряженный участки металла, чистый металл и его оксиды. Гид-ратированные ионы взаимодействуют с водой, в результате чего образуются оксиды металла, которые обычно оседают на поверхности изделий, образуя плотную или рыхлую пленку из продуктов коррозии. Интенсивность процесса электрохимической

коррозии зависит от химического состава сплава; электропроводности раствора, обусловленной содержанием солей и кислот; характера и плотности продуктов коррозии; наличия и распределения напряжений и др.

Коррозия металлов в электролитах - это частный случай электрохимической коррозии, вызванной непрерывным воздействием на металл воды, содержащей значительное количество солей, кислот и щелочей Наиболее характерным примером коррозии этого вида является разрушение внутренних поверхностей металлических котлов.

Атмосферная коррозия развивается при нормальном давлении и температуре, не превышающей 80° С. Детали машин в этом случае находятся в контакте с атмосферным воздухом, который всегда содержит некоторое количество влаги. Мельчайшие частицы влаги, являющейся электролитом (в связи с наличием в ней солей, щелочей и кислот), оседают на поверхности металла, что создает необходимые условия для образования микрогальванических элементов (микропар).

Газовая коррозия является частным случаем химической коррозии. Внешней средой являются газ, горячий воздух или пар. Коррозия этого вида поражает самые различные детали машин и оборудование, работающее при повышенных температурах в контакте с агрессивными газами. Наиболее распространенным случаем газовой коррозии является коррозия, возникшая в результате взаимодействия кислорода воздуха с металлом. На поверхности металла образуется слой оксидов (окалина), который ста-рювится хорошо заметным при температурах более ЗООС При нагреве углеродистой стали выше 570* С интенсивность окисления скачкообразно увеличивается. Пленка окислов имеет сложное строение, обусловленное встречной диффузией кислорода и атомов железа. Вначале располагается слой вюстита FeO, затем следует слой вюстита и магнетита Рез04, за ним слой магнетита и на самой поверхности пленки окислов располагается слой гематита РегОз. Наибольшей сплошностью обладает слой вюстита Слои магнетита и гематита покрыты густой сеткой трещин и пор. Этим обусловливается низкое сопротивление углеродистой стали окислению

Хром, алюминий и кремний при взаимодействии с кислородом образуют плотные и прочные пленки окислов, поэтому легирование стали этими элементами приводит к существенному повышению ее коррозионной стойкости при высоких температурах. Так, например, при содержании 12% Сг сталь весьма устойчива к окислению при температуре 800° С, а при содержании 22% Сг - при температуре 900-1000° С.

Основными факторами, влияющими на интенсивность разрушения от коррозии, являются состав сплава, состав и температура газовой атмосферы; наличие на поверхности защитных покрытий. Поэтому при невозможности уменьшить агрессивные свойства газовой среды следует применять соответствующие марки легированных сталей или защитные покрытия.

6. Контактная и коррозионная усталость

Проявлением контактной усталости является усталостное выкрашивание. Этот вид разрушения деталей машин чаще всего наблюдается при трении качения и качении со скольжением, однако может проявляться и при других условиях взаимодействия трущихся пар, например при скольжении, многократном соударении двух тел. Причиной образования повреждений (питтингов) является пульсационное действие контактных напряжений, возникающих в результате переменного давления на трущиеСя поверхности.

Нормальные напряжения, возникающие на контактной площадке, имеют максимальное значение на поверхности и уменьшаются в глубь детали. Касательные напряжения достигают максимального значения на некоторой глубине от поверхности. Силы трения, возникающие на контактирующих поверхностях, значительно увеличивают величину касательных напряжений, которые являются основной причиной зарождения усталостных трещин. Развитие усталостных трещин совпадает с направлением действия касательных напряжений.

При осуществлении поверхностного упрочнения толщина упрочненного слоя должна быть больше глубины распространения максимальных касательных напряжений, а материал основы должен обладать достаточной твердостью, предупреждающей про-давливание упрочненного слоя под действием контактных давлений. В противном случае возникает опасность отслаивания и растрескивания упрочненного слоя.

Поскольку возникновение питтингов обусловлено действием циклических контактных напряжений, следует стремиться к уменьшению удельных нагрузок в контакте и повышению предела прочности материала деталей.

Коррозионная усталость - это процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Коррозионное воздействие значительно усиливает развитие повреждений в структуре металла, возникающих в слабых зернах в результате микропластической деформации. Вследствие коррозии на поверхности детали может возникнуть микроскопический питтинг, который явится концентратором напряжения и послужит причиной образования сетки микротрещин. Процесс развития трещин коррозионной усталости протекает более интенсивно, так как дно и стенки трещины подвергаются воздействию коррозионной среды, что увеличивает скорость роста трещины в глубину и вызывает расклинивающий эффект продуктов коррозии. Основными факторами, определяющими интенсивность развития явления коррозионной усталости, являются: активность коррозионной среды, уровень действующих циклических напряжений, число циклов нагружения в единицу времени, прочность и коррозионная стойкость сплава.

Для повышения долговечности деталей машин, работающих в условиях совместно-

го действия коррозии и циклических напряжений, следует изолировать рабочую поверхность детали от коррозионной среды снизить величину и цикличность напряжений, действующих в поверхностных волокнах металла.

7. Термическая усталость материалов

Многие детали оборудования в процессе эксплуатации подвергаются воздействик> постоянных и циклически изменяющихся температур. Так, ножи и диски пил горячей резки наряду с динамическим и изнашивающим воздействием разрезаемого металла испытывают значительные термические напряжения, возникающие при многократных повторных нагревах в процессе эксплуатации. В аналогичных условиях работают прокатные валки. Деформируемый металл, вызывая в валке нормальные и касательные напряжения, разогревает поверхностный слой до значительных температур; последующее быстрое охлаждение за счет большой массы валка приводит к увеличению абсолютной величины напряжений. В результате многократных нагревов и охлаждений резко увеличиваются термические напряжения, а на поверхности валка образуется сетка трещин; появление последней вызывает необходимость выбраковки валка. В еще более тяжелых условиях работают хоботы завалочных машин. Они подвергаются деформации изгиба (воздействие мульды) и многократным нагревам и охлаждениям по периметру и длине рабочей части хобота и мундштука. Разогреву и растрескиванию подвергаются также рабочие поверхности пропусков и проводок прокатных станов роликов рольгангов, кернов клещевых кранов и др.

После обр1азования трещин изменяются условия теплообмена между деталью (ножом, диском пилы, валком, хоботом и др.> и окружающей средой (деформируемым металлом, воздухом, охлаждающей водой, печной атмосферой). Количество тепла, аккумулируемое деталью, возрастает; увеличиваются также число и размер трещин. Накапливаясь, трещины пересекаются, образуя сетку. В результате отдельные участки рабочей поверхности деталей выкрашиваются. Помимо этого, трещины способствуют смятию поверхностного слоя (например, кернов), налипанию разрезаемого металла (особенно к дискам пил) и др.

Разрушение указанных деталей происходит в результате их термической усталости, под которой обычно понимают появление трещин, постепенное разрушение и формоизменение при переменных термических напряжениях, возникающих в результате циклических нагревов - охлаждений с перепадами температур по сечению деталей.

Переменные напряжения возникают в результате различных воздействий. При равномерном нагреве и охлаждении по сечению стержня с жестко закрепленными концами возникающие напряжения пропорциональны а£АГ, где а - коэффициент линейного