Виды изнашивания материалов: классификация, механизмы и характеристики

Изнашивание деталей машин и механизмов является неизбежным следствием их эксплуатации, приводящим к значительным экономическим потерям в промышленности, транспорте и других отраслях. Наука, комплексно изучающая процессы трения, изнашивания и смазки, называется трибологией (от греч. τρίβος — трение и λόγος — учение). Хотя сам термин был введен в 1966 году британским ученым Питером Джостом, фундаментальные исследования в этой области начались задолго до этого. Еще Леонардо да Винчи в XV веке сформулировал первые законы трения, а в XVII-XVIII веках Гийом Амонтон и Шарль-Огюстен де Кулон заложили основы классической теории трения. Сегодня трибология — это междисциплинарная наука на стыке физики, химии, материаловедения и машиностроения, направленная на повышение надежности и долговечности технических систем.

Ключевым понятием в трибологии является изнашивание. Согласно действующему межгосударственному стандарту ГОСТ 27674–88 «Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения», изнашивание определяется как процесс постепенного изменения размеров и (или) формы твердого тела вследствие отделения материала с его поверхности и (или) увеличения остаточной деформации под воздействием сил трения. Результатом этого процесса является износ — количественная мера, выраженная в единицах длины, объема или массы.

Экономический ущерб от изнашивания колоссален. По оценкам экспертов, в промышленно развитых странах он достигает нескольких процентов от валового национального продукта. Эти затраты включают не только стоимость замены изношенных деталей, но и расходы на ремонт, простои оборудования, снижение эффективности производства и даже техногенные аварии. Поэтому глубокое понимание механизмов различных видов изнашивания и разработка эффективных методов защиты от них являются критически важными инженерными задачами.

Общая классификация видов изнашивания

Изнашивание рабочих поверхностей деталей классифицируют по доминирующим физико-химическим процессам, вызывающим разрушение.

Выделяют три фундаментальные группы видов изнашивания, которые могут проявляться как в чистом виде, так и в различных комбинациях:

• Механическое изнашивание: Процесс, при котором удаление материала с поверхности происходит исключительно в результате механических воздействий. К этой группе относятся абразивное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное изнашивание, а также изнашивание при фреттинге и заедании.
• Коррозионно-механическое изнашивание: Совокупность процессов, где механическое воздействие на поверхность осложняется и интенсифицируется химическим или электрохимическим взаимодействием материала с окружающей средой. Сюда входят окислительное изнашивание и фреттинг-коррозия.
• Изнашивание при действии электрического тока: Специфический вид разрушения, при котором механические процессы усиливаются или инициируются прохождением электрического тока через контакт (например, электроэрозионное изнашивание).

Процесс изнашивания является сложной, многофакторной системой, зависящей от двух взаимосвязанных групп факторов. С одной стороны, это внешние факторы, определяемые условиями работы детали: приложенные нагрузки (статические, динамические, циклические), относительные скорости перемещения, температура, а также химическая агрессивность и физические свойства окружающей среды. С другой стороны, это внутренние факторы, а именно, способность самого материала противостоять внешним воздействиям. Эта способность определяется его химическим составом, микроструктурой (тип кристаллической решетки, размер зерна, наличие и морфология фаз), видом термической или химико-термической обработки, а также полученными в результате механическими и физическими свойствами (твердость, прочность, пластичность, ударная вязкость, модуль упругости).

Рис. 1. Классификация основных видов изнашивания материалов

1. Механическое изнашивание

Механическое изнашивание — это наиболее распространенная группа процессов разрушения поверхностей, возникающая в результате непосредственного силового контакта твердых тел. Ниже детально рассмотрены ключевые виды, относящиеся к этой категории.

1.1. Абразивное изнашивание

Абразивное изнашивание — это процесс изнашивания материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц, находящихся в контакте с поверхностью при их относительном перемещении. Этот вид износа является доминирующим для огромного класса машин и оборудования, включая горнодобывающую, строительную, дорожную и сельскохозяйственную технику, где рабочие органы постоянно контактируют с породой, грунтом, песком и другими абразивными средами.

Сущность процесса заключается в микромеханическом разрушении поверхностного слоя. Механизм включает в себя несколько составляющих: микрорезание (когда острая грань абразивной частицы снимает микростружку), пластическое оттеснение (когда частица оставляет на поверхности борозду с навалами материала по краям) и хрупкое выкрашивание (характерное для твердых и хрупких материалов).

Абразивные частицы могут быть различного происхождения:

• Внешние частицы: пыль, песок (в основном, диоксид кремния SiO₂, кварц), частицы руды, окалина.
• Продукты износа: наклепанные и отделившиеся металлические частицы из самой пары трения.
• Структурные составляющие: твердые фазы в структуре одного из сопряженных материалов (например, карбиды в стали), которые изнашивают более мягкий контр-материал.

В зависимости от состояния абразивных частиц, различают несколько подвидов изнашивания:

• Изнашивание закрепленным абразивом: Частицы жестко зафиксированы на одной из поверхностей (например, наждачная бумага, шлифовальный круг) или являются частью монолитного абразива (горная порода).
• Изнашивание свободным (незакрепленным) абразивом: Частицы находятся между двумя трущимися поверхностями и могут как скользить, так и перекатываться. Этот процесс характерен для узлов трения, куда попадает загрязнение.
• Гидро- и газоабразивное изнашивание: Являются частными случаями, когда твердые частицы переносятся потоком жидкости или газа. Это воздействие характерно для трубопроводов, насосов, лопаток турбин, работающих в запыленной среде.

На рельефе поверхности, подвергшейся абразивному изнашиванию при скольжении, отчетливо видны параллельные царапины, риски и борозды, ориентированные в направлении движения абразива (рис. 2).

Рис. 2. Рельеф поверхности зуба ковша экскаватора после изнашивания при скольжении по абразиву, ×3Исследования, проведенные М. М. Хрущовым и М. А. Бабичевым, заложили фундаментальные основы понимания абразивной износостойкости. Они установили, что для технически чистых металлов и отожженных сталей относительная износостойкость ε прямо пропорциональна их твердости HV:

(1)где b — коэффициент пропорциональности.

Для термически обработанных сталей (после закалки и отпуска) эта зависимость усложняется, так как на износостойкость влияет не только твердость, но и тип микроструктуры, наличие и дисперсность карбидной фазы. Зависимость для них описывается выражением:

(2)где ε₀ и HV₀ — относительная износостойкость и твердость стали в отожженном состоянии, а HV — твердость после термообработки.

Рис. 3. Зависимость относительной износостойкости ε чистых металлов, конструкционных и инструментальных сталей от их твердости НV при абразивном изнашивании (по М. М. Хрущову и М. А. Бабичеву)Как видно из графика на рис. 3, для чистых металлов зависимость линейна и проходит через начало координат. Для термообработанных сталей прямые смещены, что указывает на значительный вклад структурного фактора. При одинаковой твердости стали с большим содержанием углерода и легирующих карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, молибден) показывают более высокую износостойкость за счет наличия твердых карбидов. Однако критически важна и прочность матрицы, которая должна удерживать эти карбиды от выкрашивания. Особый случай представляют аустенитные стали (например, высокомарганцовистая сталь 110Г13Л), которые при относительно низкой исходной твердости обладают высокой износостойкостью за счет интенсивного деформационного упрочнения (наклепа) поверхностного слоя в процессе работы.

Ключевым фактором является соотношение твердости абразива (H_а) и твердости материала (H_м). Установлено, что если H_а/H_м < 1, износ минимален. Резкий рост интенсивности изнашивания наблюдается в диапазоне 1 < H_а/H_м < 1.5, а при дальнейшем увеличении этого соотношения интенсивность износа стабилизируется на высоком уровне.

Способы повышения абразивной износостойкости:

• Легирование: Введение в состав сплава элементов (Cr, W, V, Mo, Ti), образующих высокотвердые карбиды, бориды, нитриды.
• Термическая обработка: Закалка на мартенсит для получения высокой твердости матрицы.
• Химико-термическая обработка: Цементация, азотирование, борирование для насыщения поверхностного слоя углеродом, азотом или бором и создания износостойкого диффузионного слоя.
• Поверхностное упрочнение: Обкатка роликами, дробеструйная обработка для создания наклепанного слоя с остаточными напряжениями сжатия.
• Наплавка и напыление: Нанесение на рабочую поверхность слоя износостойкого материала (например, стеллитов, сормайтов, карбидов вольфрама).
• Современные методы: Лазерная закалка и легирование, ионная имплантация, нанесение PVD и CVD покрытий (например, TiN, TiC, Al₂O₃, алмазоподобных покрытий DLC).

1.1.1. Гидро- и газоабразивное изнашивание

Эти процессы являются разновидностью абразивного изнашивания, при котором твердые частицы переносятся потоком жидкости или газа. Характер разрушения поверхности здесь сильно зависит от угла атаки α — угла между вектором скорости частицы и поверхностью (рис. 4).

Рис. 4. Схемы газоабразивного (а) и гидроабразивного (б) изнашивания в зависимости от угла атаки

• При углах атаки, близких к 90°, преобладает ударный механизм. Кинетическая энергия частиц вызывает пластическую деформацию, наклеп и хрупкое разрушение поверхности. В этом случае максимальную стойкость проявляют пластичные, вязкие материалы, способные поглощать энергию удара.
• При малых углах атаки (близких к 0°) доминирует механизм микрорезания и царапания, аналогичный изнашиванию закрепленным абразивом. Здесь преимущество имеют материалы с высокой твердостью.

Таким образом, для пластичных материалов максимальный износ наблюдается при малых углах атаки, а для хрупких — при углах, близких к 90°. Это явление необходимо учитывать при проектировании деталей, работающих в таких условиях, например, изменяя геометрию для минимизации износа.

1.2. Эрозионное изнашивание

Эрозионное изнашивание возникает в результате механического воздействия потока чистой жидкости или газа (без значительного содержания твердых абразивных частиц). Оно близко к гидро- и газоабразивному изнашиванию, но механизм разрушения связан с динамическим давлением самого потока. Такое воздействие разрушает защитные оксидные пленки, а турбулентные вихри и пульсации давления вызывают усталостные явления в поверхностном слое, приводя к вымыванию и уносу частиц материала.

Скорость эрозионного разрушения прямо пропорциональна кинетической энергии потока (т.е. зависит от плотности среды и квадрата ее скорости) и сильно зависит от шероховатости поверхности, которая может провоцировать локальную турбулентность. Эрозии подвержены лопатки паровых и газовых турбин, детали дроссельно-регулирующей арматуры (вентили, клапаны), трубопроводы в местах изгибов. В двигателях внутреннего сгорания эрозионному износу подвергаются тарелки выпускных клапанов и распылители форсунок (рис. 5).

Рис. 5. Очаги эрозии на рабочей поверхности поршневого кольца авиационного двигателя, возникшие из-за прорыва горячих газовРазличают несколько механизмов эрозии:

• Щелевая эрозия: Размывание поверхности струей жидкости или влажного пара, проходящего с высокой скоростью через узкую щель (например, между плунжером и седлом клапана).
• Ударная эрозия (капельная эрозия): Разрушение материала под действием ударов капель жидкости, содержащихся, например, во влажном паре.

Высоким сопротивлением эрозионному изнашиванию обладают вязкие, пластичные материалы, способные к наклепу, например, аустенитные стали. Для защиты деталей запорной арматуры применяют ступенчатое (каскадное) дросселирование потока для снижения его скорости и энергии, а также используют эрозионно-стойкие наплавки из стеллитов или других кобальтовых и никелевых сплавов.

1.3. Кавитационное изнашивание

Кавитационное изнашивание — это специфический вид эрозионного разрушения, происходящий при движении твердого тела в жидкости в условиях гидродинамической кавитации. Кавитация (от лат. cavitas — пустота) — это явление образования в жидкости парогазовых пузырьков (каверн) в областях, где локальное давление падает ниже давления насыщенного пара жидкости. Это происходит в высокоскоростных потоках, например, на лопастях гребных винтов, рабочих колесах насосов и гидротурбин, на внешних поверхностях мокрых гильз цилиндров ДВС.

Образовавшиеся пузырьки, перемещаясь с потоком в зону более высокого давления, резко схлопываются (конденсируются). Этот процесс сопровождается возникновением локальных гидравлических микроударов с давлениями, достигающими 1000 МПа, и высокими температурами. Многократное повторение таких микроударов вызывает интенсивное деформационное упрочнение поверхностного слоя, зарождение усталостных трещин и, в конечном итоге, выкрашивание частиц материала. Поверхность приобретает характерный губчатый, изъязвленный вид (рис. 6, 7).

Рис. 6. Схема возникновения гидравлических микроударов при схлопывании (коллапсе) кавитационного пузырька у поверхности твердого тела

а                                                          б 

Рис. 7. Внешний вид деталей, изношенных кавитацией: гильза цилиндра дизельного двигателя (а) и гребной винт катера на подводных крыльях (б)Наибольшей кавитационной стойкостью обладают материалы, сочетающие высокую вязкость, способность к интенсивному деформационному упрочнению и коррозионную стойкость. Классическим примером являются метастабильные аустенитные стали (МАС) на хромомарганцевой основе (например, 30Х10Г10), исследованные И.Н. Богачевым. Под действием кавитационных микроударов в поверхностном слое таких сталей происходит фазовое превращение аустенита в мартенсит, что приводит к резкому повышению твердости (до 4-5 раз) и возникновению сжимающих напряжений, препятствующих развитию трещин.

Рис. 8. Сравнительные результаты испытаний на кавитационную стойкость: потеря массы, твердость поверхности НВ, глубина наклепанного слоя h для закаленных сталей 30Х10Г10 (1) и стабильной аустенитной стали 12Х18Н10Т (2), а также количество α‑мартенсита на поверхности образцов стали 30Х10Г10 (α) в процессе кавитационного воздействия (по И. Н. Богачеву и Р. И. Минцу)Таблица 1. Сравнение механических свойств и кавитационной стойкости различных аустенитных сталей

Марка стали	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU, МДж/м²	Потери массы за 10 ч испытаний, мг
	МПа		%
12Х18Н10Т (стабильный аустенит)	330	620	44	52	2,4	1250
30Х10Г10 (метастабильный аустенит)	340	790	16	9	1,2	15
03Х14АГ12М	450	955	45	49	2,8	150
20Х13Н3Г4	320	1530	24	15	2,3	40

1.4. Усталостное изнашивание (Контактная усталость)

Усталостное изнашивание — это процесс разрушения поверхностных и подповерхностных слоев материала под действием многократных циклических контактных напряжений. Этот вид изнашивания характерен в первую очередь для условий трения качения или качения с проскальзыванием и проявляется в виде образования и развития трещин, приводящих к отделению частиц материала — выкрашиванию, или питтингу. Типичные примеры деталей, подверженных контактной усталости: подшипники качения, зубья шестерен, железнодорожные колеса и рельсы.

При контакте двух тел (например, двух цилиндров или цилиндра и плоскости) в зоне контакта возникает сложное напряженное состояние. Максимальные нормальные (сжимающие) напряжения действуют на самой поверхности, а максимальные касательные напряжения, которые и являются основной причиной зарождения усталостных трещин, возникают на некоторой глубине под поверхностью (рис. 10).

Рис. 9. Схема распределения касательных напряжений, возникающих при качении цилиндра по плоскостиМногократное прохождение контакта (например, прокатывание шарика по дорожке качения подшипника) приводит к циклическому изменению напряжений в материале. Это вызывает накопление усталостных повреждений на микроуровне (накопление дислокаций, образование субмикропор), которые со временем развиваются в макротрещины. Трещина, зародившаяся под поверхностью, распространяется параллельно ей, а затем выходит на поверхность, приводя к отслаиванию и выкрашиванию частицы металла. На поверхности образуется характерная ямка — оспина.

Механизм усталостного изнашивания можно представить в виде следующих стадий (рис. 11):

1. Зарождение микротрещины либо на поверхности (в местах концентрации напряжений, таких как риски, вмятины), либо в подповерхностном слое (в зоне максимальных касательных напряжений, часто на неметаллических включениях).
2. Рост и развитие трещины под действием циклических нагрузок. Если трещина выходит на поверхность, в нее может проникать смазочный материал, который при сжатии создает эффект гидравлического клина, ускоряя ее развитие.
3. Слияние трещин и отделение частицы материала (выкрашивание).

Рис. 10. Схема усталостного изнашивания поверхности при P < P_кр, демонстрирующая возникновение первичной микротрещины на поверхности (а) и в подповерхностном слое (б) (по В. А. Зорину)Сопротивление материала усталостному изнашиванию (контактная выносливость) зависит от множества факторов:

• Свойства материала: Высокая твердость, прочность, чистота по неметаллическим включениям.
• Качество поверхности: Низкая шероховатость, отсутствие дефектов.
• Технологические факторы: Создание в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия методами поверхностного пластического деформирования (накатка, дробеструйная обработка) или химико-термической обработки (азотирование, цементация) значительно повышает контактную выносливость.
• Условия смазки: Вязкость смазочного материала играет ключевую роль. Достаточно толстая масляная пленка (режим эластогидродинамической смазки) способна полностью разделить контактирующие поверхности и резко снизить контактные напряжения, предотвращая питтинг.

Рис. 11. Зависимость времени наработки (τ) до появления усталостного выкрашивания от вязкости смазочного материала (μ), твердости материала (НВ) и контактной нагрузки (N)

1.5. Изнашивание при заедании (Адгезионное изнашивание)

Изнашивание при заедании, также известное как адгезионное изнашивание, — это один из наиболее тяжелых и катастрофических видов износа. Оно возникает в результате схватывания — образования прочных металлических связей между контактирующими поверхностями на микроскопическом уровне. При последующем относительном смещении эти «мостики» холодной сварки разрушаются, что приводит к глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности на другую и образованию задиров.

Схватывание происходит в условиях, когда защитные пленки (оксидные, адсорбированные, смазочные) на поверхностях разрушаются, и происходит контакт ювенильных (чистых) участков металла. Это может быть вызвано высокими контактными давлениями, недостатком смазки, низкими скоростями (не позволяющими сформироваться гидродинамической пленке) или, наоборот, очень высокими скоростями и температурами.

Различают два основных вида заедания:

• Схватывание I рода (холодный задир): Происходит при относительно низких температурах (до 100-200 °C) и скоростях (до 0.5 м/с), но при высоких контактных давлениях. Характерно для тяжелонагруженных низкоскоростных узлов трения. Разрушение происходит в виде глубинного вырывания и переноса материала (рис. 13).
• Схватывание II рода (горячий задир): Развивается при высоких скоростях и нагрузках, когда в зоне контакта возникают высокие температуры (500–1500 °C). Нагрев приводит к размягчению материала, десорбции смазки и интенсивному термически активируемому схватыванию. Поверхность может оплавляться.

Рис. 12. Внешний вид рабочей поверхности коленчатого вала тяжелого грузовика после изнашивания схватыванием I рода и глубинным вырыванием при трении скольженияСклонность к схватыванию зависит от физико-химической природы контактирующих материалов. Пары трения из одноименных или металлургически сродных металлов (например, сталь по стали, алюминий по алюминию) более склонны к заеданию. Для предотвращения этого вида изнашивания применяют:

• Подбор антифрикционных пар: Использование материалов, не склонных к взаимному свариванию (например, сталь-бронза, сталь-баббит).
• Смазочные материалы: Применение масел с противозадирными (EP — Extreme Pressure) присадками, которые при высоких температурах образуют на поверхности химические пленки, предотвращающие прямой контакт металлов.
• Нанесение покрытий: Использование мягких антифрикционных покрытий (олово, серебро, индий) или, наоборот, очень твердых (нитрид титана, алмазоподобные покрытия).

1.6. Изнашивание при фреттинге

Изнашивание при фреттинге — это специфический вид механического изнашивания, который возникает в сопряжениях, номинально неподвижных, но испытывающих малые колебательные относительные перемещения (микросмещения) с амплитудой от долей до сотен микрометров. Такие условия возникают в прессовых посадках (например, подшипник на валу), болтовых и заклепочных соединениях, листовых рессорах под действием вибраций и циклических деформаций.

Механизм фреттинга сложен. Малые амплитуды смещений приводят к тому, что продукты износа не удаляются из зоны контакта, а накапливаются в ней. Эти мелкодисперсные частицы, действуя как абразив, ускоряют изнашивание. Кроме того, постоянное разрушение защитных оксидных пленок и обнажение ювенильных поверхностей приводит к локальному адгезионному взаимодействию (схватыванию) и последующему разрушению микросваренных участков. Этот процесс часто сопровождается интенсивным окислением, и тогда его называют фреттинг-коррозией (рассмотрено ниже).

Фреттинг опасен не только потерей материала и нарушением точности посадки, но и тем, что он создает на поверхности множество микроконцентраторов напряжений, что резко снижает усталостную прочность деталей.

2. Коррозионно-механическое изнашивание

Коррозионно-механическое изнашивание представляет собой синергетический процесс, в котором механическое разрушение поверхности усугубляется химическим или электрохимическим взаимодействием материала с окружающей средой. Коррозия ослабляет поверхностный слой, делая его более восприимчивым к механическому удалению, а механическое воздействие, в свою очередь, постоянно разрушает защитные пассивные пленки, обнажая активную поверхность для дальнейшей коррозии. Интенсивность такого изнашивания обычно значительно выше, чем сумма интенсивностей чисто механического износа и чистой коррозии.

2.1. Окислительное изнашивание

Окислительное изнашивание — это форма коррозионно-механического изнашивания, при которой доминирующей химической реакцией является взаимодействие материала с кислородом воздуха или другой окисляющей средой. Этот процесс протекает в условиях трения без смазки или при граничной смазке, когда температуры и давления в контакте способствуют образованию оксидных пленок.

Процесс имеет двойственный характер. С одной стороны, тонкие и плотные оксидные пленки играют защитную роль, предотвращая катастрофическое адгезионное схватывание. С другой стороны, эти пленки, как правило, более хрупкие, чем основной металл. Под действием циклических нагрузок при трении они разрушаются и удаляются с поверхности, обнажая металл для нового цикла окисления. Продукты износа в этом случае представляют собой частицы оксидов.

В зависимости от условий (нагрузка, скорость, температура) и свойств материалов, могут образовываться различные типы вторичных структур (рис. 14):

• Вторичные структуры I рода: Образуются при более мягких условиях. Представляют собой тонкие (10-30 нм), пластичные пленки, являющиеся пересыщенными твердыми растворами кислорода в деформированном металле. Они обеспечивают низкий износ. Поверхность трения становится очень гладкой (полированной).
• Вторичные структуры II рода: Формируются при более жестких условиях. Это более толстые (до 100 нм и более), хрупкие пленки, состоящие из стехиометрических оксидов (например, Fe₂O₃, Fe₃O₄ для стали). Их образование и последующее хрупкое разрушение приводит к более интенсивному износу.

Рис. 13. Схема строения поверхностных слоев при окислительном изнашивании (ОИ): а — вторичные структуры 1‑го рода, б — вторичные структуры 2‑го родаТаблица 2. Ключевые характеристики вторичных структур при окислительном изнашивании

Характеристика	Тип вторичных структур
	1‑го рода (мягкий износ)	2‑го рода (жесткий износ)
Глубина разрушаемого слоя	10–30 нм	10–100 нм
Температура поверхностного слоя	До 100 °C	До 200 °C
Увеличение твердости относительно основы	в 2–3 раза	в 4–5 раз
Характер разрушения	Вязкое (сдвиг пленок)	Вязко-хрупкое (скалывание)
Ориентировочная скорость изнашивания	До 0,1 мкм/ч	До 0,05 мкм/ч

2.2. Водородное изнашивание

Водородное изнашивание (водородный износ) — это специфический вид разрушения, связанный с проникновением и накоплением водорода в поверхностном слое металлических деталей. Водород может выделяться из смазочных материалов, топлив, технологических жидкостей (например, воды) в результате их трибохимической деструкции в зоне трения.

Механизм водородного изнашивания связан с явлением водородного охрупчивания. Атомарный водород, обладая малым размером, легко диффундирует в кристаллическую решетку металла, накапливаясь у дефектов (дислокаций, границ зерен, микропор). Это приводит к снижению пластичности и прочности материала. В полостях водород может рекомбинировать в молекулярный H₂, создавая огромное внутреннее давление, которое способствует зарождению и росту трещин.

Установлены две основные формы проявления водородного износа:

• Водородное изнашивание диспергированием: При относительно низких концентрациях водорода происходит постепенное охрупчивание и измельчение поверхностного слоя с образованием мелкодисперсных продуктов износа.
• Водородное изнашивание разрушением: При достижении критической концентрации водорода происходит практически мгновенное хрупкое разрушение поверхностного слоя толщиной в несколько микрометров.

Рис. 14. Зависимость количества поглощенного водорода C_н (1) и интенсивности изнашивания J (2) от продолжительности наводороживания для стали 45Данный вид изнашивания особенно актуален для деталей топливной аппаратуры, узлов трения, работающих в контакте с водой или в водородсодержащих средах (например, в нефтехимической промышленности).

2.3. Изнашивание при фреттинг-коррозии

Фреттинг-коррозия — это процесс, сочетающий в себе механическое изнашивание при фреттинге и интенсивное химическое (чаще всего, окислительное) взаимодействие с окружающей средой. Как уже упоминалось, при фреттинге происходит постоянное разрушение защитных пассивных пленок на микроучастках контакта. Обнаженные ювенильные поверхности металла обладают высокой химической активностью и мгновенно окисляются. Продукты коррозии (оксиды) накапливаются в зазоре.

Процесс развивается по следующей схеме (рис. 15):

1. При микросмещениях происходит разрушение исходных оксидных пленок и локальное адгезионное схватывание.
2. Микросваренные участки разрушаются, образуя мелкодисперсные металлические частицы.
3. Эти частицы немедленно окисляются, образуя твердые и часто абразивные оксиды (например, Fe₂O₃ для стали, Al₂O₃ для алюминия).
4. Накопление этих твердых частиц в замкнутом объеме зазора вызывает интенсивное абразивное изнашивание обеих поверхностей.
5. Увеличение объема при переходе металла в оксид может приводить к «распиранию» сопряжения и даже к его заклиниванию.

В результате на поверхностях образуются характерные язвы, заполненные продуктами коррозии красно-бурого цвета (для сталей), напоминающими какао-порошок. Фреттинг-коррозия опасна не только потерей размеров и ослаблением посадок, но и резким снижением предела выносливости деталей из-за образования множества поверхностных микротрещин.

Рис. 15. Упрощенная схема механизма изнашивания металлических поверхностей при фреттинг‑коррозии: 1, 2 — контактирующие детали; 3 — исходные точки контакта; 4 — зарождающиеся каверны; 5 — объединенная каверна, заполненная продуктами износа; 6 — усталостные трещины; 7, 8 — отколовшиеся частицы металла и оксидов

3. Электроэрозионное изнашивание

Электроэрозионное изнашивание — это процесс разрушения поверхности под совместным действием электрических разрядов и механических факторов. Оно возникает в узлах трения, через которые проходит электрический ток. Типичные примеры: щетко-коллекторные узлы электродвигателей, токосъемники пантографов, подшипники электромашин (из-за блуждающих токов), контакты реле и выключателей.

Механизм разрушения связан с тем, что электрический разряд (искра или дуга), возникающий в точке контакта, вызывает локальный нагрев металла до температуры плавления и даже кипения. Происходит оплавление и испарение микрообъемов материала, которые затем уносятся с поверхности. На ней остаются характерные следы в виде мелких лунок и кратеров. Механическое трение способствует удалению продуктов эрозии и постоянному изменению точек контакта, что распределяет повреждения по поверхности.

4. Сравнительная характеристика основных видов изнашивания

Для систематизации представленной информации и облегчения идентификации механизмов износа на практике, ниже приведена сравнительная таблица основных видов изнашивания.

Таблица 3. Сравнительный анализ ключевых видов изнашивания

Вид изнашивания	Основной механизм	Внешние признаки	Типичные объекты	Основные методы борьбы
Абразивное	Микрорезание, царапание, пластическое оттеснение твердыми частицами.	Параллельные борозды, риски, царапины в направлении скольжения. Матовая поверхность.	Зубья ковшей, лемеха плугов, детали бурового оборудования, цилиндро-поршневая группа при попадании пыли.	Повышение твердости, износостойкие наплавки и покрытия (карбидные, керамические), эффективная фильтрация сред.
Усталостное (Питтинг)	Зарождение и рост трещин под поверхностью под действием циклических контактных напряжений.	Оспины, ямки выкрашивания на рабочей поверхности.	Подшипники качения, зубья шестерен, железнодорожные колеса и рельсы.	Повышение контактной выносливости материала, создание сжимающих напряжений (ППД, азотирование), применение смазок нужной вязкости.
Адгезионное (Заедание)	Образование и разрушение микросварных соединений (мостиков схватывания).	Глубокие борозды (задиры), наволакивание и перенос материала, следы оплавления (при горячем задире).	Тяжелонагруженные пары скольжения (вкладыши, направляющие), резьбовые соединения при затяжке.	Подбор антифрикционных пар, противозадирные присадки в маслах, мягкие или сверхтвердые покрытия.
Кавитационное	Микрогидроудары при схлопывании парогазовых пузырьков в жидкости.	Губчатая, изъязвленная, шероховатая поверхность с глубокими кавернами.	Гребные винты, рабочие колеса насосов и гидротурбин, «мокрые» гильзы цилиндров ДВС.	Применение кавитационно-стойких сталей (метастабильных аустенитных), бронз; оптимизация гидродинамики потока.
Эрозионное	Механическое воздействие потока жидкости или газа (ударное, гидродинамическое).	Плавное сглаживание, образование лунок, волнистый рельеф, утонение стенок.	Лопатки турбин, детали запорной арматуры, изгибы трубопроводов.	Применение вязких и пластичных материалов, эрозионно-стойкие покрытия, снижение скорости потока.
Фреттинг-коррозия	Сочетание микросмещений, адгезии и интенсивного окисления продуктов износа.	Пятна и язвы, заполненные красно-бурым порошком (для сталей).	Прессовые посадки, шлицевые и болтовые соединения, листовые рессоры.	Уменьшение микросмещений (увеличение натяга, применение анаэробных герметиков), снижение трения (смазки с MoS₂), антифрикционные прокладки.

5. Интересные факты и FAQ по теме изнашивания

Интересные факты

• Эффект безызносности: В 1956 году советские ученые Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский открыли эффект избирательного переноса (позже названный эффектом безызносности), при котором в парах трения медь-сталь в присутствии глицерина на поверхностях образуется тонкая сервовитная (защитная) пленка, которая практически полностью устраняет износ.
• Трибология в биологии: Процессы трения и изнашивания играют ключевую роль в живых организмах. Например, суставы человека и животных являются уникальными трибологическими узлами с чрезвычайно низким коэффициентом трения (около 0.001-0.03) благодаря синовиальной жидкости и строению хряща. Изучение этих механизмов помогает в создании эндопротезов.
• Космическая трибология: В условиях вакуума и экстремальных температур стандартные смазки не работают (испаряются или замерзают). Отсутствие кислорода предотвращает образование защитных оксидных пленок, что приводит к мгновенному холодному свариванию (схватыванию) металлических поверхностей. Для космической техники разрабатывают специальные твердые смазки (дисульфид молибдена, графит), покрытия и материалы.
• Износ и звук: Акустическая эмиссия — метод неразрушающего контроля, позволяющий «услышать» процессы изнашивания. Зарождение трещин, пластическая деформация, трение генерируют звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, которые можно регистрировать датчиками и диагностировать износ на самых ранних стадиях.

FAQ (Часто задаваемые вопросы)

В чем разница между изнашиванием и износом?

Изнашивание — это процесс разрушения поверхности с течением времени. Износ — это результат этого процесса, то есть количественная величина, на которую изменились размеры или масса детали (например, «износ составил 0.1 мм»).

Какой вид изнашивания самый опасный?

Наиболее опасным, или катастрофическим, видом износа считается адгезионное изнашивание (заедание). В отличие от других видов, которые развиваются постепенно, заедание может привести к мгновенному заклиниванию и поломке механизма.

Всегда ли высокая твердость означает высокую износостойкость?

Нет, не всегда. Прямая зависимость хорошо работает при абразивном изнашивании (и то с оговорками на структуру). Однако в условиях ударных нагрузок, кавитации или эрозии чрезмерно твердый, но хрупкий материал может разрушаться быстрее, чем более мягкий, но вязкий и пластичный. Пример — сталь Гадфильда (110Г13Л), которая при низкой исходной твердости отлично сопротивляется ударно-абразивному износу.

Можно ли полностью устранить износ?

Полностью устранить износ в реальных механизмах практически невозможно, так как трение является фундаментальным физическим явлением. Однако можно значительно снизить его интенсивность (иногда в сотни и тысячи раз) за счет правильного подбора материалов, использования эффективных смазочных систем, нанесения современных износостойких покрытий и оптимизации условий эксплуатации.

Что такое «кривая износа»?

Это типовая зависимость величины износа от времени работы. Она имеет три характерных участка: период приработки (интенсивный начальный износ, когда сглаживаются микронеровности), период нормального (установившегося) износа (длительный этап с постоянной, низкой скоростью изнашивания) и период катастрофического износа (резкое ускорение изнашивания перед отказом детали).

Заключение

Изнашивание является комплексным и многогранным физико-химическим процессом, определяющим надежность, долговечность и экономическую эффективность эксплуатации подавляющего большинства машин и механизмов. Рассмотренные виды изнашивания — от абразивного и усталостного до кавитационного и фреттинг-коррозии — редко существуют в изолированном виде, чаще всего проявляясь в сложных комбинациях. Глубокое понимание доминирующих механизмов разрушения в каждом конкретном узле трения является ключом к разработке целенаправленных и эффективных мер защиты.

Современная трибология и инженерия поверхностей предлагают широкий арсенал средств для борьбы с износом: от создания новых объемно-легированных сплавов и композитов до применения передовых технологий модификации поверхности, таких как лазерная обработка, ионная имплантация и нанесение многофункциональных наноструктурированных покрытий. Правильный выбор конструкционных и смазочных материалов, оптимизация режимов работы и своевременная диагностика состояния трибосопряжений позволяют значительно продлить ресурс техники и предотвратить аварийные отказы, внося существенный вклад в повышение технического уровня и конкурентоспособности продукции.

---

Нормативная база

1. ГОСТ 27674-88 — Надежность техники. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения.
2. ГОСТ 17367-71 — Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы.
3. ГОСТ 23.208-79 — Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы.
4. ГОСТ 23.211-80 — Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии.
5. ГОСТ 30480-97 — Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость. Общие требования.
6. ГОСТ 9490-75 — Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине.

Список литературы

1. 1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. — М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.
   2. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность). — М.: «МСХА», 2001. — 616 с.
   3. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. — М.: Наука, 1970. — 252 с.
   4. Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. — Свердловск: Машгиз, 1959. — 188 с.
   5. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. — Киев: Техніка, 1970. — 396 с.
   6. Холл Д. Инженерия поверхностей. / Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1985. — 364 с.