Основы механического изнашивания сталей и сплавов

Москва • 2020 • Логос

Г.М. Сорокин, В.Н. Малышев

ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКОГО 
ИЗНАШИВАНИЯ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением
вузов Российской Федерации 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для подготовки бакалавров 
и магистров высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 150700 «Машиностроение», 
профилю «Оборудование и технология повышения 
износостойкости и восстановления деталей 
машин и аппаратов»

УДК 620.179.112
ББК 34.41
     С65

С65
Сорокин Г.М. 

ISBN 978-5-98704-661-6
УДК 620.179.112 
ББК 34.41

© Сорокин Г.М., 
    Малышев В.Н., 2020 
© Логос, 2020

Р е ц е н з е н т ы: 
Д.Е. Бугай, доктор технических наук, профессор Уфимского государственного 
нефтяного технического университета

Кафедры «Топливообеспечение и газоснабжение» и «Бурение нефтяных 
и газовых скважин» Сибирского федерального университета

Редактор Е.В. Комарова
Корректура и верстка Ю.В. Халфиной

Формат 60×90/16.  Печать офсетная. Бумага офсетная. 
Подписано в печать 07.05.20. Печ. л. 19,25.  Тираж 500 экз. 

Издательская группа «Логос»
Тел.: (495) 981-51-12, 955-78-30. Сайт: www.logosbook.ru

Основы механического изнашивания сталей и сплавов: 
учебное  п о собие  /  Г .М.  С  о рокин,  В  .Н.  Малышев.  –  М.: 
Логос, 2020.  – 308 с.

ISBN 978-5-98704-661-6

Систематизирована обширная информация о природе и закономерностях механического изнашивания, главным образом при воздействии 
абразива в условиях трения скольжения, качения, удара, воздушноабразивного потока, в массе незакрепленного абразива и при контакте 
металлических поверхностей без абразива и смазки. Основное внима-ние 
уделено изучению влияния механических свойств сталей и сплавов при 
всех видах изнашивания и выявлению критериев оценки износостойкости сталей и сплавов при различных условиях внешнего силово-го 
воздействия.
Для бакалавров и магистров высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 150700 «Машиностроение», профилю «Оборудование и технология повышения износостойкости и 
восстановления деталей машин и аппаратов». Может быть полезна преподавателям, аспирантам, научным работникам, конструкторам, трибологам, металловедам, работающим в области создания износостойких 
сталей и сплавов. 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................................................................ 6
Введение ..................................................................................................... 7

Глава 1. Изнашивание сталей и сплавов при взаимодействии 
с абразивом – как разновидность классического 
разрушения металлов............................................................ 11
1.1. Общие замечания............................................................................... 11
1.2. Трещинообразование......................................................................... 13
1.3. Лункообразование.............................................................................. 15
1.4. Шаржирование поверхности изнашивания .................................... 18
1.5. Образование «белой фазы»............................................................... 19

Глава 2. Виды механического изнашивания оборудования 
и инструмента ......................................................................... 22
2.1. Общие замечания............................................................................... 22
2.2. Изнашивание в условиях трения скольжения................................. 23
2.3. Изнашивание в условиях удара по абразиву................................... 25
2.4. Изнашивание в воздушно- или газо-абразивном потоке ............... 28
2.5. Изнашивание при движении в массе незакрепленного 
       абразива .............................................................................................. 30
2.6. Роль абразива в природе механического изнашивания.................. 31
2.7. Сведения об абразивах...................................................................... 35
2.8. Классификация видов изнашивания................................................ 37

Глава 3. Методы испытаний конструкционных материалов 
на изнашивание ...................................................................... 41
3.1. Методы испытаний на абразивное изнашивание ........................... 41
3.2. Влияние режимов испытания на природу абразивного 
       изнашивания ...................................................................................... 46
3.3. Методы испытаний на изнашивание при ударе.............................. 48
3.4. Метод испытаний на изнашивание при трении качения 
       по незакрепленному абразиву .......................................................... 57

Оглавление

Глава 4. Характеристики механических свойств сталей ................ 62
4.1. Механические свойства сталей различных структурных 
       классов ................................................................................................ 62
4.2. Взаимосвязь механических свойств сталей .................................... 70
4.3. Возможности управления механическими свойствами сталей ..... 79

Глава 5. Экспериментальные исследования абразивного 
                изнашивания сталей различных структурных классов ... 83
5.1. Влияние различных характеристик сталей 
       на их износостойкость ...................................................................... 83
5.2. Структурная устойчивость сталей и ее роль при абразивном 
       изнашивании ...................................................................................... 93
5.3. Методы поверхностного упрочнения и оценка износостойкости
       упрочненных поверхностей  ........................................................... 103
5.4. Влияние содержания углерода в сталях на их износостойкость ... 124

Глава 6. Изнашивание сталей в воздушно-абразивном 
                и газо-абразивном потоке .................................................... 128
6.1. Особенности изнашивания в воздушно-абразивном потоке ....... 128
6.2. Методическая информация ............................................................. 130
6.3. Деформация поверхностного слоя при контакте с абразивной 
       частицей  ........................................................................................... 135
6.4. Характер изменения объема единичной лунки............................. 139
6.5. Изнашивание сталей в потоке абразива ........................................ 143
6.6. О новых критериях оценки износостойкости сталей 
       в потоке абразива  ............................................................................ 150
6.7. Изнашивание сталей при качении по незакрепленному 
       абразиву ............................................................................................ 157
6.8. Особенности изнашивания сталей в гидроабразивном потоке ... 162

Глава 7. Изнашивание сталей и сплавов при ударе по абразиву 164
7.1. Понятие об ударе ............................................................................. 164
7.2. Основные закономерности ударно-абразивного изнашивания ... 169
7.3. Влияние механических свойств сталей на их износостойкость 
       при ударе по абразиву и по металлу .............................................. 181
7.4. Ударно-абразивное изнашивание наплавочных сплавов ............. 197
7.5. Ударно-абразивное изнашивание твердых спеченных сплавов .. 204
7.6. Ударно-абразивное изнашивание упрочняющих покрытий ........ 209
7.7. Влияние содержания углерода в сталях на механизм 
       ударно-абразивного изнашивания .................................................. 211
7.8. Критерии износостойкости сталей при изнашивании
       в условиях удара .............................................................................. 215

Оглавление 

Глава 8. Комплексные критерии оценки износостойкости
                сталей и сплавов ................................................................... 220
8.1. Исходные предпосылки .................................................................. 220
8.2. Роль твердости ................................................................................. 221
8.3. Прочностная основа критериев механического изнашивания 
       сталей  ............................................................................................... 225
8.4. Роль показателей пластичности в оценке износостойкости ........ 227
8.5. Практика применения комплексного критерия оценки 
       износостойкости  ............................................................................. 234

Глава 9. Окислительное изнашивание ............................................. 237
9.1. Общая характеристика окислительного изнашивания................. 237
9.2. Механизм формирования окисных пленок ................................... 240
9.3. Рельеф поверхности при нормальных условиях эксплуатации .. 242
9.4. Этапы окислительного изнашивания............................................. 251

Глава 10. Общие вопросы трибологии ............................................. 253
10.1. Трение как составная компонента в механизме механического 
         изнашивания ................................................................................... 253
10.2. Конструкторские аспекты в трибологии ..................................... 255
10.3. Справочные материалы ................................................................. 260

Глава 11. Роль металловедения в решении проблем
                 трибологии ............................................................................ 279
11.1. Тенденции развития металловедения последних лет ................. 279
11.2. Перспективы создания высокопрочных сталей .......................... 284
11.3. Перспективы и возможности повышения долговечности 
         машин различного назначения ..................................................... 289

Заключение .............................................................................................. 296
Список литературы ................................................................................. 298
Об авторах ............................................................................................... 303

Приложение ............................................................................................. 305

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время единого полноценного учебника, освещающего все аспекты трибологии как лекционного технического курса, нет. 
Было издано несколько вариантов учебников, но многое из того, что 
необходимо для лекционного курса, в них отсутствует. Учебные планы 
для механиков-трибологов и их лекционная реализация дополняются 
монографиями известных ученых, используемыми преподавателями 
курса трибологии в своей работе. 
Предлагаемое учебное пособие «Основы механического изнашивания сталей и сплавов» по своему содержанию максимально приближено к учебным программам, оно содержит обширную инженерную информацию, с учетом заводских требований, предъявляемых будущим 
механикам-трибологам.
В учебном пособии всесторонне рассмотрены все известные виды 
механического изнашивания, связанные с воздействием абразива и без 
такового, различные виды окислительного изнашивания. При этом особое внимание уделено выявлению функциональной связи износостойкости сталей и сплавов с их механическими свойствами.
Предлагается новый универсальный критерий на основе гостированных механических характеристик, позволяющий без проведения 
испытаний на изнашивание ранжировать стали и сплавы по их износостойкости и прочности при совместном влиянии абразива и кратковременных и длительных нагрузках на исполнительные звенья 
машин. 
Отмечается определяющая роль металловедения как основного 
средства, обеспечивающего высокую износостойкость и долговечность 
оборудования в эксплуатационных условиях. При этом главнейшим условием успешного функционирования трибологии как науки является 
ее теснейшая связь с металловедением – залог успехов технического 
прогресса.

ВВЕДЕНИЕ

Последние годы наступившего века существенно изменили мнение 
научной общественности о трибологии как науке. Былые представления о ней, подкрепляемые многие годы экспериментальными и реже 
теоретическими исследованиями, несколько утратили прикладную значимость трибологии.
Массовая аварийность оборудования в различных отраслях народного хозяйства, часто сопровождающаяся большими людскими жертвами, стала настоятельно требовать выбора лучших сортов сталей из 
имеющегося марочника, способных обеспечить безаварийную работу 
машин.
Время поставило перед трибологией необходимость конкретных 
инженерных решений, чтобы объяснить, выявить и найти способы 
устранения причины массовой аварийности, сильно тормозящей дальнейшее развитие технического прогресса.
Часто в оправдание массовой аварийности ссылались на человеческий фактор, не пытаясь глубже вникнуть в фактические причины этого 
непредсказуемого технического явления. Некоторые ученые, работающие в этой области, хорошо понимали причины массовой аварийности, 
но публично о таком возможном исходе писали мало.
К этому времени у многих ученых-трибологов накопился большой 
массив научной информации – итог многолетней деятельности в этой 
области. Однако с послевоенного периода и до конца прошедшего века 
заводы бывшего Союза не включали в состав заводской организационной структуры трибологическую службу – по типу главного металлурга, главного технолога, главного конструктора и т.д. Такую позицию 
администрации завода можно объяснить при создании любой новой 
машины наличием уверенности, что заводской инженерный потенциал в состоянии самостоятельно спроектировать и выполнить необходимые расчеты, обеспечивающие надежность и долговечность заводской продукции. Как правило, на заводах была относительно хорошо 
поставлена конструкторская служба и металловедческое обеспечение 

Введение

выпускаемой продукции, что служило основанием для руководства заводов не сомневаться в качестве своей продукции.
Следует отметить еще один нюанс: некоторые ученые, занимаясь 
отдельными разделами трибологии, зачастую не обращались к услугам 
заводов, но и сами не могли ничего предложить для производства.
В итоге таких отношений сформировалась годами выращиваемая 
дистанция между заводами и научными и учебными организациями, 
причастными к трибологическим проблемам.
Технический прогресс по своей вековой традиции все время стремился к наращиванию всех технических характеристик создаваемого 
оборудования, повышая мощности, скорости, грузоподъемность, давление и непременно продолжительность эксплуатации без ремонта, 
не учитывая, что механические свойства традиционных марок сталей 
оставались на низком уровне. Повысить их свойства не удавалось за 
многие годы изучения металлов со времен Гука. Тем не менее, конструкторы обеспечивали необходимый запас прочности за счет увеличения площади опасных сечений, естественно, повышая тем самым 
металлоемкость изделий, а значит, и их вес.
Но не каждая машина по своим условиям эксплуатации способна 
воспринимать беспредельное наращивание металлоемкости. Многие 
годы живучесть любой создаваемой машины оценивали по прочности 
ее исполнительных узлов. Чаще всего было два определяющих показателя будущей работоспособности и долговечности машин – предел 
прочности (σв) и твердость по Роквеллу (HRС). Если учитывать, что 
твердость всех сталей в закаленном состоянии на мартенсит практически всегда постоянна и имеет значение 58…62 HRС, то критерием 
прочностного качества машин был предел прочности применяемых 
для их изготовления сталей.
На ранней стадии технического прогресса это условие вполне 
обеспечивало достаточно длительный период безаварийной работы 
машин. Многие годы металлоемкость служила постоянным резервом возможного повышения их технических характеристик. Это условие при создании новых поколений машин не вызывало возражений ни у заводских специалистов, выпускающих эти машины, ни у 
предприятий, где они должны были работать. К числу таких можно 
отнести производство тракторов, комбайнов, токарных станков, тепловозов, насосов различных конструкций и назначений, горнорудного оборудования, грузовозов и т.д. Но совершенно иная ситуация 
была в авиационной промышленности.
Именно эта отрасль машиностроения первой обратила внимание на 
массовую аварийность в авиации и стала искать ее причины, не только 
в этой области, но и во всем народном хозяйстве.

Введение

Но процесс выяснения причин аварийности идет очень медленно 
и в большинстве своем непрофессионально, без привлечения для раскрытия таких ситуаций прежде всего опытных металловедов, а не только администраторов.
Типичный пример – трагедия подводной лодки «Курск». Специалистам, работающим в области разрушения твердого тела, уже тогда 
было понятно, почему после взрыва в первом, головном отсеке трещина прошла по всему корпусу лодки, открыв тем самым доступ воды во 
все не пострадавшие от взрыва отсеки.
Было ясно, что на такую длину могла распространиться только 
«хрупкая» трещина, а возникла она по причине недостаточной пластичности материала корпуса лодки, т.е. критерий – произведение 
предела прочности на относительное сужение – (σв⋅ψ) был низким, он 
и спровоцировал хрупкое разрушение. При хорошем запасе пластичности трещина после разрушения головного отсека никогда не смогла 
бы распространиться по всей длине лодки. 
События последних лет в техническом прогрессе, не только в России, но и во всем мире, безусловно, должны повлиять не только на 
позицию ведущих трибологов в планировании стратегии научных исследований на дальнюю перспективу, но и на содержание лекционных 
программ читаемых курсов будущим инженерам-трибологам.
Программы по этим курсам надо серьезно проанализировать, убрать 
многое из того, что не имеет непосредственного отношения к специальности, призванной своей деятельностью обеспечить безаварийную 
работу оборудования.
В новых программах роль металловедения в формировании специалистов-трибологов надо многократно усилить часовой лекционной 
нагрузкой и, безусловно, содержанием лабораторного обучения, максимально приблизив его к заводской практике.
Вызовы нашего времени определяют необходимость повысить значимость, авторитет специалистов-трибологов и заводскую потребность 
в них, а заводские руководители должны, наконец, ввести в административную службу заводов службу трибологов в ранге руководителей 
трибологических отделов. Конструкторские отделы заводов должны 
будут внимательнейшим образом изучить и принять в практику проектирования машин все наиболее значимые результаты исследования в 
области трибологии последних лет.
Этот факт, если он станет реальностью, окажет сильнейшее агитационное влияние и будет убедительным доказательством государственного понимания и подхода к решению этой проблемы. 
Механические свойства металлов и сплавов стали квалифицированно изучать после публикации закона Гука в 1660 г. С этого времени 

Введение

прошло пять столетий, но никто во всем мире не нашел метод выплавки сталей с заранее заданными свойствами, хотя бы предполагаемыми. 
Прочностные характеристики немного повысили, а твердость мартенсита до сих пор не поддается увеличению более шестидесяти единиц 
по Роквеллу.
Трудно переоценить народнохозяйственную значимость этой проблемы при успешном ее решении. Кратное повышение механических 
свойств сталей изменит всю технико-экономическую производственно-хозяйственную государственную структуру страны и даст огромный по своим масштабам экономический эффект.
В этой книге представлена обширная оригинальная информация, позволяющая читателю проследить стратегию планирования многолетних 
экспериментальных исследований, благодаря которым была успешно 
решена одна из сложнейших и очень значимых научных и прикладных 
проблем трибологии – получить критерии, дающие возможность без 
проведения испытаний на изнашивание выбирать лучшие сорта сталей, 
обеспечивающих высокое сопротивление всем видам механического 
изнашивания, кратковременного и длительного нагружения в режиме 
классической усталости.
Повышение долговечности оборудования по предложенному критерию – произведению предела прочности на относительное сужение, 
σв⋅ψ, – без проведения длительных, трудоемких и не всегда обеспечивающих сопоставимость результатов испытаний, проведенных различными учеными и организациями, знаменует собой начало нового этапа 
развития трибологии, с достаточно обоснованным акцентом на металловедение как основу получения высоких характеристик механических 
свойств сталей.
Большим достижением в решении проблемы долговечности машин 
следует считать обоснованное заключение о единстве природы процессов механического разрушения твердого тела и разрушения при изнашивании, имеющих различие только в масштабном факторе при макро- 
и микроситуациях, что не влияет на конечные результаты прочностных 
характеристик сталей.

Глава 1

Изнашивание сталей и сплавов при взаимодействии 
с абразивом – как разновидность классического 
разрушения металлов

1.1. Общие замечания

Изнашивание исполнительных звеньев машин многие годы в трибологии рассматривали как постепенное удаление металла из зоны контакта, при этом форма удаляемых частиц металла не имела определенной и 
единственной геометрии. Чаще всего трибологи сходились во мнении, 
что наиболее достоверной формой отделения частиц с поверхности 
контакта является стружкообразование. Доказательством этой гипотезы служили частицы металла в виде стружки, получаемые при трении 
цилиндрического образца по закрепленному абразиву на тканевой или 
бумажной основе. Эти первые наблюдения хорошо иллюстрируются лабораторными опытами М.М. Хрущова и М.А. Бабичева [83]. 
Такое мнение существовало довольно долго, и объяснить это можно 
тем, что новых исследований в данной области не проводилось, поскольку изучением природы изнашивания металлов не занимались, 
ограничиваясь оценкой их износа по потере веса или уменьшению начальных размеров лабораторных образцов.
Впервые обстоятельные исследования микрорельефа поверхностей 
изнашивания деталей машин при взаимодействии с абразивом были 
проведены в Российском государственном университете нефти и газа 
имени И.М. Губкина в лаборатории долговечности [58–76]. По итогам 
этих исследований была представлена уникальная информация о формировании и последующем отделении с поверхности изнашивания частиц износа.

Глава 1

Картина формирования рельефа поверхности изнашивания оказалась чрезвычайно сложной, многофакторной, но в ней хорошо просматривается идея авторов, что изнашивание закаленных поверхностей 
деталей машин под воздействием абразива – это фактически его разрушение в классическом понимании, а первопричиной этого разрушения 
следует считать низкую прочность металла.
Картина разрушения поверхности изнашивания очень наглядно 
подтверждает закон М.М. Хрущова [83, 84], суть которого состоит в 
том, что соотношение твердостей абразива и металла в месте их контакта в конечном счете определяет интенсивность изнашивания контактирующих поверхностей.
Качественная картина микрорельефа поверхностей изнашивания 
определяется характером взаимодействия абразивных частиц с поверхностью контакта и механическими свойствами сталей, из которых изготовлены детали машин. Существенное различие в рельефе поверхности изнашивания связано с характером взаимодействия абразивных 
частиц в зоне износа, которое может быть в виде либо трения скольжения, либо прямого удара. Свойства металла меняют микрорельеф, а 
следовательно, и величину износа.
Возможны две наиболее характерные ситуации: первая – когда поверхность изнашивания после закалки и низкого отпуска имеет высокие значения предела прочности и твердости; вторая – когда контактируемая поверхность деталей машин имеет низкие значения этих 
характеристик. В первом случае отделению частиц износа с поверхности изнашивания предшествует развитие микротрещин с последующим хрупким выкрашиванием.
Проведенный нами микроструктурный анализ показал большое 
разнообразие очагов зарождения начальных трещин и лунок – следов 
внедрения твердых частиц абразива в поверхность изнашивания. Эти 
данные позволяют заключить, что в зоне изнашивания формируется, 
с последующим развитием, сложнейший процесс разрушения металла 
под воздействием абразива.
Столь большое различие возможных ситуаций в зоне износа определяется абразивом, геометрией его частиц, их твердостью и способностью поражать поверхность изнашивания. Процесс этот чрезвычайно сложный, его качественная картина постоянно меняется в связи с 
проявлением названных выше факторов, но ясно одно: съем металла с 
поверхности изнашивания идет путем разрушения, которому предшествует зарождение множественных микротрещин, лункообразований, 
а заканчивается это цикличной последовательностью отделения собственно частиц износа. 

Изнашивание сталей и сплавов при взаимодействии с абразивом...

Анализируя эту картину, легко понять, как велика негативная роль 
абразива в общей проблеме повышения долговечности машин и как низок уровень механических свойств современных машиноподелочных 
сталей.

1.2. Трещинообразование

Природа образования в зоне изнашивания металла трещин, их множественность, протяженность, ориентация по отношению к поверхности контакта не поддаются обобщению из-за их большого разнообразия и механизмов развития, вызывающих, как правило, последующее 
отделение частиц металла, что собственно и именуется износом.
Бесспорно только одно: анализируя обширную картину уже сформировавшихся микротрещин, убеждаемся в том, что у истоков зарождения и последующего развития трещин были очень высокие напряжения в микрообъемах точечного характера. При этом напряжения были 
настолько высокими, что вызывали не просто зарождение микротрещин, а создавали условия для их последующего развития в глубь поверхности изнашивания. 
Однако эти трещины зарождались и развивались вглубь металла не 
на поверхности балки с консольным нагружением, вызывающим изгиб 
и растяжение в поверхностном слое. Такой ситуации в зоне трения не 
бывает, просто нет таких условий. Наблюдается типичная картина, часто выявляемая на шлифах при микроскопическом исследовании, когда 
одна трещина от поверхности изнашивания уходит вглубь и встречает 
на определенной глубине вторую трещину, с которой она и образует 
частицу износа. 
Ориентация трещин в этом случае бывает разной. Иногда две трещины встречаются на определенной глубине под углом примерно 90°, 
но чаще они пролегают почти параллельно поверхности изнашивания 
(рис. 1).
Существуют многочисленные примеры, когда образовавшаяся трещина уходит в глубь металла, но формирование частицы износа пока 
не наблюдается (рис. 2).
Удалось зафиксировать интересные ситуации в микрорельефе поверхности изнашивания, когда формирование частицы износа уже 
произошло, но отделение с поверхности изнашивания еще не состоялось. Такие кадры позволяют судить о форме и размерах частиц износа (рис. 3 и 4).