Износостойкость конструкционных материалов

УДК 669.018.29(075.8) 
ББК 34.43 
        К89 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. кафедры износостойкости машин и 
оборудования и технологии конструкционных материалов 
Российского  государственного  университета  нефти  и  газа 
им. И.М. Губкина В.Ф. Пичугин; 
канд. техн. наук, зав. лабораторией физических методов упрочнения поверхностей трения Института машиноведения  
                    им. А.А. Благонравова РАН В.В. Алисин 

Куксенова Л. И. 
Износостойкость конструкционных материалов : учеб. 
пособие / Л. И. Куксенова, С. А. Герасимов, В. Г. Лаптева. — 
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 237, [3] c. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3514-2 
 
Рассмотрены причины разрушения поверхностных слоев при трении и выхода из строя узлов трения. Описаны параметры качества поверхностей и методы их оценки. Основное внимание уделено технологическим методам повышения износостойкости конструкционных материалов. Представлены результаты экспериментальных исследований 
работоспособности узлов трения из разных конструкционных материалов, подвергнутых механической, химико-термической обработке, 
обработке направленными высокоэнергетическими потоками. Рассмотрены триботехнологии, используемые для повышения долговечности пар трения, и современные смазочные материалы, влияющие на 
износостойкость конструкционных материалов. Изложена проблема 
выбора материалов узлов трения. Приведена база данных по триботехническим характеристикам пар трения скольжения в пластичных смазочных материалах и маслах. В приложении представлен обширный 
материал справочного характера. 
Для студентов, специализирующихся по направлениям материаловедения, технологии материалов и покрытий, оборудования и технологии повышения износостойкости материалов. Может быть полезно аспирантам, преподавателям вузов, научным и инженернотехническим работникам машиностроительных предприятий. 

     УДК 669.018.29(075.8) 
      ББК 34.43 

ISBN 978-5-7038-3514-2                                     Куксенова Л.И., Герасимов С.А., 
                                                                                  Лаптева В.Г.,  2011  
                                                                              Оформление. Издательство МГТУ  
                                                                                  им. Н.Э. Баумана, 2011  

К89 

Введение 

 
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время трение и износ являются причиной потери 
работоспособности более 85 % машин. Затраты на ремонт и техническое обслуживание в несколько раз превышают стоимость самой 
машины, а в современных условиях, характеризующихся ужесточением режимов эксплуатации, расходы на восстановление изношенных деталей существенно возрастают. Поэтому актуальность 
проблемы повышения износостойкости конструкционных материалов неуклонно растет.  
Решение новых, высоких по уровню сложности, проблем фрикционного материаловедения обусловливает развитие глубоких, 
фундаментальных металлофизических исследований, связанных с 
изучением состояния поверхности, механизмов деформации, массопереноса и структурных превращений, которые происходят в 
поверхностных слоях взаимодействующих при трении тел. Новые 
результаты и тенденции развития трибологии требуют глубоких 
знаний механики и материаловедения, физики прочности и физико-химической механики, неравновесной термодинамики. 
Определяющим фактором успешного решения инженерно-техническими и научными работниками машиностроительных специальностей задач, связанных с обеспечением и повышением износостойкости, снижением уровня потерь на трение, является овладение в 
процессе обучения объемом знаний технических дисциплин. Их изучение включает научно обоснованные методы выбора типа износостойких конструкционных материалов, покрытий, способов направленного изменения свойств поверхностных слоев для реализации износостойких структурных состояний деформированных при трении 
поверхностных слоев применительно к конкретным условиям работы 
трибосопряжений. Эти знания позволят правильно рассчитать и 
обоснованно применить конструкцию трибосопряжения, подобрать 
соответствующие конструкционные и смазочные материалы, назначить режим работы, выбрать наиболее эффективные технологические 
методы изготовления, обработки и упрочнения материалов триботехнического назначения, а также обеспечить оптимальный режим эксплуатации, ремонта и обслуживания. 

 

Предисловие 

 4 

В учебном пособии приведены наиболее важные для системы 
обучения сведения о видах изнашивания узлов трения и характеристиках качества поверхностей контакта взаимодействующих 
твердых тел. Описаны методы контроля геометрических и механических характеристик приповерхностных слоев, методы анализа 
структуры деформированной при трении зоны, основные методы 
триботехнических испытаний и критерии оценки трибологических 
свойств. 
Основное внимание в учебном пособии уделено результатам 
экспериментальных исследований по оценке триботехнических 
свойств разнообразных конструкционных материалов, предварительно подвергнутых разным по природе видам обработки поверхности. Рассмотрена эффективность механической обработки 
поверхностей трения, разных способов химико-термической обработки, методов создания износостойких покрытий.  
В последнее время в триботехнике, являющейся областью 
практического приложения трибологии, интенсивно развиваются 
триботехнологии как перспективное средство повышения долговечности пар трения. Поэтому в учебном пособии достаточно подробно описан метод финишной антифрикционной безабразивной 
обработки (ФАБО), его сущность, методы реализации, области 
применения и триботехническая эффективность.  
Обеспечение требуемого уровня коэффициента трения, снижение износа трущихся поверхностей и предотвращение заедания 
узла трения во многом зависит от природы и свойств смазочного 
материала и функциональных присадок. В пособии эта проблема 
рассмотрена с позиций влияния смазочных материалов на износостойкость конструкционных материалов. Описано влияние металлоплакирующих и трибополимеробразующих присадок в жидких и 
пластичных смазочных материалах. 
Учебное пособие соответствует программам учебных курсов 
«Теория и проблемы износостойкости материалов» и «Износостойкость материалов и покрытий». Оно содержит большой объем 
нового экспериментального материала, расширяющего фундаментальные знания в области трибологии и фрикционного материаловедения, может быть полезным студентам при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также аспирантам и широкому кругу 
инженерно-технических и научных сотрудников. 
 
 
 

 

Введение 

 
5 

ВВЕДЕНИЕ 

В современном машиноведении под трением и износом понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхностей твердых тел при их относительном перемещении. Трение представляет собой комплексное явление, которое 
одновременно сопровождается механическими, металлургическими, 
электрическими, вибрационными и физико-химическими процессами. При трении наблюдается упрочнение или разупрочнение металла, в поверхностных слоях изменяется содержание основных легирующих элементов. Трение может насытить металл водородом или 
обезводородить его, превратить благородные металлы в оксиды, отполировать детали или даже осуществить сварку. В современном 
образовательном процессе трибология, как и ее прикладной раздел 
триботехника, представляет собой один из существенно значимых и 
сложных предметов.  
Основные термины, понятия и определения внешнего трения 
регламентированы ГОСТ 27674–88 (Трение, изнашивание и смазка).  
Трибология (от греч. тribos — трение и logos — наука) — наука 
о трении, износе, смазке и взаимодействии контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других явлений, связанных с трением, изнашиванием и 
смазкой. Как наука, трибология имеет научно-технические разделы: триботехнику, трибофизику, трибохимию, триботехническое 
материаловедение, трибоинформатику и др. 
Трибосистема — сложная термодинамическая система, образуемая при взаимодействии трущихся тел, а также промежуточной 
среды и части окружающей среды. Такая система представляет 
собой совокупность всех участвующих в процессах трения, изнашивания и теплообразования элементов, их свойств и связей, параметров, воздействующих на эти элементы извне, а также характеристик трения, изнашивания и теплообразования.  
Трибодиагностика — совокупность методов и средств контроля и управления за состоянием фрикционно-износных характери
 

Введение 

 6 

стик деталей и узлов трения. Наиболее часто применяют следующие методы: акустоэмиссионные (акустоэлектрические), радиоактивные, электрофизические (по интенсивности и амплитудночастотному спектру трибоЭДС и магнитной индукции), температурные (термопары, оптические пирометры), виброакустические, 
феррографические и т. д.  
Трибомониторинг — раздел трибологии, включающий трибометрию и трибодиагностику. Он охватывает методы и средства 
измерения основных параметров фрикционного взаимодействия: 
сил (момента) трения, износа, температуры, шероховатости, волнистости, контурной и фактической площади касания, контактной 
деформации и сближения, электрической проводимости. Трибомониторинг является основой всех видов экспериментальных (модельных, натурных, эксплуатационных) исследований (испытаний) 
в триботехнике. В последние годы широко применяются  компьютерные методы регистрации и обработки исследуемых параметров. 
Триботехническое материаловедение — раздел трибологии, 
изучающий поведение материалов при трении, изнашивании и 
смазке (изменение структуры и фазового состава поверхностных 
слоев металлов, сплавов, композиционных материалов, полимеров 
и других материалов под действием силы трения, износа, температуры трения, окружающей и смазочной среды и других производных от них факторов). Описывает принципы создания триботехнических материалов, обеспечивающих высокую надежность в 
эксплуатации. Выявляет закономерности и взаимосвязи между деформационными и физико-химическими параметрами материала 
зоны поверхностной деформации и триботехническими свойствами материалов. 
Интенсивность разрушения поверхностных слоев материалов 
при трении (износ), как правило, мало зависит от исходных объемных прочностных свойств материалов. Структура и фазовый 
состав в тонком поверхностном слое всегда отличны от исходных 
свойств материалов. Исходные свойства материалов рекомендуется подбирать таким образом, чтобы в результате контактного 
взаимодействия при трении с учетом тепловыделения и физикохимического взаимодействия с материалом контртела и окружающей средой создавался и воспроизводился на поверхности трения 
рабочий слой со специфическими триботехническими свойствами, 
так называемое третье тело. 
Антифрикционные материалы — материалы, используемые для 
работы в несущих и направляющих узлах трения (в подшипниках 

Введение 

 
7 

скольжения, радиальных и торцовых уплотнениях). Классификация 
этих материалов по функциональному признаку позволяет более точно установить их отличие от фрикционных материалов, так как диапазоны значений коэффициентов трения для них иногда могут пе-
рекрываться. Принято считать, что коэффициент трения антифрикционных материалов при наличии смазки  составляет 0,001–0,05, а без 
нее 0,004–
 0,3. Диапазон условий применения антифрикционных  
материалов зависит от их состава и в первую очередь обусловлен физическими свойствами входящих в них базовых материалов (матрицы 
материала или связующего) и антифрикционных наполнителей. Для 
этих целей используют металлические, порошковые, пористые спеченные с последующей пропиткой, твердосплавные, полимерные, 
древесные, графитовые и другие базовые материалы. Антифрикционные наполнители — твердые кристаллические материалы со сложными решетками, легкоплавкие или пластичные материалы, некоторые 
полимеры, например фторопласты, графит, дисульфид молибдена и 
вольфрама и ряд других. Антифрикционные материалы применяют 
как в виде объемных элементов, так и в виде тонких покрытий. 
При выборе материалов контртела (обычно стали с различной 
термической обработкой поверхности трения) для данного антифрикционного материала следует учитывать условия их совместимости. 
Совместимость — способность двух или нескольких конструкционных материалов выполнять совместно заданные функции в узлах трения. При этом не должны ухудшаться коэффициент трения, 
износ и эффективность работы деталей, узла или трибосопряжения в 
целом ни в процессе эксплуатации, ни при хранении. Совместимость 
компонентов необходимо учитывать при создании материалов и выборе конструкционных и смазочных материалов. 
Совместимость антифрикционных и фрикционных материалов — 
способность этих материалов работать без схватывания с материалом контртела при трении. Она характеризуется предельно допустимыми нагрузками, скоростью, температурой в зоне трения; превышение этих показателей приводит к схватыванию, изнашиванию и 
нестабильности коэффициента трения. Совместимость смазочных 
материалов — способность двух или нескольких смазочных материалов смешиваться без ухудшения их служебных характеристик 
при использовании в узлах трения и при хранении. 
Фрикционные материалы — материалы, предназначенные для 
работы в узлах трения (тормоз, муфта, сцепление, демпфер, вариа

Введение 

 8 

тор и др.), передающих или рассеивающих кинетическую энергию 
движущихся масс.  
Эффективность работы таких материалов в значительной степени определяется стабильностью коэффициента трения, а также 
их износостойкостью. Фрикционные материалы применяют как 
при сухом трении, так и при трении со смазочным материалом. 
Диапазон применения фрикционных материалов связан с их 
составом и в первую очередь с физическими свойствами базовых 
материалов и специальных наполнителей. Наиболее широко применяют фрикционные полимерные материалы (пластмассы) на 
каучуковом, смоляном и комбинированном каучукосмоляном связующем и порошковые материалы на железной, медной и никелевой основах. В качестве контртела обычно используют фрикционные серые и легированные чугуны, а также различные стали и 
сплавы. При выборе сочетания материалов в паре трения необходимо также учитывать условия их совместимости.  
В последнее десятилетие в качестве фрикционных материалов 
широко применяют углеродистые фрикционные композиционные 
материалы. Особенно успешно их используют в одноименных парах трения и многодисковых колесных тормозах самолетов. 
Известный ученый в области надежности машин А.С. Проников назвал трибологию основой проблемы надежности и технического качества машин [40]. При этом термин качество в соответствии с Международным стандартом рассматривается как совокупность свойств и характеристик, удовлетворяющих назначению 
продукции [47]. 
Роль триботехники в разных отраслях машиностроения и эксплуатации  машин и механизмов состоит в первую очередь в том, 
что трение и износ — основные причины потери работоспособности 
более 85 % машин. При этом затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость.  Например, затраты на ремонт самолета превышают его стоимость в  
5 раз, автомобиля — в 6 раз и станка — в 8 раз. Показательны данные 
по затратам на ремонт автотранспортных средств. В США в начале 
1990-х гг. они составили около 24 млрд долл. в год. В России эти  
расходы (в ценах 1990-х гг.) достигали 40 млрд р., а за последнее 
время увеличились в несколько раз. При этом установлено, что из-за 
износа и плохой регулировки теряется около 15 % мощности двигателя, изношенные двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в 
атмосферу большое количество оксидов углерода (СО) и азота 
(NO), соединений свинца и других вредных веществ. Простои авто

Введение 

 
9 

мобилей из-за технических неисправностей, связанных с трением и 
износом, в среднем достигают 30…40 % календарного времени. 
При этом оценить потери, возникающие в случае внезапных отказов, вызванных заеданием пары коленчатый вал — вкладыш, проблематично в силу непредсказуемых масштабов ущерба. Такой 
ущерб может состоять не только в резком ухудшении работы двигателя, но и в полном его заклинивании, что приводит к автокатастрофам. 
В современном машиностроении проблема износостойкости 
конструкционных материалов занимает одно из приоритетных 
мест вследствие не только технических причин (необходимость 
создания материалов с заданными свойствами для конструирования новых изделий), но и экономических (колосальные затраты 
вследствие износа деталей машин, оборудования, инструментов). 
Эта проблема в фрикционном материаловедении занимает одно из 
ведущих положений.  
В трибологии известно много способов решения материаловедческих задач, например путем создания поверхностных слоев (нанесение покрытий и модифицирование) для повышения долговечности деталей машин. Наиболее широко применяют методы поверхностной закалки, различные химико-термические методы обработки 
(цементация, азотирование, борирование и т. д.), наплавки, гальванические методы осаждения покрытий и т. п.  В последнее время 
интенсивно расширяется применение новых технологий упрочнения деталей, основанных на воздействии на их поверхность концентрированных потоков высокоэнергетических квантов и более крупных частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров). К ним 
относятся лазерные, электронно-лучевые (пучковые), вакуумные 
ионно-плазменные (включая имплантацию) технологии.  
К методам повышения износостойкости конструкционных материалов относится также улучшение качества смазочных материалов. В этом направлении радикальные изменения произошли 
только тогда, когда возникла принципиально новая концепция исследования процессов трения и изнашивания: открыто такое явление, как избирательный перенос и созданы новые смазочные материалы [5, 6]. На сегодняшний день избирательный перенос, или 
так называемый эффект безызносности, продвинулся в самые различные области науки и техники. Сущность этого явления состоит 
в том, что в результате механических воздействий  и комплекса 
физико-химических реакций в зоне контактного взаимодействия 
конструкционных и смазочных материалов возникает самооргани

Введение 

 10

зующийся процесс формирования защитной пленки, называемой 
сервовитной, которая не только защищает поверхности от изнашивания, но и компенсирует износ. Однако реализация избирательного переноса оказывается возможной при соблюдении ряда условий, главным из которых является правильный подбор сочетания 
конструкционных и смазочных материалов, используемых в узлах 
трения. Поэтому научно-обоснованный подбор материалов в аспекте избирательного переноса становится мощным средством, с 
помощью которого можно не только повысить износостойкость, 
но и существенно повлиять на энергосбережение.  
Состояние трибологии и триботехники позволяет выделить несколько основных направлений развития материаловедения: 
структурная теория износостойкости конструкционных материалов; 
износостойкие структурные состояния поверхностных слоев; 
новые прогрессивные технологии обработки поверхности изделий триботехники; 
современные методы испытаний и исследования материалов 
триботехнического назначения. 
С материаловедческой точки зрения трение рассматривается как 
процесс накопления при контактном взаимодействии условий, приводящих к изменению состава, структуры и свойств материала приповерхностного микрообъема. Изменения поверхностей сопровождаются совокупностью последовательных переходов материалов 
поверхностных слоев из одного структурного состояния в другое. 
Условия такого перехода накапливаются при каждом отдельном акте 
контактирования. В одних условиях эти переходы определяются упругопластической деформацией, когда процесс зависит от механических свойств поверхности (пределов прочности, текучести и усталости, твердости и др.), в других — осуществляются более глубокие 
структурные и фазовые превращения, которые определяются физико-химическими константами материала приповерхностных микрообъемов, работающих на трение (коэффициентами диффузии, теплопроводности, константами растворимости, скоростью химических 
реакций и др.). Износостойкость определяется структурой материала 
зоны деформации при трении, в которой реализуются деформационные и физико-химические процессы. Под структурой понимают элементный и фазовый составы, тип кристаллической решетки, диффузию и массоперенос, микро- и макроструктуру, дефекты кристаллической решетки.