Износ и выбор износостойких материалов

 
 
 
 
 
 
 
М. А. Филиппов, А. В. Макаров, О. Ю. Шешуков 
 
 
 
ИЗНОС И ВЫБОР ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2025 
 
 

 
 
 
УДК 621.891 
ББК 34.41 
Ф53 
 
Рецензенты: 
кафедра материаловедения, контроля в машиностроении и методики 
профессионального образования Российского государственного 
профессионально-педагогического университета (РГППУ) 
(зав. кафедрой проф., д-р техн. наук Б. Н. Гузанов); 
проф., д-р техн. наук Б. А. Потехин 
(Уральский государственный лесотехнический университет) 
 
Научный редактор: 
проф., д-р техн. наук В. П. Швейкин 
 
 
 
 
Филиппов, М. А. 
Ф53   
Износ и выбор износостойких материалов : учебное пособие / 
М. А. Филиппов, А. В. Макаров, О. Ю. Шешуков. - Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2025. - 316 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2103-4 
 
Рассмотрены основные виды и механизмы изнашивания. С позиций 
современных представлений описаны физико-химические свойства поверхностей трения деталей, условия их контактного взаимодействия. 
Проанализированы виды трения, основные виды повреждений рабочих 
поверхностей и обусловленные ими механизмы изнашивания. Обоснованы требования, предъявляемые к износостойким материалам, и описаны научные основы выбора износостойких материалов. 
Для студентов и аспирантов металлургических и машиностроительных специальностей вузов. Может быть полезно инженернотехническим работниками предприятий и научно-исследовательских 
институтов. 
 
УДК 621.891 
ББК 34.41 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2103-4 ” Филиппов М. А., Макаров А. В., Шешуков О. Ю., 2025 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2025

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................... 6 
Глава 1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ 
И ИЗНАШИВАНИЯ ....................................................................... 10 
1.1. Внешнее трение твердых тел .................................................. 10 
1.1.1. Виды трения .......................................................................... 11 
1.2. Изнашивание металлов при трении ....................................... 15 
1.2.1. Методы измерения износа ................................................... 17 
Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА 
ВИДОВ И МЕХАНИЗМОВ ИЗНАШИВАНИЯ .......................... 29 
2.1. Классификация видов изнашивания ...................................... 29 
2.1.1. Абразивное изнашивание .................................................... 32 
2.1.2. Эрозионное изнашивание .................................................... 44 
2.1.3. Кавитационное изнашивание .............................................. 47 
2.1.4. Усталостное изнашивание ................................................... 64 
2.1.5. Изнашивание при схватывании и заедании ....................... 70 
2.1.6. Окислительное изнашивание .............................................. 73 
2.1.7. Водородное изнашивание .................................................... 81 
2.1.8. Изнашивание при фреттинг-коррозии ................................ 83 
Глава 3. ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ 
НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТРЕНИЯ, И МЕХАНИЗМЫ 
ИЗНАШИВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ........................................... 87 
3.1. Кинетика процессов изнашивания ......................................... 87 
3.2. Структурные превращения и наноструктурирование 
металлов при трении ...................................................................... 90 
3.3. Виды нарушения фрикционных связей 
поверхностей трения .................................................................... 118 
3.4. Механизмы изнашивания и разрушения при трении ......... 120 
3.5. Эффект безызносности (избирательный перенос 
при трении).................................................................................... 125 
3.5.1. Сущность эффекта безызносности ................................... 125 
3.5.2. Реализация эффекта безызносности ................................. 134 
Глава 4. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ИЗНОСОСТОЙКИХ 
МАТЕРИАЛОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ ............................... 137 
4.1. Требования к структуре и свойствам износостойких 
материалов .................................................................................... 137 
4.2. Принципы выбора износостойких материалов ................... 144 

4.2.1. Стали перлитного класса ................................................... 148 
4.2.1.1. Легированные перлитные стали ..................................... 151 
4.2.1.2. Термическая обработка и структура сталей 
перлитного класса ........................................................................ 155 
4.2.1.3. Физико-механические свойства сталей ......................... 167 
4.2.1.4. Конструктивная прочность сталей ................................. 173 
4.2.1.5. Технологические свойства сталей перлитного 
класса ............................................................................................ 183 
4.2.1.6. Износостойкость перлитных сталей .............................. 186 
4.2.1.7. Применение износостойких сталей перлитного 
класса ............................................................................................ 193 
4.2.2. Шарикоподшипниковые стали .......................................... 197 
4.2.2.1. Требования и классификация ......................................... 197 
4.2.2.2. Легирование и термическая обработка.......................... 199 
4.2.3. Высокомарганцевая аустенитная сталь ............................ 203 
4.2.3.1. Химический состав и служебные свойства 
высокомарганцевых сталей ......................................................... 203 
4.2.3.2. Технологические свойства высокомарганцевых 
сталей ............................................................................................. 207 
4.2.3.3. Формирование структуры высокомарганцевых 
аустенитных сталей в процессе кристаллизации ....................... 209 
4.2.3.4. Термическая обработка отливок из стали 110Г13Л ..... 210 
4.2.3.5. Влияние углерода на структуру и свойства 
высокомарганцевых сталей ......................................................... 218 
4.2.3.6. Влияние марганца на структуру и свойства 
высокомарганцевых сталей ......................................................... 222 
4.2.3.7. Влияние отношения Мn : С на структуру и свойства 
высокомарганцевых сталей ......................................................... 226 
4.2.3.8. Влияние кремния на структуру и свойства 
высокомарганцевых сталей ......................................................... 227 
4.2.3.9. Влияние фосфора и серы на структуру и свойства 
высокомарганцевых сталей ......................................................... 230 
4.2.3.10. Дополнительное легирование стали 110Г13Л ............ 231 
4.2.3.11. Изменение тонкой структуры высокомарганцевых 
аустенитных сталей в процессе деформации ............................. 240 
4.2.3.12. Механические свойства стали 110Г13Л ...................... 242 
4.2.3.13. Физические свойства стали 110Г13Л .......................... 246 
4.2.3.14. Повышение износостойкости стали 110Г13Л ............. 247 

4.2.4. Метастабильные аустенитные стали ................................ 249 
4.2.4.1. Роль деформационных мартенситных 
превращений (ДМП) в формировании механических и 
служебных свойств сталей с метастабильным аустенитом ...... 249 
4.2.4.2. Метастабильные аустенитные хромомарганцевые 
стали для работы в условиях абразивного изнашивания 
и циклического контактно-ударного нагружения ..................... 266 
4.2.4.3. Термическая стабильность аустенита и ее влияние 
на абразивную износостойкость сталей 
системы Fе - Мn - С .................................................................... 269 
4.2.4.4. Изменение тонкой структуры и упрочнение 
хромомарганцевых МАС при деформации ................................ 275 
4.2.4.5. Влияние углерода и легирующих элементов 
на стабильность аустенита и механические свойства МАС 
системы Fe - Cr - Mn - C ............................................................ 280 
4.2.4.6. Выбор состава хромомарганцевых МАС для 
изготовления отливок, работающих в условиях циклического 
контакто-ударного нагружения и ударно-абразивного 
изнашивания ................................................................................. 287 
4.2.5. Белые износостойкие чугуны ............................................ 288 
4.2.5.1. Классификация белых износостойких чугунов 
по структуре .................................................................................. 288 
4.2.5.2. Формирование структуры металлической основы 
белых износостойких чугунов ..................................................... 293 
4.2.5.3. Влияние нормализации и закалки на фазовый состав, 
структуру и абразивную износостойкость чугунов .................. 300 
4.2.5.4. Влияние отпуска на фазовый состав, структуру, 
твердость и абразивную износостойкость чугунов ................... 305 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................ 311 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................... 314 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
В значительной степени справедливо утверждение, что 
качество и долговечность машин и конструкций заложены в поверхностном слое материала, из которого они изготовлены. Повышение эксплуатационной стойкости и долговечности деталей 
и узлов из металлических сплавов было и остается одной из важнейших научно-технических задач, определяющих развитие новых и специальных отраслей машиностроения и других отраслей 
современной техники, которые предъявляют высокие требования 
к выбору материала рабочих органов машин и механизмов. В 
большинстве случаев такие детали или узлы работают в контакте 
с твердыми, жидкими или газообразными средами, рабочие поверхности которых подвергаются действию трения, а, следовательно, механическому изнашиванию. Известно, что 80-90 % 
машин преждевременно выходят из строя не вследствие поломок, а в результате недопустимого изменения размеров, формы 
или состояния рабочих поверхностей в процессе изнашивания. 
Трение - всеобщее явление живой и неживой природы. 
Поверхности двух тел, вступающие в контакт, испытывают трение, но до настоящего времени многие стороны этого явления 
остаются плохо изученными. Это вызвано тем, что при трении 
одновременно происходят механические, физические, химические, электрические, тепловые, вибрационные и другие процессы. Эти процессы быстро протекают в очень тонких поверхностных слоях контактирующих тел и трудно поддаются изучению. 
Работа любого механизма и машины связана с передачей 
энергии и потерями части передаваемой энергии на трение. 
Процесс трения, сопровождаемый различными воздействиями, 
вызывает изнашивание поверхности материалов. Можно сказать, что все, что испытывает трение, изнашивается, и это 
утверждение верно в общем случае, несмотря на впечатляющие 
успехи триботехники в создании безызносных узлов трения - 
исключения лишь подтверждают правило. Далеко не все, что 
изношено, может быть восстановлено. 
Износ (изнашивание) в общем случае можно охарактеризовать как изменение размеров, формы, массы или состояния 
поверхностного слоя твердого тела под влиянием внешней сре

ды. Износ может вызываться трением поверхностей деталей 
машин одна о другую, воздействием на поверхность рабочей 
среды потоков жидкости, газа или контакта поверхности с твердыми частицами. 
Износостойкость - это свойство материалов, деталей 
машин, работающих в условиях трения, противостоять изнашиванию. Данное свойство оценивается при эксплуатации или во 
время испытаний на стенде по длительности работы устройств 
до получения заданного износа, при котором изменяются размеры, форма, масса и состояние поверхности изделия вследствие 
разрушения верхнего слоя при трении. 
Износ зависит от условий трения и свойств трущихся 
материалов. 
Наиболее распространенным видом механического изнашивания, которому подвержены машины и агрегаты горнодобывающей, строительно-дорожной техники и транспорта, является абразивное изнашивание и его разновидности - газо- и гидроабразивное изнашивание. В то же время любые пары трения в 
закрытых механизмах - автомобилях, станках, приборах - подвержены адгезионному и усталостному изнашиванию. Разработка новых износостойких материалов и методов борьбы с этими 
видами изнашивания остается одной из важнейших проблем 
материаловедения. 
Авторы представили данный учебный материал, придерживаясь традиций Уральской школы металловедения и используя многолетний опыт чтения соответствующих дисциплин 
материаловедческого цикла в Институте новых материалов и 
технологий Уральского федерального университета. Вместе с 
тем, при написании данного пособия авторы не могли не использовать многие важные положения из классических монографий, справочников и учебников по вопросам трения и изнашивания Ф. П. Боудена и Д. Тейбора, М. М. Хрущева, И. В. Крагельского, Б. И. Костецкого, В. Д. Конвисарова, В. Д. Кузнецова, 
И. М. Любарского, Д. Н. Гаркунова, Н. А. Буше, Р. М. Матвеевского, Д. Мура, Д. Бакли, А. С. Ахматова, А. В. Белого, 
Л. Г. Коршунова и др. При этом основные разделы из работ 
наших коллег были заимствованы преимущественно такие, которые относятся к металловедческим аспектам фрикционного 

взаимодействия трущихся поверхностей и принципам выбора 
износостойких материалов, с учетом основного постулата металловедения: «состав материала - технология его получения и 
обработки - формирующаяся вторичная микроструктура рабочей поверхности при эксплуатации - износостойкость при данном виде контактного воздействия на поверхность». Потому 
благодарим авторов классических монографий и учебников за 
возможность их подробного цитирования. Кроме того, наука о 
трении и износе не стоит на месте, появляются новые возможности и результаты исследований с применением новых методик и их теоретическая проработка, равно как непрерывно возрастает информационное поле интернета, значимые сведения из 
которого приведены в данном учебном пособии. Особое внимание уделено протеканию фазовых превращений в метастабильных структурах рабочих поверхностей при трении, применению 
и развитию предложенного нашим учителем И. Н. Богачевым 
принципа метастабильности аустенита при выборе износостойких материалов. Описаны результаты изучения условий формирования, строения и роли нанокристаллической структуры в 
процессах трения, полученные в последние годы. 
Формирование специфической структуры поверхностей 
трения и изнашивания описывается с позиций дислокационной 
теории. В основе описания основных структурных изменений 
лежит представление об образовании на контактирующих поверхностях металлической пленки с особыми свойствами, формированием границы раздела между поверхностной пленкой и 
основным металлом и диффузионным перераспределением дефектов металлов по толщине зоны деформации. Обсуждается 
проблема защитной роли вторичных структур с высокой прочностью, теплостойкостью, пониженной теплопроводностью, 
способствующих развитию нормального изнашивания. 
Рассмотрены современные представления о фазовых 
превращениях в тонких поверхностных слоях: образование 
неравновесных структурных составляющих - аустенита трения, 
мартенсита трения. Исходя из положения о неадекватности 
стандартных механических характеристик в отношении возможности суждения об износостойкости при трении, развивается концепция о прочности поверхности как решающем условии 

обеспечения высокой износостойкости. При этом определяющее 
значение отводится способности металла к упрочнению под 
воздействием фрикционных нагрузок. Подчеркивается важная 
роль деформационных мартенситных превращений в обеспечении высокой способности к упрочнению контактной поверхности в сочетании с возможностью релаксации напряжений в процессе образования кристаллов мартенсита деформации. Обосновывается высокая износостойкость сплавов с метастабильной 
структурой и сталей со структурой неотпущенного тетрагонального высокоуглеродистого мартенсита. 
Развито представление об эффективной твердости как 
адекватном критерии износостойкости металлических материалов с разным типом структуры. Эффективная твердость рассмотрена как комплексная характеристика, учитывающая не 
только исходную прочность металлов, но также и упрочнение, 
обусловленное деформационным превращением и структурными превращениями при фрикционном воздействии. 
Рассмотрены существующие представления о критериях 
и 
закономерностях 
изнашивания 
на 
основе 
структурноэнергетической теории с учетом различий на макро- и микроструктурных уровнях изнашивания, связанных со ступенчатой 
сменой жесткости напряженного состояния по глубине слоев 
материалов, вовлеченных в процессы деформирования в зоне 
контакта, а также сменой возникающих при этом диссипативных структур. 
 
 

Глава 1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ 
И ИЗНАШИВАНИЯ 
1.1. Внешнее трение твердых тел 
Внешнее трение - явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии (ГОСТ 23.002-78). 
Мерой трения является сопротивление трения, уравновешенное равнодействующей силой контакта при перемещении 
одного тела относительно другого. 
Противодействие силам сцепления имеет место при 
внутреннем трении в процессе взаимного перемещения элементов структуры какого-нибудь тела (газа, жидкости, твердого тела) или при внешнем трении, когда при контакте поверхностных 
ей двух тел эти неровности срезаются, упруго или пластически 
деформируются. Противодействие силам адгезии двух контактирующих поверхностей тел начинается при попытке их взаимного перемещения. Адгезия - это поверхностное явление, заключающееся в сцеплении поверхностей в результате воздействия, в частности, поля сил. 
Поле сил создается зарядом атомов (ионов, молекул), из 
которых состоит верхний слой контактирующих между собой 
тел. Это поле экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Практически поверхностное взаимодействие типа ван-дер-ваальсова исчезает на расстоянии 1-2 нм, 
поэтому для адгезии необходимо соответствующее сближение 
поверхностей. 
Адгезия и когезия вызываются одними и теми же силами, различие заключается в их локализации. Если силы действуют внутри тела, то вызывают когезию, если действуют на 
поверхности - адгезию (рис. 1.1). Силы адгезии тем больше, чем 
больше воздействие электростатических и электродинамических 
сил в зоне контакта тел. Это тесно связано со структурой тел и, 
следовательно, их поверхности. Характер сил адгезии - аддитивный, поэтому, чем больше реальная поверхность контакта, 
тем прочнее адгезионное сцепление.