лекции_1 / Лекция 3_ 1_Особенности контактирования

Наиболее часто в технике применяют характеристику Ra - среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля шероховатостей от средней линии в пределах базовой длины L:

В формуле (3.2.) L - базовая длина, в пределах которой находится достаточно представительное число микронеровностей с точки зрения статистики; уi - расстояние точки профиля от средней линии, n - число точек профиля, в которых измерено уi. Положение средней линии m находится из соображения о

L

том, что она делит площадь профиля пополам (0∫ ydx = 0) . Профиль заключен между линиями

выступов и впадин, которые проводятся через вершины самых высоких выступов и самые низкие точки впадин.

Параметр Rz - характеризует среднее расстояние между пятью высшими вершинами выступов и пятью низшими точками впадин:

Расстояние между линиями выступов и впадин (Rmax) равно толщине шероховатого слоя. Удаление линии выступов от средней линии обозначается Rp. Кроме перечисленных характеристик используются также средний шаг микронеровностей, средний угол наклона профиля, средний радиус закругления выступа.

По своей форме выступы напоминают пологие горные хребты. Угол при вершине для всех видов обработки обычно заключен в интервале от 150 до 1760. Наиболее близким по форме к реальному выступу является эллипсоид.

Обычно шероховатость имеет направленный характер, отражающий траекторию движения обрабатывающего инструмента. В связи с этим профилограммы снимают в продольном и поперечном направлениях. Средний радиус вершины выступа находят как среднегеометрическое из значений, измеренных в продольной и поперечной профилограммах:

Классическая механика контактных взаимодействий связана, прежде всего, с именем Генриха Герца (1857 – 1894). Заметный вклад в теорию контакта шероховатых поверхностей внесли Гринвуд и Вилльямсон (1966) и Пирcсон (2002), которые показали, что действительная площадь контакта шероховатых поверхностей в грубом приближении пропорциональна нормальной силе, в то время как характеристики отдельного микроконтакта (давление, размер микроконтакта) слабо зависят от нагрузки. При контакте между плоскостью со случайно распределённой шероховатостью и упругим полупространством фактическая площадь контакта определяется следующим выражением:

При этом Ar- фактическая площадь касания, N- нормальная нагрузка, E* – модуль упругости, h′ - среднеквадратичное значение неровности плоскости и k ≈ 2. Среднее давление в пятне контакта будет равно σ = N/Ar = 1/2 E* h′. Если это давление больше твердости материала HB, то микронеровности деформируются пластически. В этом случае для оценки фактической площади контакта применяется формула, которая дает достаточно правильные результаты для металлических материалов со средней шероховатостью поверхности:

где HB- твердость по Бринеллю.

Из общих соображений ясно, что фактическое давление приблизительно равно пределу текучести, практически не зависит от приложенной нагрузки и поэтому протекание различных процессов на контакте в большей мере определяется не номинальным давлением, а микрогеометрией контактирующих поверхностей и механическими свойствами поверхностных слоев, которые определяют величину фактической площади касания. С увеличением номинального давления площадь фактического контакта растет в основном за счет вступления в контакт новых неровностей. При этом средняя площадь контакта единичной неровности остается практически постоянной.

Добавим к вышеизложенному, что согласно молекулярно-механической теории трения процесс трения представляется как результат двух взаимосвязанных процессов: деформации контактирующих микронеровностей поверхностей и молекулярного взаимодействия материалов на пятнах фактического касания. Силы молекулярного взаимодействия, действующие в зоне фактического контакта, оказывают сопротивление относительному смещению поверхностей и тем самым влияют на силу трения. Изложенные представления перекликаются с двухчленным законом Б.В. Дерягина (см. введение), описывая его в терминах различных составляющих силы трения

где fтр. – коэффициент трения; F – суммарная сила трения; N – нагрузка; Fa – адгезионная составляющая силы трения; Fd – деформационная составляющая силы трения, зависящая от адгезионной. При упругом контакте микронеровностей контактирующих поверхностей деформационной составляющей можно пренебречь.

номинальных давлениях. В представленном случае упруго-пластическое деформирование начинается уже при номинальном давлении ≈400кПа (рис. 3.11, кривая 1). Дальнейшее сближение ведет к увеличению числа микроконтактов (рис. 3.11, кривая 2). При вступлении в контакт каждой новой неровности происходит увеличение фактической площади контакта и, как следствие, величина среднего давления рассчитанного по всем микроконтактам уменьшается.

Реконструкция и релаксация поверхности

Представим, что бесконечный кристалл раскололи вдоль определенной кристаллографической плоскости. В результате образования поверхности связи между атомами разрываются, электронные пары распадаются, а высвободившиеся электроны стремятся образовать новые связи. При этом равновесная структура верхнего атомного слоя должна отличаться от соответствующей атомной плоскости в объеме – изменяется порядок расположения атомов и происходит, так называемая, реконструкция. В плоскости поверхности соседние атомы будут образовывать дополнительные связи между собой, сближаясь друг с другом и удаляясь от соседних атомов. В зависимости от того, сохранилось ли неизменным число атомов в верхнем слое (или слоях), любую реконструкцию можно отнести к одному из двух типов – консервативной или неконсервативной реконструкции. При консервативной реконструкции число атомов на поверхности сохраняется, а происходит лишь их смещение из равновесных положений в объеме (рис. 3.13, а, в). При неконсервативной реконструкции число атомов в реконструируемом слое отличается от объема (рис. 3.13, б, г).

В то же время происходит еще один процесс перестройки – релаксация поверхности, которая подразделяется на нормальную и тангенциальную (латеральную). Нормальная релаксация характеризуется смещением верхнего слоя атомов внутрь кристалла. Следующий слой также смещается внутрь. Смещение последующих слоев осуществляется до тех пор, пока силы, действующие на атомы сверху и снизу, не уравновесятся (рис. 3.14, а). Дополняет нормальную релаксацию тангенциальная, связанная с однородным смещением верхнего слоя атомов параллельно поверхности (рис. 3.14, б).

Таким образом, на поверхности образуется новая сверхструктура. Поэтому следует рассматривать поверхность не как геометрическую плоскость, а как трехмерную поверхностную фазу, свойства которой отличны от объемных. На рис. 3.15 показана реконструкция и релаксация поверхностного слоя, которая охватывает два слоя атомов.

Рис. 3.13. Схематическое изображение различных типов реконструкции:

а, в – консервативная реконструкция; б, г – неконсервативная реконструкция

Граничный слой на поверхности твердого тела

Еще одним процессом, связанным с наличием нескомпенсированных связей у поверхностных атомов, является осаждение на поверхности молекул окружающей среды (адсорбция), что снижает запас поверхностной энергии и энтропии. Уменьшение энтропии связано с потерей молекулами адсорбированного слоя степеней свободы. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Различают адсорбцию физическую и химическую. Физическая адсорбция связана с притяжением инородных молекул за счет сил Ван-дер-Ваальса. Хемосорбция вызвана действием валентных связей. Поверхность в разных точках имеет разную поверхностную энергию. Микродефекты обладают повышенной адсорбционной активностью. За счет физической адсорбции на поверхности молекулы газов и воды оседают в первую очередь на активных участках - центрах адсорбции. Сорбированные молекулы вступают в химическую реакцию с материалом. Так протекает окисление поверхностей, вызывающее коррозию. Образуется окисная пленка. Сорбированная влага и температура стимулируют процесс окисления. Рост окисной пленки сначала происходит быстро, затем замедляется. Пленки различают по толщине: тонкие (толщина до 40 нм), средние (до 500 нм), толстые - видимые (толщиной более 500 нм). Окислы бывают мягкими и рыхлыми, например, у меди, железа и его сплавов (ржавчина). Твердые и сплошные пленки образуются на алюминии, благородных металлах. Свойства окисных пленок обычно существенно отличаются от свойств материала основы. Наиболее важными являются коэффициент теплового расширения, хрупкость, соотношение адгезионной и когезионной прочности. Из-за различия в свойствах пленки могут растрескиваться и отслаиваться, что существенно влияет на изнашивание при трении.

Процессы адсорбции являются первым этапом образования физической поверхности раздела – модифицированного поверхностного слоя, состоящего из молекул обеих соприкасающихся фаз. Такой слой получил название граничного слоя. Его образование связано в одних случаях с миграцией поверхностных атомов внутрь твердой фазы, диффузией и адсорбцией вдоль капилляров, диффузией вдоль границ кристаллических зерен и образованием твердых растворов. В других случаях (например, при образовании окисной пленки) преобладают процессы диффузии ионов металла через продукт