лекции_1 / Лекция 7_Динамические процессы при трении

7. Динамические процессы при трении

Динамические воздействия на трущиеся поверхности вызывают упругую и неупругую деформацию в зоне контакта, что является предметом изучения динамики контактирования. При этом упругие деформации и упругий возврат локализуются на дискретных участках контакта, обусловливая импульсное взаимодействие отдельных выступов шероховатости сопряженных поверхностей. В свою очередь импульсные воздействия вызывают не только колебания трибосопряжения, но и поверхностные волны в сопряженных деталях. Пластическая микродеформация создает тепловые флуктуации, а в совокупности все перечисленные процессы определяют рассеяние (диссипацию) механической энергии колебаний. Ее поглощение происходит в материале деталей и в окружающей среде.

При определенных условиях возникает режим контактного резонанса, который аномально повышает интенсивность пластической деформации и накопление повреждаемости. При пластической деформации микровыступов поверхностные зерна поликристаллических материалов деформируются раньше и интенсивней, чем во внутренних объемах. Это ускоряет диффузионные процессы, перенос вещества, в том числе из глубины в поверхностные слои, а также из внешней среды и контрповерхностей данной пары трения, интенсифицирует структурно-энергетические явления в поверхностных слоях материала, усиливает электрохимические, акустические и другие явления.

Рассмотрим механическое возбуждение поверхности при трении. Предметом нашего рассмотрения является нестационарный режим трения, сопровождающийся схватыванием с образованием мостиков сварки. В этом

случае материал, прилегающий к данному микроконтакту, увлекается контртелом, деформируется до тех

пор, пока напряжения не достигнут величины адгезионного или когезионного взаимодействия. При достижении такого напряжения происходит отрыв контртела и релаксация напряжений за времена, определяемые упругопластическими свойствами материала. Этот процесс можно представить как импульсное стохастическое воздействие, которое при достаточной интенсивности приводит к автоколебаниям трущихся поверхностей. Частота колебаний определяется собственной частотой “резонатора” - трибосистемы в целом. При характерном размере трибосистемы порядка 1 см для частоты получаем оценку ν 105 Гц, что действительно является характерной частотой акустической эмиссии при трении.

Так как напряжения на микроконтактах превосходят приложенные примерно на 2 - 3 порядка, то поверхностный слой ведет себя как вязкая жидкость с некоторым эффективным коэффициентом динамической вязкости. В этом случае полные смещения описываются уравнением Навье-Стокса.

Рассмотрим “поперечные” смещения, которые описывают сдвиговое вязкое течение

.

где V = U - скорость течения.

Считая пластическое течение ламинарным, будем искать решение уравнения (2) в виде

где А1 и А2 - константы, К - волновой вектор.

После подстановки (3) в (2) получим соотношение для волнового вектора

Из выражения (4) следует, что динамическое воздействие проникает в среду на глубину

Сравнить теоретически рассчитанную глубину проникновения возмущения с экспериментально полученной толщиной слоя трения не представляется возможным из-за отсутствия данных о параметре η. Можно оценить величину коэффициента вязкости, подставив в (5) значение lU = 40 мкм, полученное при трении образцов из стали 36НХТЮ. При частотах, соответствующих трению с образованием мостиков сварки, получим коэффициент вязкости

Такое крайне низкое значение вязкости для твердого тела нельзя объяснить ни движением дислокаций, ни объемной диффузией. Можно сравнить данный коэффициент с вязкостью, наблюдаемой при высокотемпературной ползучести металлов с ультрамелким зерном. В этом случае деформация обусловлена межзеренным проскальзыванием за счет зернограничной диффузии и скорость деформации пропорциональна d-3

где d - размер зерна. При чистом сдвиге эффективный коэффициент вязкости определяется выражением

где DJ - коэффициент зернограничной диффузии, δ - ширина границы, Ω - объем атома, k - постоянная Больцмана, T - температура.

Считая, что DJ в 2 -4 раза больше объемной диффузии, а δ - того же порядка, что и размер фрагментов, наблюдаемых в слое течения, 10-2 мкм, получим величину вязкости в выражении (8) η 102.

который характеризуется движением фрагментов субструктуры в локализованной области, соответствующей пятну контакта. На самом деле должен существовать спектр эффективных вязкостей, который зависит от иерархии диссипативных структур в зоне трения. Установление такой иерархии

позволит учесть специфику деформирования при трении. В данной работе рассмотрен только один аспект этой сложной проблемы, связанный с переменными воздействиями на поверхность трения.

Влияние динамических нагружений при трении сказывается не только на формировании приповерхностной зоны пластического течения, но и на образовании частиц износа. При динамическом воздействии в вязком материале на некоторой глубине от поверхности возникают микропоры за счет растягивающих напряжений, обусловленных циклическим деформированием в процессе трения. Микропоры сливаются, образуя зародышевые трещины, которые затем раскрываются, формируются частицы износа.

Макроскопическая модель деформирования микровыступа

Рассмотрим микровыступ, который представляет собой набор слоев, взаимодействующих друг с другом по заданным законам (рис. 7.2). Слои полагаются абсолютно жесткими, имеют одинаковые длину L и толщину hсл. Поведение микровыступа полностью определяется свойствами составляющих его слоев и законом взаимодействия между ними. Сжатие образца под действием нормального давления P в модели явно не учитывается. Предполагается, что нормальное напряжение постоянно по всей высоте микровыступа и равно нормальному давлению на контакте. Величина нормального напряжения учитывается при расчете критерия пластичности.

В микровыступе под действием силы трения может происходить сдвиг, который в модели реализуется посредством смещения слоев друг относительно друга в направлении параллельном поверхности трения. Элементарным носителем сдвига является пара слоев. Считается, что каждый слой взаимодействует только с двумя ближайшими соседями. Для нахождения сдвигового напряжения, действующего в паре слоев, используется упруго-пластическая функция отклика. Она имеет следующие параметры: упругий и ‘пластический’ модули, максимальную упругую деформацию и равновесный сдвиг.

Материал каждого слоя характеризуется следующими свойствами:

-плотностью ρ;

P

hобр

hосн

Жесткое основание

z

L

Рис. 7.2. Моделируемая система

−удельной теплоемкостью c;

−теплопроводностью λ;

−модулем сдвига G;

−“пластическим” модулем сдвига Gпл;

−предел текучести при одноосном растяжении σт.

Кроме того, каждый слой характеризуется смещением x и скоростью поступательного движения V , которые находятся интегрированием системы классических уравнений движения для всего набора слоев (7.1-7.3), записанных в напряжениях, с граничным условием (7.4):

где i – номер слоя (i =1,2…k-1, индекс 1 относится к самому верхнему слою, k – количество слоев); τfrn = P μn сдвиговое напряжение на поверхности, обусловленное силой трения; μn - коэффициент трения на шаге по времени n. Уравнение (7.1) записано для верхнего слоя микровыступа. Верхний слой скользит

по контртелу, которое движется с постоянной скоростью Vк. Граничное условие (7.4) – условие жесткого закрепления нижнего слоя на подложке.

В модели считается, что каждая пара слоев материала становится дополнительным источником тепла, если в ней происходит пластический сдвиг. Экспериментально показано, что при фрикционном контакте металлических материалов на нагрев может тратиться до 100% энергии трения. Поэтому в модели предполагается, что вся работа по пластическому деформированию материала переходит в тепло, и количество теплоты, выделившееся в паре слоев за один шаг по времени, приравнивается к механической работе затраченной на пластическую деформацию этой пары.

Распределение температуры в образце в каждый момент времени находится численным интегрированием уравнения теплопроводности с источниками тепла, представляющими собой пластически деформируемые в данный момент области материала. Таким образом, модель позволяет учитывать изменение температуры в образце связанное не только с фрикционным нагревом поверхности, но также с дополнительным тепловыделением, обусловленным пластическим деформированием поверхностного слоя.

Полученная при моделировании с учетом дополнительного тепловыделения динамическая картина пластического деформирования материала

Фрикционный нагрев и напряжения при трении (1) приводдяятт кк ппллаассттииччеессккоойй деформации (2). В свою очередь, пластический сдвиг вееддеетт кк ллооккааллььннооммуу повышению температуры материала из-за превращения энееррггииии ддееффооррммааццииии вв тепло. Это вызывает еще большее разупрочнение материиааллаа ии ппооссттееппееннннооее вовлечение нижележащих слоев в пластическое деформироввааннииее.. ККооннккууррееннцциияя процессов упрочнения и разупрочнения в условияяхх ссуущщеессттввоовваанниияя дополнительных внутренних источников тепла в материаллее ппррииввооддиитт кк ттооммуу,, что материал деформируется послойно. При этом в полосе ссддввииггаа ддееффооррммаацциияя одинаковапоглубине(3).