Файл: Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения.pdf

В таблице 20 приведены средние экспериментальные значе­

ствии касательной нагрузки. В формуле (4,40) ф — угол пе­ ресечения характеристик с поверхностью контакта опре­ деляется из соотношения т = — к cos 2ср; ф — угол поворота

Из анализа геометрии поверхности следует, что при расстоянии между пятнами 1=10 d на 1 мм2 площади при­ ходится в среднем одно пятно касания.

60

характеризующей взаимодействие единичной дислокации й поверхностью. Из формулы видно, что сила взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию дислокации от свобод­ ной поверхности. С уменьшением указанного расстояния си­ ла выталкивания возрастает до бесконечности [2].

Однако, наличие окисиой пленки на поверхности закрыва­ ет выход дислокациям и они останавливаются на некотором расстоянии от нее. Процессом торможения дислокаций закан­ чивается первый основной период нагружения .контакта.

Второй основной период нагружения контакта — период расформирования (разрушения) фрикционной связи характе­ ризуется относительным движением сопряженных (претер­ певших изменения в строении) выступов. В этот период ско­ рость относительного скольжения возрастает. Заканчивается этот период «ударом» (мгновенным изменением относитель­ ной скорости скольжения).

В момент «удара» начинается формирование «новой» фрикционной связи, а оставшаяся часть механической энер­ гии преобразуется в другие виды энергии, например, в тепло­ вую. В результате температура в контактной зоне претерпе­ вает изменения — увеличивается. Физико-механические свой­ ства материалов изменяются.

Отсюда следует, что нарушения единичной фрикционной связи сопровождаются термическим и .механическим, т. е. термомеханическим «ударом» на контакте.

Может возникнуть впечатление, что величины касатель­ ных напряжений, вызывающие преобразование контакта, от периода к периоду уменьшаются. Объяснить это можно сни­ жением механических характеристик материала вследствие нагружения контактной зоны.

Однако это не так. В начальный период преобразования контакта изменения касательных напряжений вследствие на­ гревания поверхностного слоя незначительные, так как меха­ нические характеристики материалов мало изменяются. А из­ менение силы взаимодействия при образовании новых дефек­ тов более ощутимо. И для преодоления дополнительного со~ противления необходимы большие нагрузки. Процесс форми­ рования и расформирования фрикционных связей в этот пе­ риод происходит с напряжением.

При высоких температурах и изменении механических свойств материалов касательные напряжения, вызывающие движения дислокаций, значительно снижаются. И образова­ ние новых дислокаций, и увеличение силы взаимодействия

62

мёжду дислокациями не в состоянии компенсировать этого уменьшения. Процесс рождения подвижных дислокации об­ легчается, материал переходит в стадию ползучести.

Указанная картина «жизнедеятельности»'контакта в связи с рождением и блокировкой дислокаций, естественно упроще­ на. В действительности этот процесс протекает в'значительно более сложных условиях, обусловленных различными струк­ турными и фазовыми превращениями .в поверхностных слоях материалов. Однако и эта упрощенная картина позволяет раскрыть механизм формирования и расформирования фрик­ ционной связи в первый и во второй периоды преобразования контакта. Периодические тѳрмоімеханические нагружения на контакте приводят к накоплению дислокаций в кристалличе­ ском блоке. Этот процесс накопления дислокаций не беспре­ дельный. Он продолжается до тех пор, пока давление скопив­ шихся дислокаций не нарушит равновесия лидера.

Топда одна часть из этих дислокаций может перескочить в соседний блок и там остановиться, а другая часть дислока­ ций может застрянуть между блоками (зернами).

Врезультате срывов системы заблокированных дислока­ ций может произойти образование вакансий как внутри бло­ ка (зерна)г так и на границе блоков (зерен).

При последующих механических нагружениях на контак­ те циклы взаимодействия повторяются. Но, количество жиз­ недеятельных дислокаций увеличивается. Увеличивается и число вакансий, пропорциональное числу действующих дис­ локаций.

Вдальнейшем под действием высоких температур и явле­ ний диффузий вакансии устремляются из мест растянутых к местам сжатым-либо менее растянутым.

Этот процесс перемещения вакансий можно объяснить следующим механизмом взаимодействия атомов в кристал­

лической решетке.

В тех местах решетки, где материал подвержен сжатию, усилия от соседних объемов материала направлены к центру (рис. 19а). Такое направление усилий создает напряженное состояние в данной области кристаллической решетки.

В тех местах решетки, где материал подвержен растяже­ нию, усилия направлены от центра к соседним объемам ма­ териала (рис. 196). Это направление усилий создает разре­ жение в данной области кристаллической решетки.

Наличие в кристаллической решетке напряженных мест и мест с разрежением позволяет атомам вследствие диффузии

63

перемещаться из мест напряженных в места с разрежением. Поток же вакансий устремляется © противоположном направ­ лении — из мест разрежения в места напряженные. Такими местами для переселения вакансий являются передние части контакта. В этих местах вследствие трансформации контакт­ ного давления создается более напряженное состояние.

Рис. 19

Получается такая картина. Вакансии движутся в направ­ лении относительной скорости скольжения, опережая ” либо отставая от движущегося «узла». В этих передних местах кон­ такта и наблюдается образование колонии из вакансий. Здесь они застревают и создают предпосылки для зарождения бу­ дущих очагов разрушения.

Характер усталостного разрушения контакта поверхностей трения определяется тем, что материал в зоне контакта в ре­ зультате многократных силовых воздействий, даже при напря­ жениях, значительно ниже предела прочности, все же разру­ шается.

Число воздействий, которые материал выдерживает до разрушения, определяется величиной максимального контакт­ ного давления и значением перепада давлений (формула 4.19, глава IV) за цикл.

В механике формирования усталостного разрушения по­ верхностного слоя можно выделить три стадии.

При действии высоких температур и напряжений на пер­ вой стадии наблюдается развитие диффузионных процессов, которые приводят к перемещению атомов и образованию ко­ лоний вакансий. Эта стадия называется стадией коагуляции (сращивания) вакансий в колонии. Концентрация вакансий пропорциональна величине деформации. На этой стадии про­ исходит частичное изменение положений атомов в кристалли­ ческой решетке без ее разрушения.

Вторая стадия усталостного разрушения поверхностного слоя наблюдается.при-развитии пластических течений на кон­

64'

такте, которые могут приводить к искажению кристалличе­ ской решетки и нарушению связей между атомами.

Образование нарушений в кристаллическом строении ма­ териала может происходить как на поверхности контакта, так

ипа некоторой глубине деформированной контактной зоны.

Внормальных условиях развития процесса трения образо­ вание нарушений на глубине деформированной зоны может происходить в местах действия максимальных касательных напряжений.

При действии па поверхностях сопряженных тел активной среды наблюдается проникновение смазки в места образова­ ния вакансионпых колоний. В этих условиях создаются пред­ посылки для зарождения будущей трещины.

Эта стадия называется стадией образования разрывов и микротрещин. На этой стадии сигнализируется возможность нарушения надежности работы контакта и поверхностного слоя сопряженной пары трения. Размер разрыва (образова­ ние усталостной полости) определяется зависимостью

1 = пѢ,

где b —.вектор Бюргарса, а — число скопившихся дислокаций у препятствия (границы зерна). Расчеты показывают, что на­ чальный размер разрыва обычно составляет доли микрона.

Третья стадия разрушения фрикционного контакта харак­ теризуется концентрацией напряжений в местах образования разрывов и ростом микротрешии до выхода ее на поверх­ ность. Характерным для этой стадии разрушения является образование сквозной трещины — туннели, пронизывающей часть кристаллического блока и своими концами выходящей на поверхность контакта. Искривление трещины при ее росте и образование туннели объясняется искривлением плоскостей скольжения в деформированной зоне вследствие взаимодей­ ствия дислокаций.

Третья стадия разрушения контакта является предвестни­ ком разрушения поверхностного слоя.

Приведенный анализ показывает, что в механике разру­ шения поверхностей трения следует различать разрушение

.материала (вторая стадия процесса) от разрушения контакта (третья стадия процесса). Разрушение материала является следствием образования необратимых нарушений в строении решетки, а разрушение контакта — результат разрыва связей и обнажения внутренних границ поверхностного слоя. Если на второй стадии разрушения только сигнализируется воз-

МожноСть нарушения работы контакта, то на третьей стадии надежность в его эксплуатации пропадает.

Можно выделить три идеализированных случая возникно­ вения микротрещнны параллельно (I) и перпендикулярно (в сторону (2) и вглубь (3) вектору скорости скольжения. На рис. 20_ представлена схема трещины и возможные идеализи­ рованные случаи ее нагружения. Оси координат выбраны, как показаны на фигуре: ось ОХ — по направлению движе­ ния трещины, OY — по ее кромке, OZ — перпендикулярно к плоскости симметрии трещины.

X

г

Рве. 20,

В первом случае направление нагружения трещины сов­ падает с направлением ее движения Как следует из схемы, при продвижении трещины может наблюдаться потеря устой­ чивости поверхностного слоя и его отслаивание от основы кон­ такта. Во втором случае при росте трещины можно наблю­ дать сдвиг поверхностного слоя и его скол от основы контак­ та. В третьем случае нагружения наблюдается отрыв, расши­ рение полости трещины, которые при «благоприятных» усло­ виях могут привести к росту трещины в глубь контакта и вырыву материала.

Образование и рост трещины в первых двух случаях обус­ ловлены диффузией вакансий на поверхности, а третий — по объему. При этом можно предположить, что рост трещины в первом случае характерен для линейной модели, а второй— для точенной.

Анализ напряженного состояния контакта показывает, что около трещины происходит концентрация напряжений: каса­ тельных для первых двух случаев и нормальных — для треть­ его:

66

7’ (5>2)

где /• — расстояние до кромки трещины, 21 — длина трещины. Из формулы (5.2) следует, что на расстоянии 1 = 2г от кромки трещины концентрация напряжении пропадает. Одна­ ко на расстоянии г 4^1 наблюдается значительная концентра­ ция напряжений и возникновение перед «носикам» трещины пластической области. Указанная концентрация напряжений

способствует разрушению контакта и износу поверхностей. Из экспериментальных исследований следует, что в ре­

зультате периодических напружени й контакта нормальной на­ грузкой возникает две четко выраженные зоны: центральная застойная зона сцепления материала и пограничная зона его— «передеформнрованная». В центральной застойной зоне мате­ риал находился в состоянии всестороннего жатия. Свой­ ства и структура материала в этой зоне почти не изменяются. Здесь можно увидеть следы сохранившихся концентрических колец — результата обработки материала при его точении. В пограничной зоне материал испытывает заметные кинемати­ ческие перемещения.

Если первая — центральная зона контакта является несу­ щей и отражает объемные свойства материалов при контак­ тировании, то вторая — пограничная зона характеризует .осо­ бенности сопротивления материала в его поверхностном слое.

При нормальном и касательном нагружении в центральной застойной зоне концентрические кольца вытягивались в на­ правлении скольжения и принимали 'овально-эллиптический вид (рис. 17). В пограничной зоне происходила трансформа­ ция’более четкая. В передней части контакта появлялись ли­ нии скольжения, которые образовывали развитую сеть не­ больших трещин и морщин, являвшихся предвестниками разрушения контакта.

Чем можно объяснить 'появление признаков разрушения материала в пограничной передней части контакта? В погра­ ничной зоне контакта происходит непосредственное взаимо­ действие материала контакта с окружающей средой. В этой зоне создавались благоприятные условия для окисления ма­ териала и образования окиспой пленки более высокой твер­ дости, чем основной материал.

При развитии повышенных температур можно было на­ блюдать разрыхление структуры материала. В результате в местах разрыхления поверхностного слоя сопряжение окисной пленки с материалом нарушается. Этому способствует и