Моделирование сдвиговой пластической деформации в приповерхностных слоях материалов с градиентом физико-механических свойств при трении скольжения

Моделирование сдвиговой пластической деформации в приповерхностных слоях материалов с градиентом физико-механических свойств при трении скольжения

В.Е. Рубцов, A.B. Колубаев, A.B. Белый1, В.А. Кукареко1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт надежности машин НАНБ, Минск, 220072, Беларусь

В рамках одномерной макроскопической модели на основе метода частиц исследовано влияние толщины твердого покрытия и размера пятна контакта на развитие пластической деформации в материале основы для различных скоростей скольжения при взаимодействии контртела и единичного микровыступа на упрочненной поверхности. Обнаружено, что величина пластической деформации на границе раздела и толщина пластифицированного слоя материала под покрытием тем больше, чем больше пятно контакта и чем меньше толщина покрытия. Увеличение скорости скольжения может приводить как к росту, так и к уменьшению пластического сдвига под твердым покрытием в зависимости от его толщины.

Выполнено моделирование многократно повторяющегося взаимодействия микровыступа образца с твердым покрытием и контртела. Обнаружено, что в процессе многократного циклического контактирования могут реализовываться два различных режима пластического деформирования материала под твердым покрытием. Максимальный пластический сдвиг наблюдается в первом цикле взаимодействия. Далее продолжается накопление пластической деформации, но с каждым циклом прирост пластического сдвига уменьшается.

1. Введение

Экспериментальные исследования процесса трения металлов и сплавов [1, 2] показывают, что при высоких нагрузках в поверхностных слоях материалов формируется структура, свидетельствующая о пластическом течении материала преимущественно вдоль направления скольжения. Деформация при этом может быть либо локализованной в поверхностном слое, в котором наблюдается ламинарное пластическое течение материала

[2], либо монотонно убывать с увеличением расстояния до поверхности трения. При рассмотрении поперечного, вдоль направления движения, сечения образца обнаруживается однородная структура поверхностного слоя с полосами скольжения, параллельными поверхности [2]. С макроскопической точки зрения, структура и свойства такого слоя являются практически неизменными в направлении, параллельном поверхности трения, и меняются только в зависимости от расстояния до нее. Поэтому при исследовании пластической деформации в вышеупомянутых материалах при трении скольжения,

в рамках модельных представлений можно ограничиться одномерным приближением и явно рассматривать только сдвиг вдоль направления скольжения, а изменение свойств материала учитывать только в направлении, нормальном к контактной поверхности.

2. Методика расчета

В работе для расчетов использовалась одномерная макроскопическая модель на основе метода частиц [3, 4]. Моделирование проводили при тех же значениях свойств материалов, что и в предыдущих исследованиях

[3], за исключением граничных условий тепловой задачи. В данной работе температуру микровыступа находили в два этапа. Сначала решалась макроскопическая тепловая задача для слоя материала толщиной, в 10 раз превышающей высоту микровыступа. При этом дискретность контакта не учитывалась, и поэтому мощность тепловыделения на поверхности рассчитывали исходя не из контактного, а из номинального давления. Таким образом, учитывался средний интегральный нагрев

© Рубцов В.Е., Колубаев A.B., Белый A.B., Кукареко В.А., 2003

образца в процессе трения. Найденную из решения макроскопической тепловой задачи температуру использовали в качестве граничного условия при решении задачи разогрева микровыступа вследствие температурной вспышки, возникающей при его контакте с контртелом.

3. Результаты моделирования

На рис. 1 приведены кривые пластической деформации в образце, полученные для покрытий различной толщины, а также при отсутствии покрытия. Хорошо видно, что все кривые совпадают теми своими частями, которые соответствуют пластически деформированному материалу под покрытием. Таким образом, при одинаковых условиях трения пластический сдвиг проникает на одинаковую глубину от поверхности, независимо от толщины покрытия. Во всех случаях максимальный пластический сдвиг развивается на границе между основным материалом и твердым слоем. С удалением от поверхности трения величина пластической деформации монотонно убывает. Если толщина твердого слоя для исследуемого материала при данных условиях трения превышает максимальную глубину проникновения пластического сдвига, то материал под покрытием остается упругим.

Для изучения влияния размера пятна касания и скорости контртела на поведение микровыступа с различной толщиной твердого слоя на поверхности была выполнена серия расчетов однократного взаимодействия с контртелом для пятен размером 50, 100 и 200 мкм при скоростях скольжения от 0.5 до 10 м/с и твердых покрытий толщиной от 2 до 40 мкм. На рис. 2, а приведены зависимости величины пластического сдвига от скорости контртела на границе раздела между основным материалом и покрытием, толщиной 10 мкм. Хорошо видно, что характер зависимостей и величины пластических деформаций существенно различаются для пятен касания, имеющих разные размеры. Для пятна размером 200 мкм при увеличении скорости от 0.5 до

8 м/с деформация монотонно возрастает. При скорости 8 м/с она достигает максимальной величины и далее остается постоянной. На кривой, соответствующей пятну касания размером L = 100 мкм, наблюдается максимум при ¥к = 4 м/с, после которого деформация медленно уменьшается. Для пятна касания 50 мкм пластическая деформация наблюдается только в интервале скоростей 1-4 м/с, при этом ее максимальная величина более чем на порядок меньше максимума для L = 100 мкм.

Рисунок 2, б показывает, как влияет скорость контртела на распределение пластической деформации в материале с покрытиями различной толщины. Как видно из рисунка, чем толще покрытие, тем меньше величина пластического сдвига на границе раздела. При толщине твердого слоя 2 и 5 мкм пластическая деформация на границе раздела монотонно возрастает с увеличением относительной скорости скольжения, а скорость роста деформации замедляется. Кроме того, последняя тем ниже, чем больше толщина покрытия. При толщине покрытия более 10 мкм пластический сдвиг сначала возрастает с увеличением скорости, а затем уменьшается. Кривые деформаций для слоев, толщиной 10, 15, 20 и 30 мкм, имеют максимумы при скоростях 8-10, 4, 2 и 1м/с соответственно. Наличие на поверхности трения

Скорость контртела, м/с

Рис. 1. Пластическая деформация в образце при разной толщине твердого слоя

2 4 6 8 Скорость контртела, м/с

Рис. 2. Пластическая деформация на границе основного материала с покрытием в зависимости от скорости контртела: для разных размеров пятна контакта при толщине покрытия 10 мкм

О 30 60 90 120 150

Расстояние до поверхности трения, мкм

Расстояние до поверхности трения, мкм

Рис. 3. Пластическая деформация в области контакта после 10 циклов взаимодействия для пятна касания 200 мкм при разных толщинах покрытия

твердого слоя толщиной 30 мкм полностью исключает пластическое деформирование материала на границе раздела при скоростях скольжения более 4 м/с.

В реальных условиях неровности трущихся поверхностей в процессе скольжения многократно контактируют друг с другом. При этом пластическая деформация может накапливаться в поверхностном слое с каждым циклом. Для анализа многократного контактирования упрочненного материала и контртела при трении был проведен расчет 10 циклов взаимодействия микровыступа с контртелом. Каждый цикл состоял из двух фаз: фазы контакта и свободной фазы. Во время первой фазы микровыступ взаимодействует с контртелом и нагревается вследствие выделения тепла на контактной поверхности. В течение второй фазы микровыступ свободен от нагрузки, тепловыделение на поверхности отсутствует и температура вблизи поверхности падает.

Соотношение длительностей контактной и свободной фазы зависит от соотношения реальной и номинальной площадей контакта. В выполненных расчетах полагалось, что фактическая площадь контакта составляет 4 % от номинальной и, таким образом, длительность свободной фазы была в 5 раз больше, чем фазы контактирования.

Моделирование проводилось для скорости контртела 10 м/с. Полученные кривые деформаций после 10 циклов показаны на рис. 3. Как и в случае единичного акта взаимодействия (рис. 1), части кривых, отвечающие деформированию материала под покрытием, совпадают. Отличие от единичного взаимодействия состоит в том, что кривые деформации для материалов с покрытиями, имеющими толщину 2, 10, и 20 мкм, имеют два участка с различным наклоном. На глубине до 20 мкм пластическая деформация резко падает, а далее, с увеличением расстояния до фрикционной поверхности, она уменьшается заметно медленнее. Это связано с особенностями температурного режима в поверхностном слое материала при циклическом воздействии. На рис. 4 при-

т-р———і—————і—————і—————і—————

- - 1 — 2 -... 3

б

0 20 40 60 80 100

Расстояние до поверхности трения, мкм

Рис. 4. Температура (а) и пластическая деформация (б) в микровыступе с покрытием толщиной 2 мкм (Ук = 10 м/с, Ь = 200 мкм): 1 — после фазы контакта первого цикла; 2 — в начале фазы контакта второго цикла; 3 — через 5 -10-7 с после начала фазы контакта второго цикла

ведены поля температур и деформаций в материале с покрытием толщиной 2 мкм в различные моменты времени. Во время фазы первого цикла контактирования вследствие интенсивного нагрева происходит повышение температуры в поверхностном слое, разупрочнение и вслед за этим пластическое деформирование разуп-рочненного материала под покрытием (рис 4, б, кривая 1). Можно сказать, что процессы разупрочнения и деформации идут одновременно. Далее, в течение свободной фазы первого цикла из-за того, что тепло на поверхности трения не выделяется, температура в поверхностном слое выравнивается. Она заметно падает на глубине от 0 до =18 мкм и возрастает на глубине более 18 мкм (кривая 2 на рис. 4, а), где происходит разупрочнение материала за время свободного цикла. В начале второго цикла контактирования происходит пластическое деформирование материала, разупрочненного в течение предыдущих фаз. Этот процесс идет при практически постоянной температуре, так как продолжается очень короткое время (около 5 • 10-7 с) и тепловое возмущение не успевает проникнуть на большую глубину (см. кривые 2 и 3 на рис. 4, а). После этого на кривой деформации появляется практически линейный участок

Рис. 5. Величина пластической деформации на границе основного материала и покрытия в зависимости от количества циклов взаимодействия для микровыступа с покрытиями различной толщины

от 18 до 62 мкм (кривая 3, рис. 4, б). Величина деформации на нем не достигает больших значений, так как температура незначительно превышает критическую величину. Меньший наклон кривой, по сравнению с участком от 2 до 18 мкм, объясняется значительно меньшим градиентом температуры в этой области (кривая 2, рис. 4, а).

Анализ результатов моделирования показал, что в заданных условиях трения, в зависимости от толщины твердого слоя на поверхности, могут иметь место либо оба описанных выше режима пластического деформирования, либо только деформирование при постоянной температуре. Два попеременно сменяющих друг друга режима реализуются только для покрытий толщиной 2, 10 и 20 мкм. При большей толщине покрытия за время контактной фазы температура под ним не успевает достигнуть критического значения, при котором материал пластифицируется. В этом случае первый режим деформирования полностью отсутствует, и накопление пластического сдвига идет только за счет деформирования при постоянной температуре.

На рис. 5 показано развитие пластической деформации на границе раздела при циклическом взаимодействии. Видно, что чем больше толщина покрытия, тем меньше пластическая деформация и ее приращение на каждом цикле. После четырех циклов величина деформации на границе линейно возрастает для всех покрытий. Максимальный прирост пластических сдвигов и толщины деформированного слоя имеет место после первого акта взаимодействия. На протяжении последующих циклов происходит дальнейшее накопление пластической деформации и увеличение толщины пластифицированного слоя. При этом, чем больше число циклов взаимодействия, тем меньший прирост деформации и толщины слоя происходит после каждого цикла.

Далее в работе было выполнено моделирование многократного контактирования в условиях, близких к ус-

ловиям трибоиспытаний стали 12Х18Н10Т с азотированным слоем, полученным ионной имплантацией [4]. Свойства материалов и параметры расчета были такими же, как и в предыдущем исследовании однократного контакта [3]. Скорость контртела — 0.1 м/с; коэффициент трения — 1.0; контактное давление — 108 МПа (соответствует номинальному давлению ^ 4.32 МПа), начальная температура — 20 °С. Полученный слой представлял собою твердое покрытие на пластичной подложке.

На рис. 6 приведены зависимости величины пластической деформации на границе раздела от количества циклов взаимодействия для твердых слоев различной толщины. Хорошо видно, что кривые накопленной деформации материалов с покрытием разной толщины располагаются практически параллельно и отличаются только абсолютной величиной пластических сдвигов. Основная доля пластической деформации под твердым слоем накапливается в первом цикле контакта. Для последующих циклов прирост пластической деформации и толщины деформированного слоя существенно меньше, чем для первого. Анализ развития деформационной картины во времени показывает, что в данном случае имеет место только первый из двух описанных выше режимов пластического деформирования. Пластический сдвиг в материале под покрытием растет за счет деформирования при повышении температуры в конце фазы контактирования в отличие от описанного выше случая трения со скоростью контртела 10 м/с, когда деформирование имело место в начале контактной фазы.

4. Выводы

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Размер пятна касания и скорость контртела существенно влияют на поведение микровыступа при трении. Толщина пластифицированного слоя и величи-

Рис. 6. Величина пластической деформации на границе стали и имплантированного слоя в зависимости от количества циклов взаимодействия для микровыступа с имплантированными слоями различной толщины

на пластической деформации на границе раздела материала и покрытия тем меньше, чем больше толщина покрытия и меньше размер пятна контакта. Повышение скорости скольжения не всегда приводит к росту пластических сдвигов под покрытием. Например, при размере пятна контакта 200 мкм и при толщине покрытия более 10 мкм увеличение скорости скольжения контртела свыше 4 м/с ведет к уменьшению толщины пластифицированного слоя и величины пластической деформации на границе раздела. Аналогичная картина наблюдается и при больших толщинах покрытия, и при меньших размерах пятен контакта. Такое поведение трибосистемы связано с изменением температурного режима в поверхностном слое при изменении толщины покрытия, скорости скольжения и размера пятна контакта.

Моделирование многократно повторяющихся взаимодействий пятна касания и контртела показало, что возможно существование двух различных режимов накопления пластического сдвига под покрытием. Первый развивается в конце контактной фазы циклического нагружения вследствие фрикционного разогрева материала, второй — в начале повторного контактирования вследствие перераспределения тепла за время отсутствия контакта. Второй режим является более предпочтительным с точки зрения повышения износостойкости, так как в этом случае величина пластической деформации существенно меньше величины деформации при первом режиме и она менее локализована. В зависимости от условий нагружения, распределения температуры и свойств материалов трибосистемы может реализовываться либо один из режимов, либо оба одновременно.

Таким образом, температурный режим в поверхностном слое является одним из главных факторов, определяющих поведение трибосистемы. Изменение параметров системы трения, таких как свойства материала, условия нагружения, геометрия контакта, может оказывать влияние на процесс трения как напрямую, так и опосредованно, вследствие изменения теплового режима в поверхностном слое. Твердое покрытие на поверхности может выполнять не только функцию несущего нагрузку твердого слоя, но и играть роль теплового экрана, предотвращающего нагрев, разупрочнение и пластификацию материала под ним. Тем самым снижается вероятность разрушения покрытия вследствие несовместности деформаций в покрытии и основном материале.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-01-81003 Бел2002а).

Литература

1. Владимиров В.И Проблемы физики трения и изнашивания // Физика износостойкости поверхности металлов. - Ленинград: ФТИ РАН, 1988. - С. 8-41.

2. Колубаев А.В., Тарасов С.Ю. Закономерности формирования поверхностных структур при трении с высокими нагрузками // Трение и износ. - 1998. - Т. 19. - № 3. - С. 379-385.

3. Белый А.В., Кукареко В.А., Рубцов В.Е., Колубаев А.В. Сдвиговая пластическая деформация и износостойкость ионно-модифицированных материалов с твердыми слоями // Физ. мезомех. - 2002. -Т. 5. - № 1. - С. 51-57.

4. Rubtsov V, Kolubaev A. Modeling of shear deformation in friction by taking into account modification of material’s properties // New Achievements in Tribology. Proceedings of 6th International Symposium «INSYCONT’02», 2002, Cracow, Poland. - Radom: ITeE, 2002. -P. 197-206.

Simulation of shear plastic deformation in subsurface layers of materials with gradient of physical-mechanical properties in sliding friction

V.E. Rubtsov, A.V. Kolubaev, A.V. Byeli1, and V.A. Kukareko1

Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute of Machine Reliability, NASB, Minsk, 220072, Belarus

Influence of the hard coating thickness and contact spot size on plastic deformation in a substrate material was investigated using a 1D macroscopic model based on a particle method. Consideration was given to interaction of a rider and a single microbulge on the hardened surface at different sliding velocities. It was found that the larger is the contact spot and the thinner is the coating thickness, the higher is the plastic strain degree at the interface and the thicker is the plasticized material layer under the coating. An increase of sliding velocity may lead to an increase as well as to a decrease of plastic shear under the hard coating depending on its thickness.

A repeated interaction between a microbulge on a hard-coated specimen and a rider was simulated. It was revealed that during repeated cyclic interaction two modes of material plastic deformation can be realized under the hard coating. The maximum plastic shear is observed in the first interaction cycle. Further plastic strain continues accumulating, but in each subsequent cycle plastic shear increment decreases.