Взаимодействие контактирующих матералов при трении и износе

Решетневские чтения

УДК 621.891.375.6

И. А. Бондарев, Г. Ф. Тарасов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОНТАКТИРУЮЩИХ МАТЕРАЛОВ ПРИ ТРЕНИИ И ИЗНОСЕ

Рассмотрены вопросы контактного взаимодействия трущихся поверхностей деталей, процессы, протекающие при пластическом деформировании контактирующих материалов в зоне их непосредственного контакта.

Поверхность любого твердого тела имеет шероховатость и макрогеометрические погрешности. Самые гладкие металлические поверхности имеют микронеровности высотой порядка 0,05...0,1 мкм. Наличие неровностей на поверхности детали приводит к тому, что под действием приложенных нагрузок и температуры окружающей среды контакт сопрягаемых поверхностей деталей происходит по определенным малым площадкам. Количество таких контактов зависит как от нагрузки, так и от шероховатости и волнистости поверхностей. На взаимодействующих поверхностях формируются пятна касания (фрикционные связи). Причем при соединении и разъединении контактирующих поверхностей деформируется лежащий под ними материал. Фрикционный контакт соприкасающихся поверхностей носит дискретный характер.

Дискретность касания тел и неоднородность твердости поверхностей вызывает взаимное внедрение, которое при тангенциальном перемещении приводит к образованию царапин. Дно царапины вытягивается в сторону направления движения, а материал из царапины вытесняется по ее краям. При рассмотрении царапины под микроскопом отчетливо видны линии сдвига, возникающие вследствие больших пластических деформаций. Поверхностный слой материала в зоне контакта под действием нормальной и тангенциальной сил значительно деформируется. Глубина деформируемого слоя зависит от вида деформации (упругой или пластической) и интенсивности теплового воздействия в зоне контакта. Многократное передеформирование материала ведет к его наклепыванию (повышению твердости). После использования всех плоскостей скольжения материал переходит в состояние перенаклепа и хрупко разрушается.

При высоких температурах в зоне контакта, превышающих температуры рекристаллизации сплава, вместо упрочнения поверхностные слои приобретают повышенную пластичность. В результате многократно повторяющихся циклов пластического деформирования и высокой температуры структура и свойства материала в зоне контакта изменяются и существенно отличаются от структуры и свойств материала в исходном состоянии. Следовательно, управляя структурными и фазовыми переходами, диффузионными про-

цессами, процессами перераспределения дислокаций, а также учитывая взаимодействие исходной и образующейся структур, необходимо стремиться обеспечить оптимальную для данных условий трения структуру в зоне контакта.

Под воздействием сил трения и сжимающих напряжений в зоне контакта могут существенно изменяться не только структура, но и механические свойства материалов в зоне трения. В поверхностных слоях контактирующих деталей формируется неравномерное объемно-напряженное состояние, при котором даже хрупкие материалы могут проявлять высокую пластичность. Существенное влияние на структуру поверхности трения оказывает химическое воздействие окружающей среды. При высокой температуре в зоне трения (например, в тормозах) продукты насыщения образуют химические соединения (пленки) постепенно охватывающие всю поверхность трения, переводя ее в твердое хрупкое состояние. После этого происходит интенсивное разрушение образовавшейся пленки, обнажаются новые слои материала и цикл повторяется. Существует несколько механизмов образование частиц износ: микрорезание, глубинное вырывание, многократное деформирование.

Микрорезание происходит при контактировании материалов выступами соответствующей конфигурации или при наличии на поверхности трения твердой частицы (абразива или наклепанной частицы износа материала) при внедрении их на глубину порядка 0,2...0,3 радиуса выступа. Установлено, что если из 1000 контактов в одном наблюдается микрорезание, то оно становится ведущим видом изнашивания.

Глубинное вырывание происходит при схватывании контактирующих материалов, возникающего при нарушении порога внешнего трения за счет отрицательного градиента механических свойств по глубине или за счет слишком большого относительного внедрения выступов, соприкасающихся поверхностей или твердых частиц. Схватывание обычно происходит только в отдельные моменты трения. Глубинное вырывание почти всегда сопровождается другими видами изнашивания. Глубинное вырывание характерно для узлов сухого трения, работающих при больших давлениях и малых скоростях скольжения. Этот вид изнашивания ведет к быстрому выходу

Перспективные материалы и технологии в аэрокосмической отрасли

из строя пар трения. При создании узлов трения глубинное вырывание стараются исключить.

Пятна касания при износе не равномерны, а имеют хаотическое расположение. При деформировании материала образуется выступ (оттесненный материал). Повторные воздействия приводят к возникновению концентраторов напряжений, которые постепенно переходят в микротрещины, а затем и в макротрещины. Концентраторы напряжений могут быть и результатом тепловой и механической обработки материалов, а также возникать под воздействием тепла, выделяющегося при трении. Появляющиеся царапины могут усиливаться и металлургическими дефектами (усадочные поры, газовые пузырьки, включения шлака и т. д.). Многократные повторения циклов передеформирования материала приводит к разрушению поверхности материала, т. е. фрикционной ее усталости.

Кроме изложенных видов взаимодействия поверхностей трения может быть упругое оттесне-

ние материала в зоне контакта и схватывание пленок, образующихся на поверхности трения в результате взаимодействия с окружающей средой. При упругом оттеснении образование частицы износа происходит при очень большом числе контактов (примерно 106...1010 контактов). Схватывание пленок на поверхности трения происходит под действием сил трения. Образующиеся окисные пленки на поверхности трения обладают значительной хрупкостью и поэтому легко разрушается. После удаления окисной пленки поверхность трения металла обнажается и на ней вновь образуются окисные пленки и так процессы образования и удаления окисных пленок повторяются.

Таким образом, при контактном взаимодействии твердых тел реализуются различные механизмы изнашивания их поверхностей. Доминирующий вид разрушения поверхности трения определяется условиями, при которых реализуется тот или иной вид нарушения фрикционных связей.

I. A. Bondarev, G. F. Tarasov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetev, Russia, Krasnoyarsk

INTERACTION OF CONTACTING MATERIALS AT THE FRICTION AND DETERIORATION

The article is considered with questions of contact interaction of rubbing surfaces of details, the processes proceeding at plastic deformation of contacting materials in a zone of their direct contact.

© Бондарев И. А., Тарасов Г. Ф., 2009

УДК 621.317.2

М. В. Бондаренко

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Россия, Самара

ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК МЕТОДОМ КОНДЕНСАЦИИ

Разработан прибор для измерения чистоты поверхности подложек методом конденсации. Прибор создан на базе микроконтроллера PIC (типа PIC16F877A) производителя Microchip, элементов Пелътъе (типа ТВ-127-1,4-1,5); датчика относительной влажности и температуры SHT75 производителя Sense-rion. Точность измерения датчика SHT75: по температуре ±0,3 °C; влажности ±1,8 % RH при заданном давлении, что позволяет с достаточной точностью определить точку росы.

Рассмотрим принцип работы прибора. 1. Контроллер с помощью датчика температуры и влажности вычисляет точку росы в градусах Цельсия по формуле [1]

Т = Ьу(Т , КИ) р a - у(Т, шу аТ

у(Т, КИ) =-+ 1п КИ,

где а = 17,27; Ь = 237,7 °С, 1п - натуральный логарифм; Т - температура, °С; КИ - относительная влажность в долях (0 < КИ < 1,0); Тр - точка росы.

2. Затем контроллер включает элементы Пель-тье, которые охлаждают поверхность подложки до температуры выпадения росы.

3. В итоге на подложке мы получаем фигуры запотевания, по которым можно судить о чистоте поверхности подложки (точность 2-10-8 г/см2).