Содержание к диссертации
Введение
1. Основные сведения о контактировании и трении поверхностей 12
1.1. Введение 12
1.2. Микрогеометрия поверхности 12
1.3. Влияние температуры на процессы трения 16
1.4. Поверхностные слои 23
1.5. Моделирование процессов трения 28
1.6. Постановка задачи 37
2. Исследование процесса формирования контакта шероховатых поверхностей 40
2.1. Введение 40
2.2. Описание модели 41
2.3. Методика и условия моделирования 49
2.4. Результаты моделирования 50
2.5. Заключение к главе 2 52
3. Исследования температурного режима в пятне контакта при трении скольжения в условиях схватывания . 53
3.1. Введение 53
3.2. Макроскопическая модель автоколебательной системы 54
3.3. Условия и параметры моделирования 58
3.4. Результаты моделирования 61
3.5. Заключение к главе 3 70
4. Моделирование сдвиговой деформации в поверхностном слое при трении с учетом изменения механических свойств материал 72
4.1. Введение 72
4.2. Макроскопическая модель микровыступа 73
4.3. Функция отклика и ее модификация 79
4.4. Методика моделирования 85
4.5. Результаты моделирования 88
4.6. Заключение к главе 4 107
5. Особенности деформирования материалов с покрытиями при трении 108
5.1. Введение 108
5.1. Моделирование трения образца с твердым покрытием 109
5.2. Моделирование трения образца с пластичным покрытием 122
5.3. Заключение к главе 5 127
Выводы 130
Литература 132
- Микрогеометрия поверхности
- Описание модели
- Макроскопическая модель автоколебательной системы
- Макроскопическая модель микровыступа
Введение к работе
Основы современных представлений о трении были заложены в 20 веке такими выдающимися учеными как И. В. Крагельский [1-3], Ф. Боуден и Д. Тейбор [4], которые значительно расширили представления о трении сформулировав молекулярно-механическую и адгезионно-деформационную теории трения. Следующим этапом развития науки о трении стало осознание ведущей роли поверхностных слоев материала. И.В. Крагельским введено такое фундаментальное понятие как «третье тело». В; рамках концепции «третьего тела» полагается, что определяющее влияние на процессы трения и изнашивания оказывают модифицированные поверхностные слои, образовавшиеся при контакте и формирующаяся из них в результате механических, химических, тепловых и других процессов тонкая пленка, разделяющая поверхности трения. Б.И. Костецким [5, 6] и Л.И. Бершадским [7, 8] выдвинута теория структурно-энергетической приспосабливаемости при трении. Эта теория предполагает, что система сама адаптируется к условиям трения путем формирования вторичных структур из продуктов переноса материалов двух поверхностей, со свойствами, обеспечивающими минимум энергетических затрат на трение в заданных условиях. Еще одним подтверждением главенствующей роли поверхностного слоя стало открытие Д.Н. Гаркуновым явления избирательного переноса [9, 10]. Было обнаружено, что при определенных условиях на поверхности трения в результате трибохимических реакций образуется тонкая пленка с очень малым сопротивлением сдвига, которая предотвращает непосредственный контакт поверхностей, тем самым, снижая коэффициент трения приблизительно на порядок величины и резко уменьшая износ трибосопряжения.
Понимание особой роли поверхностного слоя обусловливает интерес три-бологов к его исследованию. Значительный вклад в изучение структуры и свойств поверхностных слоев и построения моделей фрикционного контакта.
внесли работы Л.М. Рыбаковой и Л.И. Куксеновой [11-15], Д. Ригни [16-17], В.И. Владимирова [18] и др. В последние годы активно развивается подход к исследованию деформационных процессов в поверхностных слоях, основанный на концепции структурных уровней деформации и разрушения твердых тел академика В.Е. Панина [19, 20], а также на понимании в рамках этой концепции особой роли поверхности и поверхностных слоев в зарождении и развитии пластической деформации [21, 22].
С появлением новых материалов и технологий упрочнения удельные нагрузки во вновь проектируемых узлах трения постоянно возрастают. Соответственно возрастают и температуры, достигаемые на фрикционной поверхности. В этом случае тепловой режим начинает выступать в качестве одного из главных факторов, определяющих процесс формирования и свойства поверхностного слоя. В области исследования влияния температурного фактора на процессы трения, в частности моделирования трения с учетом фрикционного нагрева, следует отметить работы А.В. Чичинадзе с сотрудниками [23-30]. Разработанная А.В. Чичинадзе модель тепловой динамики трения и изнашивания (ТДТИ) позволяет учитывать изменение упругих, прочностных, теплофизических свойств материала и других параметров контакта в зависимости от температуры.
По мнению многих современных авторов [29, 31-34] наиболее важными элементами процесса трения являются циклическое механическое и температурное воздействия, связанные с взаимодействием микронеоднородностей шероховатой поверхности, и локализация деформации в поверхностном слое. Вследствие этого в приповерхностных слоях имеет место пластическое течение материала, предопределяющее образование частиц износа. Наличие микровыступов на сопряженных поверхностях, а также контактирование в отдельных пятнах касания, обуславливают высокие контактные температуры и напряжения, приводящие к адгезионному схватыванию поверхностей. В результате возникают колебания прилегающих к контакту объемов материала с
частотой, зависящей от упругопластических свойств материала, степени шероховатости и характеристик окружающей среды. Такой процесс, имеющий все черты усталостного, осуществляется с большой частотой, обеспечивающей значительные деформации и перестройку структуры в поверхностном слое материала в течение нескольких секунд. Следствием перестройки структуры является несоразмерность пластической деформации поверхностного слоя, механические свойства которого отличаются от свойств исходного материала, и нижележащих слоев, не претерпевших изменений в процессе трения. Это приводит к неустойчивости трения, в результате которой формируются частицы износа.
Таким образом, решение проблемы деградации поверхностного слоя материала при трении должно быть основано на понимании ведущей роли пластической деформации при трении и факторов, влияющих на нее. К таковым, в первую очередь, следует отнести тепловое воздействие, которое обусловлено превращением механической энергии.
Несмотря на постоянное развитие экспериментальных методов материаловедения, зона трения и особенно зона фактического контакта остаются труднодоступными для исследования непосредственно в процессе испытания. Обычно информация, получаемая во время эксперимента, ограничивается величиной коэффициента трения, температурой на некотором расстоянии от поверхности и иногда на самой поверхности. При некоторых видах испытаний на трение можно также измерять линейный износ по изменению размера образца. Все остальные данные - о структурном и фазовом составе, изменении физико-механических свойств материала, степени деформации, химических превращениях приповерхностных слоев, явлениях переноса и механического перемешивания, как правило, могут быть получены только после завершения эксперимента или в какой-либо промежуточный момент после остановки испытания. В этом случае исследователь наблюдает лишь последствия явлений и процессов, протекавших в трибосистеме. Кроме того, некото-
рые процессы, которые идут непосредственно в момент испытания и для протекания которых необходима высокая температура, большие напряжения и деформации, могут вообще остаться незамеченными, так как в момент наблюдения отсутствуют условия для их протекания. И, наоборот, в ряде случаев после окончания эксперимента в трибосопряжении обнаруживаются изменения, которые произошли не в процессе самого испытания, а явились лишь следствием его прекращения.
Очевидным выходом из описанной ситуации может стать компьютерное моделирование процессов трения и изнашивания. Результаты, полученные в процессе моделирования, могут составить основу прогнозирования поведения материалов при контактных взаимодействиях и обеспечить в дальнейшем совершенствование триботехнических материалов. Однако теоретическое описание процесса трения сталкивается с проблемами одновременного учета большого числа механизмов, действующих на поверхностях трибосоп-ряжения. В.Д. Кузнецов [35], отмечая данную особенность взаимодействия поверхностей пары трения, предлагал исследователям при теоретическом описании данного процесса не стремиться к созданию «общей» теории, а рассматривать с физической стороны отдельные частные случаи трения. Такой подход позволит нарисовать качественную картину, которая при совпадении с экспериментальными результатами подтвердит правильность наших представлений о процессе трения. Следуя В.Д. Кузнецову, в данной работе не ставилась цель построить всеобъемлющую модель, которая описала бы все, или хотя бы большую часть явлений происходящих на контакте. В диссертационной работе представлено три модели фрикционного взаимодействия, каждая из которых предназначена для описания отдельного явления и вносит свой определенный вклад в достижение основной цели.
Основной целью диссертационной работы является разработка компьютерной модели процесса трения, исследование с ее помощью температурного режима в пятне фактического контакта и его влияния на процесс развития
пластической деформации приповерхностного слоя при сухом трении скольжения с учетом изменения прочностных свойств материала вследствие фрикционного нагрева.
Работа по указанной проблеме выполнена по гранту Президента РФ поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина» № НШ-2324.2003.1 и являются составной частью плановых госбюджетных НИР, включенных в программу СО РАН по приоритетному направлению «Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий», программу Государственного научного центра "ИФПМ СО РАН" «Компьютерное конструирование и создание новых материалов», интеграционные проекты РАН № 3.12.4 и РФФИ-БРФФИ № 00-01-81134 Бел2000а и № 02-01-81003 Бел2002а.
Научная новизна:
Разработана макроскопическая модель трения на основе метода частиц для исследования сдвиговой пластической деформации в приповерхностных слоях материала при скольжении, учитывающая предысторию деформирования и изменение прочностных свойств материала вследствие фрикционного нагрева. Показано, что тепловое воздействие является основным фактором, вызывающим течение поверхностных слоев при трении.
На основе модели, предложенной в работе, проведены исследования теплового режима в пятне фактического контакта с учетом динамического характера процесса трения. Определены температуры «вспышки» на пятне контакта, которые могут достигать нескольких сотен градусов в зависимости от параметров нагружения, размера пятна контакта и свойств материала.
Методом моделирования выявлено, что одной из причин разрушения твердого покрытия может быть интенсивная пластическая деформация, развивающаяся вследствие снижения упругих свойств материала осно-
вы, вызванного фрикционным нагревом. Дано объяснение экспериментального факта существования некоторой минимальной толщины упрочненного слоя, при которой он сохраняет несущую способность, существенно повышая износостойкость. Показано, что эта минимальная толщина зависит от размера пятна контакта, условий нагружения и свойств подложки и покрытия. Достоверность полученных результатов обеспечивается соответствием результатов моделирования современным представлениям о фрикционном взаимодействии, соответствием установленных закономерностей, полученных другими авторами, а также качественным согласием результатов моделирования с экспериментальными результатами..
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты и установленные закономерности дают новые, более глубокие представления о физической природе процессов и механизмах деформирования поверхностных слоев материалов при трении. Предложенная одномерная модель позволяет на качественном уровне прогнозировать поведение материалов при контактировании и анализировать роль внешних и внутренних параметров при трении. Результаты работы могут быть использованы при разработке способов упрочнения и нанесения покрытий на материалы, в частности, для предварительной оценки свойств и толщины покрытия, которые обеспечат необходимую несущую способность в заданных условиях трения.
На защиту выносятся: 1. Физическая модель контактирования двух тел при трении скольжения, учитывающая формирование пятна контакта и изменение упругопласти-ческих свойств материала вследствие фрикционного нагрева, исходя из которой выполнены расчеты деформации поверхностного слоя с применением математических моделей сближения шероховатых поверхностей, тепловой динамики и трения скольжения единичного микровыступа.
Результаты расчетов, которые устанавливают зависимость теплового режима в поверхностном слое от параметров нагружения, свойств материала и размера пятна контакта.
Результаты моделирования циклического накопления пластической деформации в процессе трения пластичного материала без покрытия, а также с покрытием как более твердым, так и более пластичным по сравнению с основным материалом.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских и Международных конференциях: Международном симпозиуме «Трибология и технология». Славянтрибо - 4, Санкт-Петербург, 1997 г.; 5th International Symposium «INSYCONT '98. Energy and environmental aspects of tri-bology», Краков, 1998г.; Международном симпозиуме «Наземная и аэрокосмическая трибология». Славянтрибо - 5, Санкт-Петербург, 2000г.; III Всероссийская конференция молодых ученых "Физическая мезомеханика материалов", Томск, 2000г.; International Conference CADAMT'2001, Томск, 2001г.; Международной научно-технической конференции «Надежность машин и технических систем», г. Минск, 2001г.; Второй Международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. Композиционные и порошковые металлические материалы», Барнаул, 2001г.; Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова, Самара, 2001г.; 6th International Symposium "INSYCONT '02" New Achievements in Tribology, Краков, 2002г.; IV Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОмГТУ Динамика систем механизмов и машин, Омск, 2002 г., VII International Conference CADAMT'2003, Томск, 2003г., XV Международная конференции "Физика прочности и пластичности материалов", Тольятти, 2003г.
По результатам диссертационной работы опубликовано 12 работ из них 6 статей в центральных российских и зарубежных журналах и 6 публикаций в сборниках трудов российских и международных конференций.
Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 123 наименования. Диссертация содержит 145 страниц, в том числе 49 рисунков и 5 таблиц.
Микрогеометрия поверхности
Одной из причин образования поверхностного слоя является особый характер нагружения материала при трении. Главной отличительной чертой процесса трения является дискретный, стохастический характер фрикционного контактного взаимодействия [1-3, 31, 42-44]. Такой характер взаимодействия для поверхностей, вступающих в контакт в первый раз, обусловлен изначально неидеальным поверхностным рельефом, который возникает при изготовлении деталей пары трения (рис. 1.1, а). А в случае взаимодействия приработанных поверхностей - наличием микрорельефа (равновесной шероховатости), сформировавшегося на поверхностях в процессе трения.
Вследствие шероховатости контактирование поверхностей твердых тел всегда осуществляется дискретно, в отдельных зонах - пятнах фактического касания (пятнах контакта). Как правило, пятна фактического касания формируются при контакте вершин неровностей с наименьшей суммой высот. Полная площадь фактического контакта (ФПК) состоит из множества таких микроконтактных зон (рис. 1Л ,б) [45].
В зависимости от номинальной нагрузки, шероховатости поверхностей, физико-механических свойств контактирующих материалов ФПК варьируется в широких пределах и составляет от сотых долей процента до десятков процентов от номинальной площади контакта. В частности, для металлов она обычно находится в пределах 1-10% от номинальной площади контакта [42, 43]. Боуденом и Тейбором предложена следующая формула для оценки ФПК при пластическом контакте, которая дает достаточно правильные результаты для металлических поверхностей с грубой и средней шероховатостью [4]: Ar=—, (1) где Аг- фактическая площадь касания, N- нормальная нагрузка, qT- напряжение текучести (в качестве qT обычно используется значение твердости по Бринеллю [42]). Анализируя это простое соотношение с учетом того, что типичные значения ФПК на 1-2 порядка меньше номинальной площади контакта, можно сделать важный вывод. Контактные давления, развивающиеся на пятнах фактического касания, значительно превышают номинальные давления. Даже номинальные давления,, которые меньше предела текучести материала в 10-100 раз, могут приводить к пластическим деформациям на контакте. пятно касания № Рис. 1.1. Схематические изображения а) - контакта двух шероховатых поверхностей; б) - пятна фактического касания сформировавшиеся при контакте (N - нормальная нагрузка) Кроме того, из формулы (1) видно, что qT представляет собой среднее давление на контакте, которое при пластическом контакте полагается постоянным и равным твердости материала. Это отвечает современным представлениям о контакте шероховатых поверхностей. 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 поверхностей и механическими свойствами поверхностных слоев, которые определяют величину ФПК. 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 [42, 43].
Величина ФПК, а также размер и форма единичных пятен контакта существенно влияют на процессы трения и изнашивания, так как определяют напряженно деформированное состояние в поверхностных слоях взаимодействующих твердых тел. Расстояние между пятами контакта и их размер влияют на толщину слоя материала с неоднородным распределением напряжений и деформаций. Ввиду стохастичности микрорельефа в этом слое случайным образом происходят пульсации напряжений большой амплитуды. Как видно из рис. 1.2 контакт шероховатых поверхностей осуществляется по отдельным, наиболее выступающим неровностям [46]. Вследствие этого, распределение давления на контактной поверхности является существенно неоднородным. Приблизительно на половине пятен касания его величина достигает твердости более мягкого из контактирующих материалов. На некотором расстоянии от поверхности на границе раздела основного материала с покрытием напряжения существенно снижаются и остаются упругими под всеми пятнами касания. С удалением от поверхности напряжения постепенно выравниваются, и на некоторой глубине их распределение становится практически однородным. Согласно оценке Крагельского. для нормальных условий внешнего трения толщина слоя с неоднородным распределением напряжений составляет около ЮОмкм. В нижележащих слоях напряжения ниже в 100-1000 раз [1-3]. Экспериментальные исследования подтверждают справедливость такой оценки и показывают, что толщина деформированного слоя может составлять от нескольких десятков микрометров до нескольких сотен микрометров, а деформация достигать величины от 10-15% [47] до 900..1000% [32]. Эксперименты показывают, что не только толщина и степень деформации, но также и структурное состояние поверхностного слоя тесно связано с геометрией контакта [48]. В частности исследования ОЦК металлов свидетельствуют, что при трении под действием контактных напряжений в поверхностном слое формируется ячеистая фрагментированная структура. Основным «силовым» элементом такой структуры являются границы фрагментов, которые квазиупруго воспринимают изменения внешних условий нагружения. При увеличении внешних приложенных напряжений уменьшаются размеры фрагментов вследствие структурной приспосабливаемости [5, 6] и, соответственно, возрастает доля границ в объеме материала, которые и воспринимают возросшую нагрузку. Внешние приложенные напряжения, в свою очередь, зависят от нагрузки, площади фактического касания, размера пятен контакта и расстояния между ними. Таким образом, даже учет одной только деформационной составляющей процесса трения позволяет сделать вывод о том, что геометрические характеристики контакта оказывают влияние на структурное состояние материала в поверхностном слое.
Описание модели
В предложенной модели материал представляется набором N элементов, представляющих собой силовые центры и обладающих способностью поступательного движения. Модель является двумерной (рис. 2.1) [104-105]. В модели учитываются только центральные взаимодействия. Вязкая сила взаимодействия между двумя элементами определяется относительной скоростью движения элементов и направлена противоположно вектору этой скорости. В линейном приближении plj = -к V J,, где V j,, = Vі - Vj . Коэффициент пропорциональности кц, который имеет размерность [масса/время], будем называть коэффициентом вязкости.
Эволюция рассматриваемой системы определяется межэлементным взаимодействием и заданием начальных и граничных условий. Элементы двух разных поверхностей і и j считаются взаимодействующими, если они непосредственно контактируют друг с другом, т.е. если гІіі ГоЧ
Считается, что зависимость ст є имеет вид представленный на рис. 2.2 (б). Тангенс угла наклона кривой в упругой области tg а равен модулю упругости материала, а тангенс угла наклона кривой в упруго-пластической области tg f3 отражает степень деформационного упрочнения материала при упруго-пластическом деформировании. Площадь контакта SIJ зависит от степени сближения элементов и параметров шероховатости взаимодействующих поверхностей.
Основными параметрами, описывающими шероховатость реальной поверхности, являются средний радиус скруглення микронеровностей и распределение микронеровностей по высоте. Чем больше радиус скруглення и чем меньше разброс высот, тем меньше шероховатость поверхности.
В модели микрогеометрия поверхности учитывается следующим образом: каждой микронеровности соответствует один элемент на поверхности, расстояние между вершинами неровностей задается размером элементов. Законы межэлементного взаимодействия: а) - для элементов принадлежащих одному телу, б) - для контактирующих элементов на поверхности, принадлежащих двум разным телам Как правило, при моделировании распределение высот микронеровностей задают по какому-либо вероятностному закону. Сравнительный анализ использованных при моделировании законов распределения показывает, что наилучшие результаты дают биноминальное и нормальное распределения [42]. В данной модели считается, что высоты распределены по нормальному закону в определенном интервале Ah, соответствующем описываемой шероховатости, а центр распределения совпадает со средним значением высоты микронеровностей hep для данной шероховатости. Для размещения элементов в поверхностном слое использовалась специальная процедура. На первом этапе интервал Ah разбивался на 20 отрезков и, используя нормальный закона распределения (в интервале от -За до За, где а - основное отклонение), рассчитывалось количество неровностей, высоты которых лежат в каждом из отрезков. Затем элементы, моделирующие неровности разной высоты в поверхностном слое, смещались относительно базовой линии на необходимую величину Ау и размещались в нем случайным образом (рис. 2.3).
Радиус скруглення неровностей реальных поверхностей, как правило, существенно больше расстояния между их вершинами [31, 42-44]. Поэтому, используя размер элемента, невозможно задать шероховатость, близкую к реальной, и соответственно, правильно рассчитать площадь контакта. Для того, чтобы смоделировать близкую к реальной шероховатость при вычислении площади контакта двух элементов, принадлежащих разным поверхностям, вместо радиусов элементов используются радиусы скруглення неровностей, отвечающие заданным шероховатостям.
Результаты моделирования представлены в виде зависимостей контактных параметров от номинального давления: среднего давления на пятнах контакта и числа контактирующих неровностей (рис. 2.5), фактической площади касания и средней площади касания единичной неровности ( рис. 2.6). Эти зависимости достаточно хорошо отражают полученные в ходе моделирования общие закономерности.
Моделирование показало, что на начальной стадии сближения формируется только одно пятно упругого контакта. Давление на нем быстро растет и после перехода к упруго-пластическому деформированию рост давления замедляется. Упругий контакт реализуется только при очень малых сближениях и, соответственно, очень низких номинальных давлениях. В данном случае упруго-пластическое деформирование начинается уже при номинальном давлении и400кПа (рис. 2.5, кривая 1).
Макроскопическая модель автоколебательной системы
Решение поставленной задачи осуществлялось на основе макроскопического подхода. В макроскопическом масштабе при размерах образца порядка Ы0"2м, характерных для экспериментов по трению, толщину пластически деформируемого слоя можно считать пренебрежимо малой. Поэтому можно считать, что в целом образец деформируется упруго, а пластическая деформация вносит свой вклад в коэффициент трения, который, являясь интегральной характеристикой, отражает влияние всех процессов, происходящих на фрикционном контакте.
Для расчетов использовалась система трения, состоящая из упругого образца, жестко закрепленного на основании, и жесткого контртела (рис. 3.1) [113-115]. Образец и контртело представляют собой бесконечные пластины. На поверхность образца со стороны контртела действует номинальное давление Р„ом. Контртело движется параллельно поверхности образца со скоростью VK. Рассмотрим движение образца в направлении скольжения контртела. Нормальная нагрузка постоянна и не оказывает прямого влияния на движение образца вдоль направления движения контртела, поэтому нормальное напряжение и деформирование образца по оси z под действием нормальной нагрузки можно не учитывать. Будем считать, что вдоль оси х образец деформируется упруго посредством чистого сдвига. В рамках предложенного макроподхода возникающее сдвиговое напряжение тсдв одинаково по всей высоте образца, и он движется как единое целое под действием силы трения и упругой силы.
Тепло, выделяющееся на поверхности при трении, распределяется между трущимися телами в определенном соотношении, зависящем от многих факторов - теплофизических свойств материалов, микрогеометрии поверхностей, наличия в зазоре частиц износа или смазочного материала и т.д. Это соотношение при расчете задается коэффициентом распределения тепловых потоков к. Его определение в условиях трения само по себе представляет отдельную задачу, поэтому для простоты предполагается, что выделяющееся на контакте тепло распределяется поровну между образцом и контртелом, т.е. к = 0,5
Известно, что в реальных парах трения контакт происходит по отдельным пятнам и площадь фактического касания составляет 0.001 - 0.01 номинальной площади, поэтому среднее давление в пятне контакта на два - три порядка превышает номинальное давление.Результаты моделирования контакта для стальных шероховатых поверхностей, представленные в главе 1, показывают [105], что уже при нормальном давлении порядка сотен килопаскалей контактное давление достигает некоторого предельного значения, которое немного превышает предел текучести. При дальнейшем росте нагрузки контактное давление остается практически постоянным. Таким образом, очевидно, что для пластичных материалов при номинальных давлениях в несколько мегапаскалей давление в пятне контакта, по крайней мере, не ниже напряжения текучести. Поэтому, чтобы получить оценку для величины температурной "вспышки" на контакте, можно предположить, что среднее контактное давление равно напряжению текучести материала образца.
Анализ структуры поверхностных слоев трущихся металлов свидетельствует о том, что вблизи поверхности трения возникает деформированный слой, имеющий структуру и свойства, существенно отличающиеся от структуры массивного материала [32-34, 36-40, 60-65]. Причем при нагрузках вызывающих адгезионное схватывание с образованием "мостиков сварки", толщина данного слоя становится значительно больше характерного размера неоднородностей поверхности и, в то же время, много меньше размера пары трения. Как показано в работах [66, 107, 108] при трении со схватыванием одной из причин формирования поверхностного слоя являются механические и тепловые возбуждения, распространяющиеся в глубь среды и обусловленные переходом системы трения в автоколебательное состояние с большой амплитудой механических колебаний. В этом случае на поверхности трения и некотором поверхностном слое материала будут иметь место колебания температуры, в результате чего может развиваться процесс термоциклической ползучести, а также фазовые и структурные превращения материала. Для существования вышеописанного колебательного режима трения необходима падающая зависимость коэффициента трения при увеличении скорости скольжения [81-83, 109-111], что действительно наблюдается во многих реальных парах трения [31, 44, 111-112].
Целью настоящей главы является изучение методами компьютерного моделирования автоколебательного режима при сухом трении скольжения, а также исследование в этом режиме влияния нормальной нагрузки, скорости скольжения, коэффициента трения и размера пятна касания на колебания температуры в пятне контакта.
Макроскопическая модель микровыступа
Предложенная одномерная модель использует для описания деформируемой среды концепцию метода частиц [119-121]. Главной отличительной особенностью модели является то, что она позволяет путем модификации функции отклика учитывать возможные изменения механических свойств материала в результате пластического деформирования и фрикционного нагрева. Модель является макроскопической, но не в смысле пространственного масштаба, а в том смысле, что она явно не учитывает структуру и механизм деформации описываемой среды и оперирует только с ее макроскопическими характеристиками. В качестве элемента среды выступает слой материала расположенный параллельно поверхности трения, обладающий способностью перемещаться параллельно фрикционной поверхности. Моделируемая система. определяется свойствами составляющих его слоев и законом взаимодействия между ними. Сжатие образца под действием нормального давления Р 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 аналогичная функции, описанной в главе 2. Она имеет следующие параметры: упругий и пластический модули, максимальную упругую деформацию и равновесный сдвиг. Различие функций отклика заключается только в том, что в данной модели рассматривается деформация и напряжение сдвига. Параметры функции отклика могут изменяться с учетом предыстории деформирования и температуры с помощью специально введенной процедуры.
Материал каждого слоя характеризуется следующими свойствами: - плотностью р; - удельной теплоемкостью с; - теплопроводностью X; - модулем сдвига G; - "пластическим" модулем сдвига Gm; - предел текучести при одноосном растяжении ат. Кроме того, каждый слой характеризуется смещением х и скоростью поступательного движения V, которые находятся интегрированием системы классических уравнений движения для всего набора слоев (4.1-4.3), записанных в напряжениях, с граничным условием (4.4).
Для каждого слоя материала можно задавать свои свойства, отличные от свойств других слоев, поэтому разные пары слоев могут иметь различные характеристики. Такой подход позволяет конструировать микровыступ из нескольких материалов с различными свойствами, тем самым, моделируя материал с покрытиями.
На результат решения температурной задачи и, следовательно, на поведение системы трения в целом большое влияние оказывает выбор граничных условий. Обычно, при расчете температуры в микровыступе с использованием одномерного приближения, а также при представлении расчетной области в виде тонкого стержня для стороны микровыступа, противоположной контактной поверхности, применяется условие идеальной теплоизоляции. Предварительные тестовые расчеты показали, что при заданных теплофизических характеристиках материала, размере образца и условиях нагружения такое граничное условие можно применять только при расчете единичного акта взаимодействия для пятна контакта, размером не более 200-300 мкм. При больших временах моделирования и, особенно, при расчете циклического фрикционного взаимодействия глубина проникновения теплового возмущения становится сравнимой с высотой микровыступа. В этом случае граничное условие идеальной теплоизоляции для основания микровыступа приводит к завышению температуры. Одним из способов решения проблемы может быть использование граничного условия в виде: T(ho6p, t) = Tcp(ho6p, t), где Tcp(ho6p, t) - средняя температура на глубине z=ho6p. Tcp(ho6p, t) находится из решения задачи фрикционного нагрева образца для большей глубины с большим пространственным шагом сетки без учета дискретного характера выделения тепла на поверхности. В этом случае интенсивность тепловыделения на контактной поверхности будет определяться величиной не контактного, а номинального давления. Таким образом, температура основания микровыступа "привязывается" к средней температуре образца на расстоянии ho6p от поверхности, которая монотонно возрастает в процессе трения.
