Модель руйнування фрикційного контакту

Фрикційний контакт характеризується такими властивостями. Фактичний контакт поверхонь має місце в дискретних точках дотику окремих нерівностей. Сумарна площа утворених плям контакту незначна в порівнянні з номінальною площею контакту. Контакт мікровиступів випадковий. При відносному переміщенні деталей відбувається руйнування контакту в даних точках і в контакт вступають випадково співпадаючі інші поєднання мікровиступів. Мікровиступи, що вступили в контакт, перебувають під дією складного напружено-деформаційного стану під дією нормально прикладеного навантаження і сил, що витрачаються на переборювання сил тертя. Розподіл цих сил по мікроконтактах теж випадковий і нерівномірний. Напруження в контакті мікровиступів сумірні з межею текучості матеріалу. Напруження на деякій глибині матеріалу пружні (деталь в цілому пластично не деформується).

Фрикційний контакт складається з пограничного і підповерхневого шарів. Пограничний шар охоплює область пластично деформованого матеріалу, в якому реалізується зсув (розрив швидкості) однієї деталі відносно другої. Пограничний шар характеризується великою пористістю, обумовленою наявністю дефектів (мікротріщин, вакансій, дислокацій, атомів проникнення). Зсув реалізується не по одній, а по ряду площин ковзання, дотичні напруження на яких досягли межі текучості матеріалу пограничного шару. Із зростанням густини дислокацій в поверхневому шарі опір їх ковзанню збільшується, що прзводить до деформаційного (фрикційного) зміцнення. Внаслідок цього в пограничному шарі появляються напруження розтягу.

Таким чином, пограничний шар можна розглядати як деяке третє тіло, що складається з матеріалу в стані пластичного плину. Структура цього тіла складна і непостійна у часі. Стаціонарний стан пограничного шару представляється як динамічна рівновага процесів руйнування і відновлення атомно-молекулярних зв’язків диспергованого середовища, яка супроводжується втратою маси (виносом з зони контакту диспергованого матеріалу) і розсіюванням енергії.

Роль підповерхневого шару полягає в перерозподілі локальних, діючих з сторони пограничного шару навантажень на нижчезалеглі шари матеріалу, і дисипації енергії, яка генерується і поверхневому шарі в процесі пластичного зсуву. Матеріал підповерхневого шару знаходиться в стані пружної або пружно-пластичної деформації. Під дією нестаціонарних, випадкових навантажень з сторони поверхневого шару, матеріал підповерхневого шару перебуває в стані стиску-розтягу.

Процес зношування фрикційного контакту представляється наступним чином. Безпереревне руйнування і відновлення мікрооб’ємів речовини в пограничному шарі в результаті пластичного деформування приводить до розпушування цієї речовини (диспергування) і виносу розпушеної речовини з зони контакту. Сповільненню відновлювальних процесів сприяє адсорбційна-хімічна взаємодія розпушеної структури з зовнішнім середовищем.

Утворення фрагментів зношеного матеріалу відбувається через певне багатократне число взаємодій, тобто процес носить втомний характер.

Поверхневий шар знаходиться в полі дії більших високих зовнішніх сил у порівнянні з підповерхневим шаром. Між шарами постійно протікають масообмінні процеси. Розпушування і наступне руйнування підповерхневого шару приводить до втягування в поверхневий шар продуктів зношування підповерхневого шару.

Одним з механізмів масообмінного процесу між шарами є ротаційний механізм. За рухомим мікровиступом формується область розтягуючих напружень. В тому випадку, якщо ці напруження перевищують межу текучості матеріалу, появляється мікротріщина (рисунок 5.4 а). Відбувається перерозподіл напружень, і фрагменти деформованого шару перетворюються в “катки”(рисунок 5.4 б). Відбувається турбулізація поверхневого шару матеріалу з інтенсивним масообміном. Якщо матеріал крихкий, то можливе виривання фрагменту. Такі катки називаються молями. Під дією сил при коченні вони набувають сферичну форму і, перекочуючись, розпушують поверхневі шари матеріалу. В залежності від співвідношення сил, радіусу частинок, властивостей матеріалу моль може перекочуватись або закріплюватись на одній з поверхонь і ковзати по другій; або пластично деформуватись і “намазуватись” на поверхню. При перекочуванні відбувається подальше диспергування моля. При русі частинок частина з них виноситься за межі області контакту, тобто відбувається зношування поверхні.

Рисунок 5.4 – Схема ротації матеріалу у мікроконтакті і утворення моля