Аналіз процесів контактної деформації в умовах граничного режиму тертя.

Тертя - це механічний опір двох рухомих поверхонь відносно один одного. З тертям зв’язана надійність і довговічність деталей машин і механізмів, тому, зазвичай, його вплив є негативним, адже в його процесі неодмінно виникає зношування, що призводить до зміни геометричних розмірів агрегатів та вузлів, втрачається точність стикування деталей, виникають вібрації та удари, що призводить до поломок. Тертя призводить до втрати енергії , перегріву механізмів, підвищеному використанню палива тощо.

У той же час тертя грає і позитивну роль. Без тертя неможлива робота багатьох механічних передач, а робота фрикційних варіаторів, ременних передач, фрикційних тормозних муфт зчеплення цілком заснована на використанні сил тертя. У всьому світі йде боротьба за збільшення коефіцієнта тертя колісного транспорту з основою (автострадою, рейками), яке підвищує тягову здатність і збільшує ефективність гальмування.

У загальному випадку процес тертя можна описати так: ковзання у поєднанні з фактичним тиском на дискретних плямах контакту викликає значне підвищення температури, призводить до значних змін структури поверхневого шару матеріалу, викликає значне механічне й температурне навантаження в мікро- і макро об’ємах, сприяє перебігу хімічних процесів з утворення вторичних сполук, активізує взаємну дифузію.

Базуючись на результатах досліджень процесів тертя І. В. Крагельський сформулював і розглянув 3 послідовних та взаємопов’язаних етапа тертя:

- взаємодія поверхонь з урахування впливу середовища;

- зміна мікроструктури поверхневих шарів в результаті взаємодії;

- руйнування поверхонь внаслідок двох попередній етапів. [1]

Рис. 1.1.1. Види фрикційної взаємодії по І. В. Крагельському та теплова модель мікроконтакту по А. В. Чичинадзе [1]

I – зріз матеріалу, II - пластичне відтиснення, III – пружне відтиснення, IV – схоплювання плівок, V – схоплювання поверхонь, 1, 2 – пари тертя, Р – нормальне навантаження,

υ_ск – швидкість ковзання, ϧ_V1 та ϧ_V2 – обємні температури тіл 1 та 2, ϧ^*₁ та ϧ^*₂ – середні температури поверхностей пар тертя 1і 2, ϧ_всп – температурний спалах на фактичній плямі контакту.

Трибологічні процеси, що пролягають в зоні контакту твердих тіл, залежать від виду мащення – гідродинамічного, змішаного та граничного. Визначити режим мащення можна за допомою діаграми Герсі-Штірбека (рис. 1.1.2), що виражає залежність коефіцієнта тертя f від безрозмірного комплексу .

Рис. 1.1.2. Режими мащення поверхонь тертя [40]

І – гідродинамічне мащення (h_min˃R_Z1+R_Z2), II – змішане мащення (h_min~=R_Z1+R_Z2), ІІІ – граничне мащення (h_min<R_Z1+R_Z2), IV – тертя без оливи (h_min=0), h_min - мінімальна товщина масляної плівки, R_Z1 та R_Z2 - шорсткість контактуючих тіл.

Дана діаграма показує, що перехід з одного режиму в інший напряму пов'язаний зі зниженням в’язкості η при заданій швидкості ковзання υ і тиску в зоні контакту p.

Згідно з молекулярно-механічною теорією тертя І.В. Крагельського [16] ефективність масляної дії зумовлена:

· олива знижує сили адгезійної взаємодії поверхонь тертя;

· знижує опір пружному і пластичному витісненню;

· мастильна плівка зменшує фрикціїні параметри τ₀ та β [17].

Найбільш важкими та небезпечними режимами тертя вважаються граничні режими, тому їх стараються уникати або максимально знижувати тривалість їх дії.

Механізм граничного мащення досить важкий [18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25], адже під час роботи пари тертя зближені настільки, що між нерівностями виникає механічна взаємодія і мастильний матеріал втрачає свої об’ємні характеристики і граничні шари оливи не забезпечують повного розподілу твердих поверхонь.

Граничним адсорбційним шарам властива більша механічна міцність і здатність витримувати високі нормальні тиски (до 100 МПА) без руйнувань. Такі особливі властивості граничного шару А. С. Ахматов [26] називає властивостями квазітвердого тіла.

Таким чином, існує група вхідних вхідних складного трибологічного процесу: природа пар тертя, вихідна шорсткість і хвилястість тіл, проміжне й навколишнє середовище, навантаження, швидкість (ковзання, кочення т.д.), вихідна температура» [12].

Розрізняють наступні види тертя:

· рідинне - поверхні тертя повністю розділені шаром мастила. У випадку такого тертя спостерігається найменша швидкість зношування. Шар оливи виключає безпосередній контакт двох поверхонь, завдяки чому не тільки значно зменшуються сили тертя, але й створюються умови для усунення або різкого зменшення зносу поверхонь;

· сухе - між поверхнями, що труться мастило повністю відсутня. Найбільшого зношування деталі зазнають якраз під час даного режиму. Внаслідок сухого тертя виникає молекулярна взаємодія, підвищення температури, концентрація тисків на окремих ділянках, що прискорює процес руйнування поверхневих шарів. В основному, при роботі деталей автомобіля, прагнуть уникнути сухого тертя, але там, де потрібна передача зусиль, навпаки його використовують.

· граничне - поверхні, що труться розділені дуже тонким шаром мастила. Являється найбільш характерним для більшості трибосполучень в конструкції автомобіля. У цьому випадку на тертя і знос впливають як характеристики сполучених матеріалів, так і властивості мастильного шару. Знос може відбуватися при локальних розривах масляної плівки і при передачі зусиль через цю плівку, яка грає роль еластичної прокладки і має деякі властивості квазитвердого тіла.

Як зазначив Козаченко О. В. у своїй дисертації, «Граничний режим мащення виявляється у період пуску і зупинки двигуна. Насос ще не забезпечує або вже не забезпечує подачу оливи у головну магістраль. Під час пуску двигуна олива поступає до підшипників колінвала і інших пар тертя з деяким запізненням у часі. Відсутність оливи між спряженими парами призводить до інтенсивного їх зносу і задироутворенню» [14].

Ахматов А. С. стверджує, що граничне мащення визначається великою кількістю факторів, таких як:

· фізична природа, стан та властивості твердих поверхонь;

· структура і фізико-хімічні властивості молекул оливи або її складу;

· характер адсорбційного адаптування молекул мащення, кінетика цих процесів та фізико-хімічні властивості структури, що утворюється молекулами оливи в міжфазовому полі;

· тиск, ефективна товщина граничного шару, швидкість ковзання, температура та інші основні параметри;

· перетворення молекул оливи та побудова граничного шару у процесі тертя [13].

Починаючи моментом початкового контакту двох поверхонь і закінчуючи дегенерацією граничного шару, можна виділити цілий ланцюг явищ, котрі послідовно з’являються і змінюють характер тертя. Ці явища відносяться до:

1) первинного періоду взаємодії граничних шарів;

2) стаціонарного режиму тертя;

3) періоду руйнування граничного шару, тобто його зношуванню.

Даний процесс А. С. Ахматов детально описав у своїй праці «Молекулярна фізика граничного тертя»: « В первом периоде наблюдаются явления кинетики трения, а также неравновесно-гистерезисные процессы, отражающие формирование между твердыми поверхностями объединенной молекулярной структуры смазочного слоя.

Вслед за этим, в период приработки поверхностей, текут такие процессы, как аккумуляция полярных компонентов смазки на поверхностях трения и тесно связанные с ней процессы нивелировки микрогеометрического профиля.

После этого граничная система к динамически устойчивому состоянию, при условии, конечно, постоянства основных параметров трения: давления, температуры и скорости скольжения.

Наконец, в третьем периоде статистически возростая и теряя свой латентный характер, становятся ощутимыми необратимые процессы локальных разрушений граничного слоя и твердых поверхностей. Нетрудно видеть, что на протяжении указанного ряда процессов изменяются как структура граничного слоя, так и его физические свойства, а следовательно, и параметры граничного трения» [13].

До найголовніших фізико-хімічних властивостей поверхонь можна віднести поверхневу енергію, адгезію, когезію адсорбцію та її різновид хемосорбцію.

Як зазначив Роганов Л. Л. у своїй роботі «Триботехніка» , поверхневою енергією називається надлишкова енергія атомів на поверхні у відношенні до одиниці площі поверхні [5]. Схема утворення надлишкової енергії показано на рис. 1.1.2. Поверхневі атоми внаслідок вільних зв’язків володіють більшою енергією, ніж атоми всередині твердого тіла. Надлишок енергії у співвідношенні до одиниці поверхні називається питомою поверхневою енергією або просто поверхневою енергією. Повна енергія кристала складається з внутрішньої та поверхневої енергії. Остання пропорційна поверхності розділу фаз, тому особливо зростає при диспергуванні твердих тіл [6].

Рис. 1.1.2. Схема утворення надлишкової енергії атомів кристалічної решітки [6]

Адгезія – злипання, що виникає внаслідок молекулярного зв’язку поверхонь різнорідних тіл.

Когезія – найбільш міцний різновид щеплення поверхонь внаслідок молекулярного зв’язку між поверхнями однорідних твердих тіл.

Адсорбція – утворення на поверхнях твердих тіл тонких плівок з молекул газів або інших речовин з навколишнього середовища. Товщина таких плівок може варіюватись від молекулярного до мультимолекулярного. Адсорбція, що супроводжується хімічними реакціями називається хемосорбцією. На рис. 1.1.3. показано схему адсорбційних шарів на поверхні.

А. В. Коротков у своїй роботі «Зносостійкість машин» зазначив, що в реальних умовах деталі схильні до відразу декількох видів зносу. Наприклад, інструмент гарячого деформування одночасно відчуває на собі механічне стирання і термічну втому. Якщо втрата поверхнею металу відбувається швидко, то тріщини розпалу розвитку отримати не встигають і навпаки, повільне зношування дозволяє тріщинам «розпалу» поширюватися на більшу глибину.

Забруднення рідини твердими частинками може перетворити ерозійне зношування в абразивне, а забруднення хімічними активними компонентами - в корозійне. Посилити ерозійне і корозійне зношування в цих випадках може кавітація.

Перераховане показує, що перш ніж призначати заходи щодо зменшення зносу, слід встановити до яких видів зносу схильна деталь, і, якщо їх декілька, то виявити переважний. В іншому випадку вибрані заходи можуть виявитися не тільки неефективними, але привести до прискорення зносу [11].

Рис. 1.1.3. Схема адсорбційних шарів на поверхні [6]

1 - молекули середовища, 2 – шар адсорбованих молекул, 3 – тверде тіло

Геометричні властивості поверхні визначаються макро- ( форма поверхні контактуючих тіл, що сформувалась при обробці чи в процесі експлуатації) та мікрогеометрією поверхонь тіл (шорсткість, хвилястість та субмікрохвилястість поверхні).

Макронерiвностi являють собою відхилення поверхнi вiд номiнальної форми всiєї деталi: конусоподiбнiсть, некруглiсть, бочкоподiбнiсть, сiдловитiсть (для цилiндрiв); неплощиннiсть, випуклiсть, угнутість (для площин).

Мікрогеометричні відхилення можуть бути технологічними і експлуатаційними. Технологічні макровідхилення зумовлені недостатньою точністю інструмента чи невірно обраного режиму обробки, температурними напруженнями і деформаціями. Експлуатаційні макровідхилення, зазвичай, виникають внаслідок нерівномірного зношування. Залежно від ступеня точності виготовлення деталі, у відповідних стандартах наводяться граничні відхилення від таких показників: площинність, прямолінійність, форма циліндричної поверхні, радіальне биття, паралельність і перпендикулярність.

О.В. Закалов у своїй праці «Основи тертя і зношування в машинах» зазначив: «Під хвилястістю розуміють сукупність регулярно почергових підвищень та впадин з кроком хвилі більшим, ніж її висота.

Форма коливань близька до синусоїди з періодом порядку 10 мм для

хвилястостi вiдношення кроку до висоти нерiвностей змiнюється вiд 150 до 500.

Хвилястiсть у напрямі головного руху при різанні називають поздовжньою, а в перпендикулярному напрямі поперечною (рис. 1.1.3).

Рис. 1.1.3. Схема хвилястості поверхні [8]

λ – крок хвилі в повздовжньому напрямку, Н_В – висота хвилі в повздовжньому напрямку, λ₀ – крок хвилі в поперечному напрямку, Н_В – висота хвилі в поперечному напрямку.

Мiкрогеометрiя (шорсткiсть)– характеристика форми i розмiрiв поверхневих нерiвностей з вiдносно малим кроком на базовiй довжинi (вiдношення кроку до висоти нерiвностей повинно бути менше 50). Шорсткiсть поверхнi – розмiрна характеристика поверхнi i регламентована ГОСТом 2789-73, ГОСТом 2309-73 та методичними вказiвками в упровадження згiдно з ГОСТом 2789-73. У вiдповiдностi з цими державними стандартами передбачається 6 основних параметрiв, що характеризують щорсткiсть поверхнi: 3 висотних – Rа, Rz, Rmax, 2 крокових – S i Sm, вiдносна опорна довжина профiлю tp (рис. 1.1.4).

Рис. 1.1.4. Вихідна шорсткість [8]

Згідно з ДСТУ 2823-94 «Зносостійкість виробів. Тертя, зношування та мащення. Терміни та визначення», під зношуванням розуміють процес руйнування і відділення матеріалу від поверхні твердого тіла або накопичення його залишкової деформації під час тертя, що проявляється у зміні розмірів та форми. Різка зміна геометричних розмірів та форми твердого тіла називається пошкодженням, а процес – пошкоджуваністю [7]. Класифікацію видів зношування на Рис. 1.1.5.

Рис. 1.1.5. Класифікація видів зношування і пошкоджень деталей машин [8]

В навчальному посібнику, автором якого є Закалов О.В., «Основи тертя і зношування в машинах» чітко детерміновано кожен із наведених вище видів зношування та пошкоджуваності.

За його словами, механохімічне нормальне окисне зношування – це процес поступового руйнування поверхонь тертя деталей вузлів або зразків при терті, який викликається взаємодією активних пластично деформованих (текстурованих) поверхневих шарів металу з атомами кисню, сірки, фосфору, хлору, азоту, вуглецю та іншими, що містяться в середовищі та адсорбуються на робочій поверхні.

Взаємодія поверхневих шарів металу з киснем у повітрі або в мастилі, спричиняє окислювальне зношування як різновид механохімічного зношування. Окисне (окислювальне) зношування відбувається у випадку, коли на поверхнях дотику утворюються плівки окислів (твердих розчинів – вторинні структури І типу і хімічних з’єднань металу з киснем – вторинні структури ІІ типу), які в процесі тертя руйнуються і знову утворюються. Продукти зношування складаються з окислів. Окисне зношування – встановлений стаціонарний процес динамічної рівноваги руйнування і відновлення окисних плівок вторинних структур. При цьому виді зношування швидкість окислення (ϧ_ок) перевищує швидкість інших процесів, що протікають на поверхнях тертя, тобто окислення, є переважаючим (домінуючим). Міцність плівок вторинних структур, що утворюються, забезпечує стале протікання цього виду зношування, швидкість руйнування плівок не перевищує швидкість окислення (ϧ_ок > ϧ_руйн.). [8]

Абразивним матеріалом називають мінерали, зерна яких мають високу твердість і володіють здатністю різання ( дряпання ). Абразивне зношування – це руйнування поверхні деталі, в результаті її взаємодії з твердими частинками при відносному русі.

На абразивне зношування може впливати природа абразивних частин, агресивність середовища, властивості зношуваних поверхонь, ударна взаємодія, нагрів і ін. Загальним для абразивного зношування є механічний характер руйнування поверхонь.

Абразивні частинки можуть мати різноманітну форму і бути різним чином зорієнтовані відносно спряженої поверхні. Властивість абразивного зерна вдавлюватись в поверхню залежить не лише від співвідношення їх твердостей, але й від геометричної форми зерна.

Для більшості металів твердість окисних плівок є більшою від твердості самих металів. Найбільшу твердість по шкалі Мопса має оксид алюмінію Al₂O₃ (твердість самого алюмінію порівняно Al₂O₃ є невеликою). Внаслідок цього, при терті алюмінію по сталі, окисні плівки, а також продукти руйнування цих плівок можуть викликати значний знос навіть дуже твердих сталей. М’який оксид практично не здійснює абразивного впливу на іншу поверхню. Абразивне зношування оксидами алюмінію зустрічається в парах тертя сталь-алюмінієвий сплав, при умові, що сталь покривається хромом ( такі пари зустрічаються в деяких вузлах літаків, для зниження їх маси ). [9]

В результаті місцевого зєднання двох металів і, як наслідок, їх взаємного тертя або деформації при температурі нижчій, ніж температура рекристалізації виникає явище схоплювання. Вивченню цього явища і розробці методів боротьби з ним присвячено працю В. М. Сорокіна «Основи триботехніки і ущільнення поверхонь деталей машин»: «… Прояви схоплювання, що спостерігаються при випробуванні зразків на машинах тертя:

· вирив матеріалу у вигляді мікроскопічних і субмікроскопічних частинок з однієї поверхні і перенесення їх на іншу поверхню;

· виникнення тонкої плівки (нальоту) м'якого матеріалу на твердій поверхні, наприклад обміднення різальних крайок різця при різанні міді і її сплавів, намазування бронзи на сталь;

· перенесення твердого матеріалу на м'яку поверхню. Сталь переноситься на бронзу, бронза внаслідок адгезії переноситься на гуму або пластмасу;

· виривання матеріалу з утворенням глибоких борозд, уступів і западин. Процес виривання супроводжується інтенсивним наклепом по поверхневим шарам на значну глибину. Глибинне виривання з поверхневих шарів неприпустимо; воно призводить до підвищення швидкості зношування в десятки тисяч разів, збільшення сил тертя, пошкодження поверхонь, що знижує опір втоми деталей, а в ряді випадків викликає їх заклинювання і поломку» [10].