ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СХВАТЫВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ ТРЕНИИ КАК ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ПЕРВОГО РОДА Булычев В.В.

Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана


Номер: 11-4
Год: 2016
Страницы: 9-14
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

трение, схватывание металлов, активный центр, очаг схватывания, фазовый переход , friction, adhesion of the metal, active center, spot setting, phase transition

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Схватывание металлов при трении может быть рассмотрено как процесс появления новой фазы в виде очагов схватывания. Получены зависимости для расчетной оценки склонности однородных и разнородных металлов к схватывания.

Текст научной статьи

Одной из основных задач, которые ставятся при разработке транспортных средств различного назначения, является обеспечение их надежности и долговечности, которые, в свою очередь, во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания контактирующих деталей. Исследование природы и механизмов трения и изнашивания является основой для разработки новых конструкционных материалов и технологических процессов поверхностной обработки. Существенное место среди данных исследований уделяется проблеме схватывания поверхностей трения [1,2]. Следует отметить, что схватывание металлических поверхностей является желательным или нежелательным явлением в зависимости от рассматриваемого эксплуатационного или технологического процесса. Так, в парах трения схватывание трущихся поверхностей недопустимо, а при сварке давлением является необходимым условием реализации технологического процесса. Данное обстоятельство привело к тому, что явление схватывания металлов является предметом исследований как в области триботехники, так и сварки давлением и в настоящее время рассматривается с единых теоретических позиций. Так, широко распространена энергетическая теория А. П. Семенова, согласно которой для схватывания (образования металлической связи) необходимо, чтобы энергия поверхностных атомов, участвующих во взаимодействии, поднялась выше какого-то определенного для данного металла уровня, который обозначается, как энергетический порог схватывания. В работах [3,4], посвященных исследованию вопросов сварки давлением, показано, что образование соединения в твердой фазе следует рассматривать как процесс, протекающий в три основные стадии: образование физического контакта, активация контактных поверхностей, приводящая к их схватыванию и объемное развитие взаимодействия. Как показано в работах [3-5], активация контактных поверхностей происходит в результате выхода свежих дислокаций и других дефектов кристаллической решетки на соединяемые поверхности и образования в этих зонах активных центров взаимодействия. Однако теоретические походы к описанию схватывания металлов разработаны в настоящее время слабо. В данной статье схватывание металлов при трении рассматривается с позиций фазового перехода первого рода. Данный подход основан на представлении поверхностного слоя металлов в качестве отдельной фазы, что обосновывается в работе [6]. По этой причине исчезновение свободных поверхностей в результате их соединения (схватывания) можно рассматривать в качестве фазового перехода, при котором в очаге схватывания происходит исчезновение поверхностой фазы и появление новой фазы, характерной для глубинных слоев металла. Возникновение новой фазы возможно в том случае, если сопровождается уменьшением свободной энергии системы. Уменьшение свободной энергии системы из двух контактирующих объемов металла при образовании очага схватывания составляет: , (1) где , - удельные свободные энергии поверхности и межзеренной границы соответственно, - площадь очага схватывания. Образование химических связей между поверхностными атомами в очаге схватывания свидетельствует о том, что они сближены до величины периода кристаллической решетки . Отсутствие химической связи между поверхностными атомами вне этого очага схватывания позволяет говорить о том, что поверхностные атомы тел удалены друг от друга на некоторое расстояние . Изменение расстояния между поверхностными атомами двух тел в некоторой зоне перехода от очага схватывания к свободным поверхностям должно вызывать появление упругих искажений кристаллической решетки, убывающих с удалением от границы очага схватывания (рис. 1). Рис. 1 Схема возникновения напряжений вокруг очага схватывания Так как данные напряжения локализуются в области нарушения упорядоченной структуры кристаллической решетки, то они могут быть отнесены к напряжениям 3-го рода. Приращение свободной энергии системы из-за возникновения границы очага схватывания составляет: , (2) где - протяженность границы очага схватывания, - удельная свободная энергия границы очага схватывания. С учетом (1) и (2) получим термодинамическое условие образования устойчивого очага схватывания: . (3 ) Из выражения (3) следует, что образующиеся очаги схватывания являются устойчивыми, если выполняется условие: . (4) На основании (6) для кругового активного центра его критический радиус, достаточный для образования термодинамически устойчивого очага схватывания, составит: , (5) где - радиус очага схватывания. Значения и достаточно широко представлены экспериментальными данными. Для расчетной оценки представим границу очага схватывания в виде кольцевой призматической дислокации. С учетом этого в работах [4, 5] для случая соединения однородных металлов получено выражение для расчетной оценки критического радиуса : , (6) где - модуль сдвига, - вектор Бюргерса фиктивной призматической дислокации с экстраплоскостью, разделяющей свободные поверхности вокруг очага схватывания, - коэффициент Пуассона. Как было отмечено выше, активные центры могут возникать вокруг дефектов кристаллической решетки. В работах [7, 8] получена зависимость для расчета радиуса активного центра вокруг краевой дислокации , (7) где - межатомное расстояние, - вектор Бюргерса краевой дислокации, - постоянная Больцмана, - температура плавления, Т - температура. В работах [5,9] в качестве количественной оценки способности металлов к схватыванию предложено рассматривать температуру , входящую в уравнение (7) и приводящую к выполнению условия . (8) Данную температуру обозначим как критическую температуру схватывания . Металлы с меньшей могут образовывать очаги схватывания при меньших температурах нагрева и степенях совместного пластического деформирования [5]. В парах трения контактируют, как правило, металлы с резко различными свойствами, например, сталь - бронза. Данный случай взаимодействия сведем к случаю соединения однородных металлов с некоторыми промежуточными физико-механическими свойствами. Так, в случае соединения однородных материалов 1 и 2 (рис. 2) искажения кристаллических решеток свариваемых металлов будут симметричны относительно поверхности контакта и . Рис. 2. Схема расположения свободных поверхностей вокруг очага схватывания при соединении однородных материалов () При соединении материалов с различными упругими свойствами, например для случая (где , - модули упругости соединяемых металлов), искажения кристаллических решеток не будут симметричными относительно плоскости контакта, рис. 3. Рис. 3. Схема расположения свободных поверхностей вокруг очага схватывания при соединении материалов с различными свойствами () На основании закона Гука после ряда допущений получили верхнюю оценку значения критического радиуса очага схватывания между материалами с различными упругими свойствами [5]: , (9) где . В этом случае верхняя оценка значения составит . (10) Для расчетов в качестве металла с более высоким модулем упругости взяли . Рассмотрели случаи соединения с таких металлов, как ,,,,,. Сопоставление рассчитанных значений не выявило наличие их корреляционной связи с упругими свойствами цветных металлов (рис. 4). Однако при сопоставлении с температурой плавления цветных металлов такая корреляционная зависимость наблюдается (рис. 5). Рис. 4. Сопоставление рассчитанной критической температуры и модуля упругости цветных металлов для случая их соединения с железом Рис. 5. Корреляционная зависимость между критической температурой и температурой плавления цветных металлов для случая их соединения с железом Представленная на рис. 5 зависимость показывает, что склонность к схватыванию металлов с различными физико-механическими свойствами уменьшается с увеличением температуры плавления менее упругого металла. Анализ полученных зависимостей и результатов расчетов позволяет сделать ряд выводов касательно схватывания металлов при трении. При эксплуатации пар трения, состоящих из металлов с резко различными физико-механическими свойствами особое внимание следует уделять температурному режиму ее эксплуатации. В качестве металлов для пар трения целесообразно применять металлы с возможно более низкой энергией дефектов кристаллической решетки. Ограничению размеров очагов схватывания способствует увеличение вектора Бюргерса фиктивной призматической дислокации , что на практике может быть достигнуто формированием регулярного микрорельефа и формированием на трущихся поверхностях возобновляемыми неметаллическими пленками. Данные выводы соответствуют практике разработки и эксплуатации пар трения, что свидетельствует о перспективности изложенного в данной статье подхода для разработки путей их совершенствования.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.