Контакт шорстких поверхонь

Контактна взаємодія поверхонь деталей завжди дискретна і відбувається на виступах, утворених нерівностями. Тому фактична площа контакту звичайно складає десяті і соті долі відсотка від номінальної, а контурна - декілька відсотків.

Процес контактування поверхонь при статичному навантаженні можна описати наступним чином. Початково поверхня контактує і сприймає навантаження вершинами виступів мікронерівностей на висотах, утворених мікрогеометричними відхиленнями. Першими в контакт вступають опозитні виступи на спряжених поверхнях, сума висот яких найбільша. Деформація нерівностей під дією навантаження забезпечує початкове зближення поверхонь. Подальше збільшення навантаження призводить до вступу в контакт нових пар виступів з меншою сумою висот.

Різновисотність контактуючих виступів і величина діючого навантаження визначають наступні види деформації виступів:

- пружна;

- пружнопластична без зміцнення;

- пружнопластична із зміцненням.

Чисто пружна деформація можлива тільки у еластичних тіл, наприклад, гумових. При контактуванні достатньо гладких металевих поверхонь також переважає пружна деформація нерівностей. Однак, у більшості випадків первинного навантаження ведуча роль у формуванні фактичного контакту належить пластичній деформації. Виступи, що входять у контакт пластично деформуються (сплющуються), найчастіше з впровадженням у спряжене тіло. Впроваджується більш твердий виступу, а при однаковій твердості той, якому геометрична форма надає більший опір деформації. Дослідженнями встановлено, що після однократного навантаження виступи зміцнюються наклепом і при повторних навантаженнях, які по величині не перевищують першого навантаження, деформуються практично пружно.

Пластична деформація і взаємне впровадження виступів мікронерівностей починається при середньому тиску на контакті вищому границі текучості матеріалу. В результаті пластичної деформації збільшуються розміри площ фактичного контакту за рахунок часткового вдавлювання виступів, що знаходяться у контакті, і вступу в контакт інших виступів за рахунок додаткового зближення поверхонь. Після деформації шорсткість змінюється мало.

З наведеного вище опису процесу деформування елементів нерівностей поверхонь стає зрозумілим, що площа фактичного контакту залежить від мікро- і макрогеометрії поверхонь, хвилястості, фізико-механічних властивостей поверхневого шару і величини навантаження. При невеликому навантаженні його перевищення викликає збільшення розмірів площадок контакту. Із подальшим ростом навантаження збільшується число площадок контакту при збереженні їх розмірів практично незмінними.

Площа фактичного контакту зростає із збільшенням навантаження, при зменшенні шорсткості поверхні і зростанні радіусу кривизни (заокруглення) вершин її мікронерівностей. Тривала дія постійного навантаження викликає незначне збільшення площадок фактичного контакту. Ця площа зменшується із збільшенням пружних характеристик, межі текучості матеріалу і висоти нерівностей поверхонь. При спряженні двох різних матеріалів площа фактичного контакту визначається фізико-механічними властивостями більш м’якого і геометрією поверхні більш твердого матеріалу.

Таким чином, площа фактичного контакту поверхонь складається із множини дискретних малих площадок, розміщених на різних висотах плям дотику у місцях найбільш повного зближення поверхонь. Між площадками взаємного дотику тіл є з’єднані між собою або закриті мікропорожнини, заповнені повітрям або іншим газовим середовищем, мастильним матеріалом, продуктами зношування.

Взаємне впровадження нерівностей контактуючих поверхонь обумовлене не тільки технологією їх обробки, але і неоднорідністю механічних властивостей. Полікристалічному чистому металу і сплавам притаманна неоднорідність кристалічної будови та структурних складових, які можуть мати різну твердість і різну орієнтацію кристалічних зерен, що виходять на поверхню. Внаслідок цього на окремих площадках фактичного контакту, починаючи із малих навантажень, відбувається взаємне впровадження твердих складових та кристалів, повернутих до поверхні «сильними» гранями, у менш тверді структурні складові.

Взаємне впровадження поверхонь спостерігається також при контактній взаємодії металів з полімерними матеріалами. У цьому випадку визначальне значення мають величина і характер нерівностей металевої поверхні.

Взаємне впровадження та деформація поверхонь тертя обумовлюють напружено-деформований стан поверхневих шарів. Пружнопластична деформація є основним процесом, що визначає характеристики зовнішнього тертя. Це пояснюється її безпосередньою участю у процесах контактування і опору переміщенню при терті, а також у процесах теплоутворення, формування експлуатаційного стану поверхні, сил тертя і поверхневого руйнування.

На схемі напружено-деформованого стану матеріалу у зоні тертя (рисунок 3.11) показані зона стиску попереду рухомого елемента контакту і зона розтягу позаду нього, а також області пружної і пружнопластичної деформації. В умовах тертя кожний елементарний поверхневий об’єм багатократно сприймає знакозмінні навантаження, які впливають на механізми деформації і руйнування.

Рисунок 3.11 – Схема напружено-деформованого стану матеріалів в зоні тертя: а – поперечний переріз зони контакту; б – вид зверху; 1 – зона пружнопластичних деформацій; 2 – зона пружних деформацій

На відміну від об’ємного напружено-деформованого стану при терті максимальні напруження виникають у всіх мікроб’ємах поверхневого шару. Це відбувається не одночасно внаслідок дискретності контакту і залежить від швидкості відносного переміщення поверхонь.